Malighafi Muhimu kwa Uzalishaji wa Semiconductor: Aina za Substrates za Kaki

Sehemu ndogo za Kaki kama Nyenzo Muhimu katika Vifaa vya Semicondukta

Sehemu ndogo za kaki ni wabebaji halisi wa vifaa vya semicondukta, na sifa zao za nyenzo huamua moja kwa moja utendakazi wa kifaa, gharama na uga wa programu. Ifuatayo ni aina kuu za substrates za kaki pamoja na faida na hasara zao:

1.Silicon (Si)

• Kushiriki Soko:Akaunti kwa zaidi ya 95% ya soko la kimataifa la semiconductor.

• Manufaa:

  • Gharama ya chini:Malighafi nyingi (silicon dioxide), michakato ya utengenezaji wa watu wazima, na uchumi dhabiti wa kiwango.

  • Utangamano wa juu wa mchakato:Teknolojia ya CMOS imekomaa sana, inasaidia nodi za hali ya juu (kwa mfano, 3nm).

  • Ubora bora wa kioo:Kaki zenye kipenyo kikubwa (hasa inchi 12, inchi 18 chini ya ukuzaji) zenye kasoro ndogo zinaweza kukuzwa.

  • Tabia thabiti za mitambo:Rahisi kukata, kung'arisha na kushughulikia.

• Hasara:

  • Mkanda mwembamba (1.12 eV):Uvujaji wa juu wa sasa katika halijoto ya juu, na kuzuia ufanisi wa kifaa cha nguvu.

  • Mgawanyiko usio wa moja kwa moja:Ufanisi wa chini sana wa utoaji wa mwanga, haufai kwa vifaa vya optoelectronic kama vile LED na leza.

  • Uhamaji mdogo wa elektroni:Utendaji duni wa masafa ya juu ikilinganishwa na semiconductors changamano.
    

2.Gallium Arsenide (GaAs)

• Maombi:Vifaa vya RF vya juu-frequency (5G/6G), vifaa vya optoelectronic (laser, seli za jua).

• Manufaa:

  • Uhamaji mkubwa wa elektroni (5–6× ule wa silicon):Inafaa kwa matumizi ya kasi ya juu, ya masafa ya juu kama vile mawasiliano ya mawimbi ya milimita.

  • Mkondo wa moja kwa moja (1.42 eV):Ubadilishaji wa photoelectric wa ufanisi wa juu, msingi wa leza za infrared na LEDs.

  • Upinzani wa joto la juu na mionzi:Inafaa kwa anga na mazingira magumu.

• Hasara:

  • Gharama kubwa:Nyenzo chache, ukuaji mgumu wa fuwele (hukabiliwa na kutengana), saizi ndogo ya kaki (hasa inchi 6).

  • Mitambo mbovu:Inakabiliwa na fracture, na kusababisha mavuno ya chini ya usindikaji.

  • Sumu:Arsenic inahitaji utunzaji mkali na udhibiti wa mazingira.

3. Silicon Carbide (SiC)

• Maombi:Vifaa vya juu vya joto na high-voltage nguvu (inverters EV, vituo vya malipo), anga.

• Manufaa:

  • Pengo pana (3.26 eV):Nguvu ya juu ya kuvunjika (10 × ile ya silicon), uvumilivu wa joto la juu (joto la uendeshaji> 200 ° C).

  • Uendeshaji wa juu wa mafuta (≈3× silikoni):Utaftaji bora wa joto, kuwezesha msongamano wa nguvu wa mfumo wa juu.

  • Hasara ya chini ya kubadili:Inaboresha ufanisi wa ubadilishaji wa nguvu.

• Hasara:

  • Utayarishaji wa substrate ngumu:Ukuaji wa fuwele polepole (> wiki 1), udhibiti mgumu wa kasoro (bomba ndogo, mitengano), gharama ya juu sana (siliconi 5-10).

  • Saizi ndogo ya keki:Hasa inchi 4-6; Inchi 8 bado inatengenezwa.

  • Ngumu kusindika:Ngumu sana (Mohs 9.5), na kufanya kukata na polishing kutumia muda.

4. Gallium Nitridi (GaN)

• Maombi:Vifaa vya nguvu za masafa ya juu (kuchaji haraka, vituo vya msingi vya 5G), LED za bluu/laser.

• Manufaa:

  • Usogeaji wa elektroni za juu zaidi + mkanda mpana (3.4 eV):Inachanganya masafa ya juu (> 100 GHz) na utendaji wa voltage ya juu.

