Mga Pangunahing Hilaw na Materyal para sa Produksyon ng Semiconductor: Mga Uri ng Wafer Substrate

Mga Wafer Substrate bilang Pangunahing Materyal sa Mga Semiconductor Device

Ang mga wafer substrate ay ang mga pisikal na carrier ng mga semiconductor device, at ang kanilang mga materyal na katangian ay direktang tumutukoy sa performance ng device, gastos, at mga field ng application. Nasa ibaba ang mga pangunahing uri ng mga substrate ng wafer kasama ang kanilang mga pakinabang at disadvantages:

1.Silicon (Si)

• Bahagi ng Market:Mga account para sa higit sa 95% ng pandaigdigang merkado ng semiconductor.

• Mga kalamangan:

  • Mababang gastos:Masaganang hilaw na materyales (silicon dioxide), mature na proseso ng pagmamanupaktura, at malakas na ekonomiya ng sukat.

  • Mataas na pagiging tugma ng proseso:Ang teknolohiya ng CMOS ay lubos na nasa hustong gulang, na sumusuporta sa mga advanced na node (hal., 3nm).

  • Napakahusay na kalidad ng kristal:Ang mga wafer na may malalaking diameter (pangunahing 12-pulgada, 18-pulgada ang nasa ilalim ng pagbuo) na may mababang density ng depekto ay maaaring palaguin.

  • Matatag na mekanikal na katangian:Madaling i-cut, polish, at hawakan.

• Mga disadvantages:

  • Narrow bandgap (1.12 eV):Mataas na leakage current sa matataas na temperatura, na nililimitahan ang kahusayan ng power device.

  • Hindi direktang bandgap:Napakababang kahusayan sa paglabas ng liwanag, hindi angkop para sa mga optoelectronic na aparato tulad ng mga LED at laser.

  • Limitadong electron mobility:Mas mababa ang high-frequency na performance kumpara sa compound semiconductors.
    

2.Gallium Arsenide (GaAs)

• Mga Application:Mga high-frequency na RF device (5G/6G), mga optoelectronic na device (laser, solar cell).

• Mga kalamangan:

  • Mataas na electron mobility (5–6× na silicon):Angkop para sa high-speed, high-frequency na mga application tulad ng millimeter-wave communication.

  • Direktang bandgap (1.42 eV):High-efficiency photoelectric conversion, ang pundasyon ng infrared lasers at LEDs.

  • Mataas na temperatura at radiation resistance:Angkop para sa aerospace at malupit na kapaligiran.

• Mga disadvantages:

  • Mataas na gastos:Kakapusan ang materyal, mahirap na paglaki ng kristal (madaling malihis), limitadong laki ng wafer (pangunahing 6 na pulgada).

  • Malutong na mekanika:Mahilig sa bali, na nagreresulta sa mababang ani ng pagproseso.

  • Lason:Ang arsenic ay nangangailangan ng mahigpit na paghawak at mga kontrol sa kapaligiran.

3. Silicon Carbide (SiC)

• Mga Application:Mataas na temperatura at mataas na boltahe na mga power device (EV inverters, charging station), aerospace.

• Mga kalamangan:

  • Malawak na bandgap (3.26 eV):Mataas na lakas ng pagkasira (10x ng silikon), pagpapaubaya sa mataas na temperatura (temperatura ng pagpapatakbo >200 °C).

  • Mataas na thermal conductivity (≈3× silicon):Napakahusay na pagkawala ng init, na nagpapagana ng mas mataas na density ng kapangyarihan ng system.

  • Mababang pagkawala ng switching:Nagpapabuti ng kahusayan sa conversion ng kuryente.

• Mga disadvantages:

  • Mapanghamong paghahanda ng substrate:Mabagal na paglaki ng kristal (>1 linggo), mahirap kontrolin ang depekto (mga micropipe, dislokasyon), napakataas na halaga (5–10× silicon).

  • Maliit na laki ng wafer:Pangunahing 4–6 pulgada; 8-inch pa rin under development.

  • Mahirap iproseso:Napakahirap (Mohs 9.5), ang paggawa ng pagputol at pagpapakinis ay nakakaubos ng oras.

4. Gallium Nitride (GaN)

• Mga Application:Mga high-frequency na power device (fast charging, 5G base station), mga asul na LED/laser.

• Mga kalamangan:

  • Ultra-high electron mobility + wide bandgap (3.4 eV):Pinagsasama ang high-frequency (>100 GHz) at high-voltage na performance.

