Yarimo'tkazgichlar ishlab chiqarish uchun asosiy xom ashyo: gofretli substratlar turlari

Gofret substratlari yarimo'tkazgichli qurilmalarda asosiy materiallar sifatida

Gofret substratlari yarimo'tkazgichli qurilmalarning jismoniy tashuvchilari bo'lib, ularning moddiy xususiyatlari qurilmaning ishlashi, narxi va qo'llanilishi sohalarini bevosita belgilaydi. Quyida gofret substratlarining asosiy turlari va ularning afzalliklari va kamchiliklari keltirilgan:

1.Kremniy (Si)

• Bozor ulushi:Jahon yarimo'tkazgich bozorining 95% dan ortig'ini tashkil qiladi.

• Afzalliklari:

  • Arzon:Mo'l-ko'l xom ashyo (kremniy dioksidi), etuk ishlab chiqarish jarayonlari va kuchli miqyos iqtisodlari.

  • Yuqori jarayon muvofiqligi:CMOS texnologiyasi juda etuk bo'lib, ilg'or tugunlarni (masalan, 3nm) qo'llab-quvvatlaydi.

  • Zo'r kristal sifati:Kam nuqsonli zichlikka ega bo'lgan katta diametrli gofretlarni (asosan 12 dyuym, 18 dyuym ishlab chiqilmoqda) etishtirish mumkin.

  • Barqaror mexanik xususiyatlar:Kesish, parlatish va ishlov berish oson.

• Kamchiliklari:

  • Tor diapazon (1,12 eV):Yuqori haroratlarda yuqori qochqin oqimi, quvvat qurilmasining samaradorligini cheklaydi.

  • Bilvosita tarmoqli oralig'i:Juda past yorug'lik emissiya samaradorligi, LED va lazer kabi optoelektronik qurilmalar uchun mos emas.

  • Cheklangan elektron harakatchanligi:Murakkab yarimo'tkazgichlarga nisbatan past yuqori chastotali ishlash.
    

2.Galiy arsenid (GaAs)

• Ilovalar:Yuqori chastotali RF qurilmalari (5G/6G), optoelektronik qurilmalar (lazerlar, quyosh batareyalari).

• Afzalliklari:

  • Yuqori elektron harakatchanligi (kremniynikidan 5-6 marta):Millimetrli to'lqinli aloqa kabi yuqori tezlikdagi, yuqori chastotali ilovalar uchun javob beradi.

  • To'g'ridan-to'g'ri tarmoqli oralig'i (1,42 eV):Yuqori samarali fotoelektrik konversiya, infraqizil lazerlar va LEDlarning asosi.

  • Yuqori harorat va radiatsiya qarshiligi:Aerokosmik va og'ir muhitlar uchun javob beradi.

• Kamchiliklari:

  • Yuqori narx:Kam material, qiyin kristall o'sishi (dislokatsiyaga moyil), cheklangan gofret o'lchami (asosan 6 dyuym).

  • Mo'rt mexanika:Sinishiga moyil bo'lib, natijada qayta ishlash unumdorligi past bo'ladi.

  • Toksiklik:Arsenik qattiq ishlov berish va atrof-muhit nazoratini talab qiladi.

3. Silikon karbid (SiC)

• Ilovalar:Yuqori haroratli va yuqori kuchlanishli quvvat qurilmalari (EV invertorlari, zaryadlash stantsiyalari), aerokosmik.

• Afzalliklari:

  • Keng tarmoqli oralig'i (3,26 eV):Yuqori parchalanish kuchi (10 × kremniy), yuqori haroratga chidamlilik (ish harorati > 200 °C).

  • Yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi (≈3 × kremniy):Ajoyib issiqlik tarqalishi, tizimning yuqori quvvat zichligini ta'minlaydi.

  • Kam kommutatsiya yo'qotilishi:Quvvatni konvertatsiya qilish samaradorligini oshiradi.

• Kamchiliklari:

  • Substratni tayyorlash qiyin:Kristallarning sekin o'sishi (>1 hafta), nuqsonlarni nazorat qilish qiyin (mikroiplar, dislokatsiyalar), juda yuqori narx (5-10 × kremniy).

  • Kichik gofret hajmi:Asosan 4-6 dyuym; 8 dyuym hali ishlab chiqilmoqda.

  • Qayta ishlash qiyin:Juda qattiq (Mohs 9.5), kesish va parlatish ko'p vaqt talab etadi.

4. Galiy nitridi (GaN)

• Ilovalar:Yuqori chastotali quvvat qurilmalari (tezkor zaryadlash, 5G tayanch stantsiyalari), ko'k LEDlar / lazerlar.

• Afzalliklari:

  • Ultra yuqori elektron harakatchanligi + keng tarmoqli oralig'i (3,4 eV):Yuqori chastotali (>100 gigagertsli) va yuqori kuchlanishli ishlashni birlashtiradi.

