Kluczowe surowce do produkcji półprzewodników: rodzaje podłoży wafli

Podłoża wafli jako kluczowe materiały w urządzeniach półprzewodnikowych

Podłoża waflowe to fizyczne nośniki elementów półprzewodnikowych, a ich właściwości materiałowe bezpośrednio wpływają na wydajność, koszt i obszary zastosowań urządzenia. Poniżej przedstawiono główne rodzaje podłoży waflowych wraz z ich zaletami i wadami:

1.Krzem (Si)

• Udział w rynku:Odpowiada za ponad 95% światowego rynku półprzewodników.

• Zalety:

  • Niski koszt:Duża ilość surowców (dwutlenek krzemu), dojrzałe procesy produkcyjne i duże oszczędności wynikające ze skali.

  • Wysoka kompatybilność procesowa:Technologia CMOS jest bardzo dojrzała i obsługuje zaawansowane węzły (np. 3 nm).

  • Doskonała jakość kryształu:Można produkować wafle o dużej średnicy (głównie 12-calowe, 18-calowe w fazie rozwoju) z niską gęstością defektów.

  • Stabilne właściwości mechaniczne:Łatwe do cięcia, polerowania i obróbki.

• Wady:

  • Wąska przerwa pasmowa (1,12 eV):Duży prąd upływu w podwyższonych temperaturach ogranicza wydajność urządzeń energetycznych.

  • Pośrednia przerwa pasmowa:Bardzo niska wydajność emisji światła, nieodpowiednia dla urządzeń optoelektronicznych, takich jak diody LED i lasery.

  • Ograniczona ruchliwość elektronów:Gorsza wydajność w zakresie wysokich częstotliwości w porównaniu do półprzewodników złożonych.
    

2.Arsenek galu (GaAs)

• Zastosowania:Urządzenia RF o wysokiej częstotliwości (5G/6G), urządzenia optoelektroniczne (lasery, ogniwa słoneczne).

• Zalety:

  • Wysoka ruchliwość elektronów (5–6 razy większa niż w przypadku krzemu):Nadaje się do zastosowań wymagających dużej prędkości i częstotliwości, takich jak komunikacja falami milimetrowymi.

  • Bezpośrednia przerwa pasmowa (1,42 eV):Wysokowydajna konwersja fotoelektryczna, podstawa laserów podczerwonych i diod LED.

  • Odporność na wysoką temperaturę i promieniowanie:Nadaje się do zastosowań w przemyśle lotniczym i trudnych warunkach.

• Wady:

  • Wysoki koszt:Rzadko występujący materiał, utrudniony wzrost kryształów (podatność na dyslokacje), ograniczony rozmiar płytki (głównie 6 cali).

  • Mechanika krucha:Podatne na pękanie, co skutkuje niską wydajnością przetwarzania.

  • Toksyczność:Arsen wymaga ścisłej kontroli obchodzenia się z nim i warunków środowiskowych.

3. Węglik krzemu (SiC)

• Zastosowania:Urządzenia wysokotemperaturowe i wysokonapięciowe (falowniki EV, stacje ładowania), przemysł lotniczy i kosmiczny.

• Zalety:

  • Szeroka przerwa pasmowa (3,26 eV):Wysoka wytrzymałość na przebicie (10 razy większa niż krzemu), odporność na wysoką temperaturę (temperatura pracy >200 °C).

  • Wysoka przewodność cieplna (≈3× krzemu):Doskonałe odprowadzanie ciepła, co pozwala na uzyskanie większej gęstości mocy systemu.

  • Niska strata przełączania:Zwiększa wydajność konwersji energii.

• Wady:

  • Trudne przygotowanie podłoża:Powolny wzrost kryształów (>1 tydzień), trudna kontrola defektów (mikroporurki, dyslokacje), wyjątkowo wysoki koszt (5–10× krzem).

  • Mały rozmiar opłatka:Głównie 4–6 cali, 8-calowe wciąż w fazie rozwoju.

  • Trudne do przetworzenia:Bardzo twardy (9,5 w skali Mohsa), przez co cięcie i polerowanie jest czasochłonne.

4. Azotek galu (GaN)

• Zastosowania:Urządzenia o wysokiej częstotliwości (szybkie ładowanie, stacje bazowe 5G), niebieskie diody LED/lasery.

• Zalety:

  • Bardzo wysoka ruchliwość elektronów + szeroka przerwa pasmowa (3,4 eV):Łączy w sobie wysoką częstotliwość (>100 GHz) i wydajność wysokiego napięcia.