  • Upinzani mdogo:Hupunguza upotezaji wa nishati ya kifaa.

  • Heteroepitaxy sambamba:Hupandwa kwa silicon, yakuti, au substrates za SiC, kupunguza gharama.

• Hasara:

  • Ukuaji mwingi wa fuwele moja ni ngumu:Heteroepitaxy ni ya kawaida, lakini kutolingana kwa kimiani huleta kasoro.

  • Gharama kubwa:Sehemu ndogo za Asili za GaN ni ghali sana (kaki ya inchi 2 inaweza kugharimu elfu kadhaa za USD).

  • Changamoto za kuaminika:Matukio kama vile kuanguka kwa sasa yanahitaji uboreshaji.

5. Indium Phosfidi (InP)

• Maombi:Mawasiliano ya macho ya kasi ya juu (lasers, photodetectors), vifaa vya terahertz.

• Manufaa:

  • Uhamaji wa elektroni wa juu sana:Inaauni >uendeshaji wa GHz 100, utendakazi wa GaAs.

  • Pengo la moja kwa moja linalolingana na urefu wa mawimbi:Nyenzo za msingi za mawasiliano ya nyuzi za macho 1.3-1.55 μm.

• Hasara:

  • Ghali na dhaifu sana:Gharama ya substrate inazidi silikoni 100, saizi ndogo za kaki (inchi 4-6).

6. Sapphire (Al₂O₃)

• Maombi:Mwangaza wa LED (GaN epitaxial substrate), glasi ya kielektroniki ya watumiaji.

• Manufaa:

  • Gharama ya chini:Bei nafuu zaidi kuliko substrates za SiC/GaN.

  • Utulivu bora wa kemikali:Inastahimili kutu, inahami joto sana.

  • Uwazi:Inafaa kwa miundo ya wima ya LED.

• Hasara:

  • Latiti kubwa hailingani na GaN (> 13%):Husababisha msongamano mkubwa wa kasoro, inayohitaji tabaka za bafa.

  • Uendeshaji duni wa mafuta (~1/20 ya silicon):Hupunguza utendakazi wa LED zenye nguvu nyingi.

7. Substrates za Kauri (AlN, BeO, n.k.)

• Maombi:Wasambazaji wa joto kwa moduli za nguvu za juu.

• Manufaa:

  • Kuhami + joto la juu (AlN: 170–230 W/m·K):Yanafaa kwa ajili ya ufungaji wa juu-wiani.

• Hasara:

  • Isiyo ya fuwele:Haiwezi kuhimili ukuaji wa kifaa moja kwa moja, kinachotumika tu kama vifungashio vidogo.

8. Substrates maalum

• SOI (Silicon kwenye Kihami):

  • Muundo:Sandwich ya Silicon/SiO₂/silicon.

  • Manufaa:Hupunguza uwezo wa vimelea, ugumu wa mionzi, ukandamizaji wa kuvuja (hutumiwa katika RF, MEMS).

  • Hasara:30-50% ni ghali zaidi kuliko silicon nyingi.

• Quartz (SiO₂):Inatumika kwenye masks ya picha na MEMS; upinzani wa joto la juu lakini brittle sana.

• Almasi:Kitengo cha juu zaidi cha upitishaji joto (>2000 W/m·K), chini ya R&D kwa utawanyiko wa joto kali.

Jedwali la Muhtasari wa Kulinganisha

Mambo Muhimu kwa Uchaguzi wa Substrate

• Mahitaji ya utendaji:GaAs/InP kwa high-frequency; SiC kwa high-voltage, high-joto; GaAs/InP/GaN kwa optoelectronics.

• Vikwazo vya gharama:Elektroniki za watumiaji hupendelea silicon; nyanja za hali ya juu zinaweza kuhalalisha malipo ya SiC/GaN.

• Utata wa ujumuishaji:Silicon bado haiwezi kubadilishwa kwa uoanifu wa CMOS.

• Usimamizi wa joto:Programu zenye nguvu ya juu zinapendelea SiC au GaN inayotokana na almasi.

• Ukomavu wa mnyororo wa ugavi:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Mwenendo wa Baadaye

Ujumuishaji wa aina nyingi (kwa mfano, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) utasawazisha utendakazi na gharama, kuendeleza maendeleo katika 5G, magari ya umeme, na kompyuta ya kiasi.