  • Kam qarshilik:Qurilmaning quvvat yo'qotilishini kamaytiradi.

  • Heteroepitaksiyaga mos keladi:Odatda kremniy, safir yoki SiC substratlarida etishtiriladi, bu esa xarajatlarni kamaytiradi.

• Kamchiliklari:

  • Yalpi monokristal o'sishi qiyin:Geteroepitaksiya asosiy hisoblanadi, ammo panjaraning mos kelmasligi nuqsonlarni keltirib chiqaradi.

  • Yuqori narx:Native GaN substratlari juda qimmat (2 dyuymli gofret bir necha ming dollarga tushishi mumkin).

  • Ishonchlilik muammolari:Joriy qulash kabi hodisalar optimallashtirishni talab qiladi.

5. Indiy fosfidi (InP)

• Ilovalar:Yuqori tezlikdagi optik aloqalar (lazerlar, fotodetektorlar), teragerts qurilmalari.

• Afzalliklari:

  • Ultra yuqori elektron harakatchanligi:>100 gigagertsli ishlashni qo'llab-quvvatlaydi, GaA-dan ustundir.

  • To'lqin uzunligi mos keladigan to'g'ridan-to'g'ri tarmoqli oralig'i:1,3–1,55 mikron optik tolali aloqa uchun asosiy material.

• Kamchiliklari:

  • Mo'rt va juda qimmat:Substrat narxi 100 × kremniydan oshadi, gofret o'lchamlari cheklangan (4–6 dyuym).

6. Safir (Al₂O₃)

• Ilovalar:LED yoritgichi (GaN epitaksial substrat), maishiy elektronika qopqog'i oynasi.

• Afzalliklari:

  • Arzon:SiC/GaN substratlaridan ancha arzon.

  • Ajoyib kimyoviy barqarorlik:Korroziyaga chidamli, yuqori izolyatsiya.

  • Shaffoflik:Vertikal LED tuzilmalari uchun javob beradi.

• Kamchiliklari:

  • GaN bilan katta panjara mos kelmasligi (>13%):Bufer qatlamlarini talab qiluvchi yuqori nuqson zichligiga sabab bo'ladi.

  • Yomon issiqlik o'tkazuvchanligi (~1/20 kremniy):Yuqori quvvatli LEDlarning ishlashini cheklaydi.

7. Seramika substratlar (AlN, BeO va boshqalar)

• Ilovalar:Yuqori quvvatli modullar uchun issiqlik tarqatuvchilar.

• Afzalliklari:

  • Izolyatsiya qiluvchi + yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi (AlN: 170–230 Vt/m·K):Yuqori zichlikdagi qadoqlash uchun javob beradi.

• Kamchiliklari:

  • Bir kristalli bo'lmagan:Qurilmaning o'sishini bevosita qo'llab-quvvatlamaydi, faqat qadoqlash substratlari sifatida ishlatiladi.

8. Maxsus substratlar

• SOI (izolyatordagi kremniy):

  • Tuzilishi:Silikon/SiO₂/kremniyli sendvich.

  • Afzalliklari:Parazit sig'imini pasaytiradi, radiatsiya bilan qotib qolgan, oqishni bostirish (RF, MEMSda qo'llaniladi).

  • Kamchiliklari:Ommaviy kremniydan 30-50% qimmatroq.

• Kvarts (SiO₂):Fotomaskalar va MEMSlarda qo'llaniladi; yuqori haroratga chidamli, lekin juda mo'rt.

• Olmos:Haddan tashqari issiqlik tarqalishi uchun ilmiy-tadqiqot ishlari ostida eng yuqori issiqlik o'tkazuvchanlik substrati (>2000 Vt/m·K).

Qiyosiy xulosalar jadvali

Substrat tanlashning asosiy omillari

• Ishlash talablari:Yuqori chastotalar uchun GaAs/InP; Yuqori kuchlanish, yuqori harorat uchun SiC; Optoelektronika uchun GaAs/InP/GaN.

• Narx cheklovlari:Maishiy elektronika kremniyni afzal ko'radi; yuqori darajadagi maydonlar SiC/GaN mukofotlarini oqlashi mumkin.

• Integratsiyaning murakkabligi:Silikon CMOS mosligi uchun almashtirib bo'lmaydigan bo'lib qoladi.

• Issiqlik boshqaruvi:Yuqori quvvatli ilovalar SiC yoki olmos asosidagi GaN ni afzal ko'radi.

• Ta'minot zanjiri etukligi:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Kelajak tendentsiyasi

Heterojen integratsiya (masalan, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) unumdorlik va narxni muvozanatlashtiradi, 5G, elektr transport vositalari va kvant hisoblashlarida haydash yutuqlarini ta'minlaydi.