  • Niska rezystancja włączenia:Zmniejsza utratę mocy urządzenia.

  • Zgodność z heteroepitaksją:Zwykle są wytwarzane na podłożach krzemowych, szafirowych lub SiC, co pozwala na redukcję kosztów.

• Wady:

  • Trudny wzrost pojedynczych kryształów w dużych ilościach:Heteroepitaksja jest zjawiskiem powszechnym, ale niedopasowanie sieci powoduje defekty.

  • Wysoki koszt:Natywne podłoża GaN są bardzo drogie (wafel 2-calowy może kosztować kilka tysięcy dolarów).

  • Wyzwania związane z niezawodnością:Zjawiska takie jak obecne załamanie wymagają optymalizacji.

5. Fosforek indu (InP)

• Zastosowania:Szybka komunikacja optyczna (lasery, fotodetektory), urządzenia terahercowe.

• Zalety:

  • Ultrawysoka ruchliwość elektronów:Obsługuje częstotliwości >100 GHz, przewyższając wydajnością GaAs.

  • Bezpośrednia przerwa pasmowa z dopasowaniem długości fali:Materiał rdzeniowy do komunikacji światłowodowej o średnicy 1,3–1,55 μm.

• Wady:

  • Kruche i bardzo drogie:Koszt podłoża przekracza 100-krotność krzemu, ograniczone rozmiary płytek (4–6 cali).

6. Szafir (Al₂O₃)

• Zastosowania:Oświetlenie LED (podłoże epitaksjalne GaN), szkło pokrywające elektronikę użytkową.

• Zalety:

  • Niski koszt:Znacznie tańsze niż podłoża SiC/GaN.

  • Doskonała stabilność chemiczna:Odporne na korozję, dobrze izolujące.

  • Przezroczystość:Nadaje się do pionowych konstrukcji LED.

• Wady:

  • Duża niezgodność sieci z GaN (>13%):Powoduje dużą gęstość defektów, wymagającą warstw buforowych.

  • Słaba przewodność cieplna (~1/20 krzemu):Ogranicza wydajność diod LED dużej mocy.

7. Podłoża ceramiczne (AlN, BeO itp.)

• Zastosowania:Rozpraszacze ciepła do modułów dużej mocy.

• Zalety:

  • Izolacja + wysoka przewodność cieplna (AlN: 170–230 W/m·K):Nadaje się do pakowania o dużej gęstości.

• Wady:

  • Nie-pojedynczy kryształ:Nie mogą bezpośrednio wspierać wzrostu urządzeń, służą jedynie jako podłoża opakowaniowe.

8. Specjalne podłoża

• SOI (Krzem na izolatorze):

  • Struktura:Kanapka krzem/SiO₂/krzem.

  • Zalety:Zmniejsza pojemność pasożytniczą, wzmacnia odporność na promieniowanie, tłumi upływ (stosowane w RF, MEMS).

  • Wady:O 30–50% droższy od krzemu sprzedawanego hurtowo.

• Kwarc (SiO₂):Stosowany w fotomaskach i MEMS; odporny na wysokie temperatury, ale bardzo kruchy.

• Diament:Podłoże o najwyższym współczynniku przewodnictwa cieplnego (>2000 W/m·K), w trakcie badań i rozwoju pod kątem ekstremalnego rozpraszania ciepła.

Tabela podsumowująca porównawczo

Kluczowe czynniki wyboru podłoża

• Wymagania dotyczące wydajności:GaAs/InP do zastosowań w wysokich częstotliwościach; SiC do zastosowań w wysokich napięciach i wysokich temperaturach; GaAs/InP/GaN do zastosowań w optoelektronice.

• Ograniczenia kosztowe:W elektronice użytkowej preferowany jest krzem; w przypadku pól o wysokiej wydajności można uzasadnić wyższe koszty SiC/GaN.

• Złożoność integracji:Krzem pozostaje niezastąpiony w kwestii kompatybilności z technologią CMOS.

• Zarządzanie ciepłem:W zastosowaniach o dużej mocy preferowany jest SiC lub GaN na bazie diamentu.

• Dojrzałość łańcucha dostaw:Si > Szafir > GaAs > SiC > GaN > InP.

Przyszły trend

Heterogeniczna integracja (np. GaN-on-Si, GaN-on-SiC) pozwoli zrównoważyć wydajność i koszty, co przyczyni się do rozwoju technologii 5G, pojazdów elektrycznych i komputerów kwantowych.