Kľúčové suroviny pre výrobu polovodičov: Typy substrátov pre doštičky

Waferové substráty ako kľúčové materiály v polovodičových zariadeniach

Substráty doštičiek sú fyzickými nosičmi polovodičových zariadení a ich materiálové vlastnosti priamo určujú výkon zariadenia, cenu a oblasti použitia. Nižšie sú uvedené hlavné typy substrátov doštičiek spolu s ich výhodami a nevýhodami:

1.Kremík (Si)

• Podiel na trhu:Predstavuje viac ako 95 % svetového trhu s polovodičmi.

• Výhody:

  • Nízke náklady:Bohaté suroviny (oxid kremičitý), vyspelé výrobné procesy a silné úspory z rozsahu.

  • Vysoká kompatibilita s procesmi:Technológia CMOS je vysoko vyspelá a podporuje pokročilé uzly (napr. 3nm).

  • Vynikajúca kvalita krištáľu:Je možné pestovať doštičky s veľkým priemerom (hlavne 12-palcové, 18-palcové vo vývoji) s nízkou hustotou defektov.

  • Stabilné mechanické vlastnosti:Ľahko sa reže, leští a manipuluje.

• Nevýhody:

  • Úzka zakázaná pásma (1,12 eV):Vysoký zvodový prúd pri zvýšených teplotách, čo obmedzuje účinnosť napájacieho zariadenia.

  • Nepriama zakázaná pásma:Veľmi nízka účinnosť vyžarovania svetla, nevhodná pre optoelektronické zariadenia, ako sú LED diódy a lasery.

  • Obmedzená mobilita elektrónov:Horší vysokofrekvenčný výkon v porovnaní so zloženými polovodičmi.
    

2.Arzenid gália (GaAs)

• Aplikácie:Vysokofrekvenčné RF zariadenia (5G/6G), optoelektronické zariadenia (lasery, solárne články).

• Výhody:

  • Vysoká mobilita elektrónov (5–6-krát mobilita kremíka):Vhodné pre vysokorýchlostné, vysokofrekvenčné aplikácie, ako je komunikácia v milimetrových vlnách.

  • Priama šírka zakázaného pásma (1,42 eV):Vysokoúčinná fotoelektrická konverzia, základ infračervených laserov a LED diód.

  • Odolnosť voči vysokým teplotám a žiareniu:Vhodné pre letecký priemysel a náročné prostredie.

• Nevýhody:

  • Vysoká cena:Vzácny materiál, ťažký rast kryštálov (náchylné na dislokácie), obmedzená veľkosť doštičky (hlavne 6 palcov).

  • Krehká mechanika:Náchylný na lom, čo má za následok nízky výťažok spracovania.

  • Toxicita:Arzén vyžaduje prísne zaobchádzanie a environmentálne kontroly.

3. Karbid kremíka (SiC)

• Aplikácie:Vysokoteplotné a vysokonapäťové napájacie zariadenia (invertory pre elektromobily, nabíjacie stanice), letecký priemysel.

• Výhody:

  • Široká zakázaná pásma (3,26 eV):Vysoká prierazná pevnosť (10-krát väčšia ako u kremíka), odolnosť voči vysokým teplotám (prevádzková teplota > 200 °C).

  • Vysoká tepelná vodivosť (≈3× kremík):Vynikajúci odvod tepla, ktorý umožňuje vyššiu hustotu výkonu systému.

  • Nízke straty pri spínaní:Zlepšuje účinnosť premeny energie.

• Nevýhody:

  • Náročná príprava podkladu:Pomalý rast kryštálov (> 1 týždeň), náročná kontrola defektov (mikrotrubice, dislokácie), extrémne vysoké náklady (5–10× kremík).

  • Malá veľkosť oblátky:Prevažne 4–6 palcov; 8 palcov je stále vo vývoji.

  • Ťažko sa spracováva:Veľmi tvrdý (Mohs 9,5), čo robí rezanie a leštenie časovo náročným.

4. Nitrid gália (GaN)

• Aplikácie:Vysokofrekvenčné napájacie zariadenia (rýchle nabíjanie, základňové stanice 5G), modré LED diódy/lasery.

• Výhody:

  • Ultra vysoká mobilita elektrónov + široká zakázaná pásma (3,4 eV):Kombinuje vysokofrekvenčný (> 100 GHz) a vysokonapäťový výkon.