  • Mababang on-resistance:Binabawasan ang pagkawala ng kuryente ng device.

  • Katugmang Heteroepitaxy:Karaniwang lumalago sa mga substrate ng silicon, sapphire, o SiC, na nagpapababa ng gastos.

• Mga disadvantages:

  • Mahirap ang bulk single-crystal growth:Ang Heteroepitaxy ay mainstream, ngunit ang mismatch ng sala-sala ay nagpapakilala ng mga depekto.

  • Mataas na gastos:Ang mga substrate ng katutubong GaN ay napakamahal (ang 2-pulgadang wafer ay maaaring nagkakahalaga ng ilang libong USD).

  • Mga hamon sa pagiging maaasahan:Ang mga kababalaghan tulad ng kasalukuyang pagbagsak ay nangangailangan ng pag-optimize.

5. Indium Phosphide (InP)

• Mga Application:High-speed optical communications (lasers, photodetector), terahertz device.

• Mga kalamangan:

  • Ultra-high electron mobility:Sinusuportahan ang >100 GHz na pagpapatakbo, na higit sa pagganap sa mga GaA.

  • Direktang bandgap na may pagtutugma ng wavelength:Core na materyal para sa 1.3–1.55 μm na optical fiber na mga komunikasyon.

• Mga disadvantages:

  • Malutong at napakamahal:Ang halaga ng substrate ay lumampas sa 100× silicon, limitadong laki ng wafer (4–6 pulgada).

6. Sapphire (Al₂O₃)

• Mga Application:LED lighting (GaN epitaxial substrate), consumer electronics cover glass.

• Mga kalamangan:

  • Mababang gastos:Mas mura kaysa sa mga substrate ng SiC/GaN.

  • Napakahusay na katatagan ng kemikal:Corrosion-resistant, mataas ang insulating.

  • Transparency:Angkop para sa mga vertical na istruktura ng LED.

• Mga disadvantages:

  • Malaking sala-sala na hindi tugma sa GaN (>13%):Nagdudulot ng mataas na density ng depekto, na nangangailangan ng mga buffer layer.

  • Hindi magandang thermal conductivity (~1/20 ng silicon):Nililimitahan ang pagganap ng mga high-power na LED.

7. Mga Ceramic Substrate (AlN, BeO, atbp.)

• Mga Application:Mga heat spreader para sa mga high-power na module.

• Mga kalamangan:

  • Insulating + mataas na thermal conductivity (AlN: 170–230 W/m·K):Angkop para sa high-density na packaging.

• Mga disadvantages:

  • Non-single-crystal:Hindi direktang suportahan ang paglaki ng device, ginagamit lang bilang mga substrate ng packaging.

8. Mga Espesyal na Substrate

• SOI (Silicon on Insulator):

  • Istruktura:Silicon/SiO₂/silicon sandwich.

  • Mga kalamangan:Binabawasan ang kapasidad ng parasitiko, pinatigas ng radiation, pagsugpo sa pagtagas (ginagamit sa RF, MEMS).

  • Mga disadvantages:30–50% na mas mahal kaysa sa bulk silicon.

• Kuwarts (SiO₂):Ginagamit sa mga photomask at MEMS; paglaban sa mataas na temperatura ngunit napakarupok.

• brilyante:Pinakamataas na thermal conductivity substrate (>2000 W/m·K), sa ilalim ng R&D para sa matinding pag-alis ng init.

Comparative Summary Table

Mga Pangunahing Salik para sa Pagpili ng Substrate

• Mga kinakailangan sa pagganap:GaAs/InP para sa high-frequency; SiC para sa mataas na boltahe, mataas na temperatura; GaAs/InP/GaN para sa optoelectronics.

• Mga hadlang sa gastos:Pinapaboran ng consumer electronics ang silikon; Maaaring bigyang-katwiran ng mga high-end na field ang mga premium ng SiC/GaN.

• Pagiging kumplikado:Ang Silicon ay nananatiling hindi maaaring palitan para sa CMOS compatibility.

• Pamamahala ng thermal:Mas gusto ng mga high-power na application ang SiC o GaN na nakabatay sa diyamante.

• Kapanahunan ng supply chain:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Uso sa Hinaharap

Ang magkakaibang pagsasama (hal., GaN-on-Si, GaN-on-SiC) ay magbabalanse sa pagganap at gastos, sa pagmamaneho ng mga pagsulong sa 5G, mga de-kuryenteng sasakyan, at quantum computing.