  • Nízky odpor pri zapnutí:Znižuje straty energie zariadenia.

  • Kompatibilné s heteroepitaxiou:Bežne sa pestuje na kremíkových, zafírových alebo SiC substrátoch, čo znižuje náklady.

• Nevýhody:

  • Rast objemových monokryštálov je náročný:Heteroepitaxia je bežná, ale nesúlad mriežky spôsobuje defekty.

  • Vysoká cena:Natívne substráty GaN sú veľmi drahé (2-palcový wafer môže stáť niekoľko tisíc USD).

  • Problémy so spoľahlivosťou:Fenomény ako kolaps prúdu si vyžadujú optimalizáciu.

5. Fosfid india (InP)

• Aplikácie:Vysokorýchlostná optická komunikácia (lasery, fotodetektory), terahertzové zariadenia.

• Výhody:

  • Ultra vysoká mobilita elektrónov:Podporuje prevádzku >100 GHz, čím prekonáva GaAs.

  • Priama šírka zakázaného pásma s prispôsobením vlnovej dĺžky:Materiál jadra pre komunikáciu s optickými vláknami s hrúbkou 1,3–1,55 μm.

• Nevýhody:

  • Krehké a veľmi drahé:Cena substrátu presahuje 100-násobok ceny kremíka, obmedzené veľkosti doštičiek (4 – 6 palcov).

6. Zafír (Al₂O₃)

• Aplikácie:LED osvetlenie (epitaxný substrát GaN), krycie sklo pre spotrebnú elektroniku.

• Výhody:

  • Nízke náklady:Oveľa lacnejšie ako substráty SiC/GaN.

  • Vynikajúca chemická stabilita:Odolné voči korózii, vysoko izolačné.

  • Transparentnosť:Vhodné pre vertikálne LED konštrukcie.

• Nevýhody:

  • Veľký mriežkový nesúlad s GaN (>13%):Spôsobuje vysokú hustotu defektov, čo si vyžaduje tlmiace vrstvy.

  • Slabá tepelná vodivosť (~1/20 kremíka):Obmedzuje výkon vysokovýkonných LED diód.

7. Keramické substráty (AlN, BeO atď.)

• Aplikácie:Rozdeľovače tepla pre vysokovýkonné moduly.

• Výhody:

  • Izolácia + vysoká tepelná vodivosť (AlN: 170–230 W/m·K):Vhodné pre balenie s vysokou hustotou.

• Nevýhody:

  • Nemonokryštálový:Nemôže priamo podporovať rast zariadenia, používa sa iba ako obalový substrát.

8. Špeciálne substráty

• SOI (kremík na izolátore):

  • Štruktúra:Sendvič kremík/SiO₂/kremík.

  • Výhody:Znižuje parazitnú kapacitu, odolnosť voči žiareniu, potlačenie úniku (používa sa v RF, MEMS).

  • Nevýhody:O 30 – 50 % drahšie ako objemový kremík.

• Kremeň (SiO₂):Používa sa vo fotomaskách a MEMS; odolný voči vysokým teplotám, ale veľmi krehký.

• Diamant:Substrát s najvyššou tepelnou vodivosťou (> 2000 W/m·K), v štádiu výskumu a vývoja pre extrémny odvod tepla.

Porovnávacia súhrnná tabuľka

Kľúčové faktory pre výber substrátu

• Požiadavky na výkon:GaAs/InP pre vysoké frekvencie; SiC pre vysoké napätie a vysoké teploty; GaAs/InP/GaN pre optoelektroniku.

• Nákladové obmedzenia:Spotrebná elektronika uprednostňuje kremík; špičkové oblasti môžu ospravedlniť prémie SiC/GaN.

• Zložitosť integrácie:Kremík zostáva pre kompatibilitu s CMOS nenahraditeľný.

• Tepelný manažment:Vysokovýkonné aplikácie uprednostňujú SiC alebo GaN na báze diamantu.

• Zrelosť dodávateľského reťazca:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Budúci trend

Heterogénna integrácia (napr. GaN-na-Si, GaN-na-SiC) vyváži výkon a náklady a podnieti pokrok v oblasti 5G, elektrických vozidiel a kvantových výpočtov.