Ključne sirovine za proizvodnju poluprovodnika: Vrste supstrata za pločice

Podloge za pločice kao ključni materijali u poluprovodničkim uređajima

Podloge za pločice su fizički nosači poluprovodničkih uređaja, a njihova svojstva materijala direktno određuju performanse uređaja, cijenu i područja primjene. U nastavku su navedene glavne vrste podloga za pločice, zajedno s njihovim prednostima i nedostacima:

1.Silicij (Si)

• Tržišni udio:Čini više od 95% globalnog tržišta poluprovodnika.

• Prednosti:

  • Niska cijena:Obilne sirovine (silicijum dioksid), zreli proizvodni procesi i snažne ekonomije obima.

  • Visoka kompatibilnost s procesima:CMOS tehnologija je veoma zrela i podržava napredne čvorove (npr. 3nm).

  • Odličan kvalitet kristala:Mogu se uzgajati pločice velikog promjera (uglavnom 12 inča, 18 inča u razvoju) s niskom gustoćom defekata.

  • Stabilna mehanička svojstva:Lako se reže, polira i rukuje.

• Nedostaci:

  • Uski energetski procjep (1,12 eV):Visoka struja curenja na povišenim temperaturama, što ograničava efikasnost uređaja za napajanje.

  • Indirektni energetski procjep:Vrlo niska efikasnost emisije svjetlosti, nepogodna za optoelektronske uređaje poput LED dioda i lasera.

  • Ograničena pokretljivost elektrona:Loše visokofrekventne performanse u poređenju sa složenim poluprovodnicima.
    

2.Galijum arsenid (GaAs)

• Primjene:Visokofrekventni RF uređaji (5G/6G), optoelektronski uređaji (laseri, solarne ćelije).

• Prednosti:

  • Visoka pokretljivost elektrona (5–6 puta veća od pokretljivosti silicija):Pogodno za brze, visokofrekventne aplikacije kao što je komunikacija milimetarskim talasima.

  • Direktni energetski procjep (1,42 eV):Visokoefikasna fotoelektrična konverzija, osnova infracrvenih lasera i LED dioda.

  • Otpornost na visoke temperature i zračenje:Pogodno za vazduhoplovstvo i teške uslove rada.

• Nedostaci:

  • Visoka cijena:Rijedak materijal, otežan rast kristala (skloni dislokacijama), ograničena veličina pločice (uglavnom 6 inča).

  • Krhka mehanika:Sklon lomljenju, što rezultira niskim prinosom obrade.

  • Toksičnost:Arsen zahtijeva strogo rukovanje i kontrolu okoliša.

3. Silicijum karbid (SiC)

• Primjene:Uređaji za napajanje visokih temperatura i visokog napona (inverteri za električna vozila, stanice za punjenje), vazduhoplovstvo.

• Prednosti:

  • Široki energetski procjep (3,26 eV):Visoka probojna čvrstoća (10× veća od silicija), otpornost na visoke temperature (radna temperatura >200 °C).

  • Visoka toplotna provodljivost (≈3× silicijum):Odlično odvođenje toplote, što omogućava veću gustinu snage sistema.

  • Niski gubici pri preključivanju:Poboljšava efikasnost konverzije energije.

• Nedostaci:

  • Zahtjevna priprema podloge:Spor rast kristala (>1 sedmica), teška kontrola defekata (mikrocijevi, dislokacije), izuzetno visoka cijena (5–10× više silicija).

  • Mala veličina pločice:Uglavnom 4-6 inča; 8 inča je još uvijek u razvoju.

  • Teško za obradu:Veoma tvrdo (Mohsova skala 9,5), što rezanje i poliranje čini dugotrajnim.

4. Galijum nitrid (GaN)

• Primjene:Visokofrekventni uređaji za napajanje (brzo punjenje, 5G bazne stanice), plave LED diode/laseri.

• Prednosti:

  • Ultra visoka pokretljivost elektrona + širok energetski procjep (3,4 eV):Kombinuje performanse visoke frekvencije (>100 GHz) i visokog napona.

  • Nizak otpor uključenja:Smanjuje gubitak snage uređaja.

  • Kompatibilno sa heteroepitaksijom:Obično se uzgaja na silicijumskim, safirnim ili SiC podlogama, što smanjuje troškove.

• Nedostaci:

  • Teško je uzgajati monokristale u velikim količinama:Heteroepitaksija je uobičajena, ali neusklađenost rešetke unosi defekte.

  • Visoka cijena:Izvorni GaN supstrati su veoma skupi (pločica od 2 inča može koštati nekoliko hiljada američkih dolara).

  • Izazovi pouzdanosti:Fenomeni poput trenutnog kolapsa zahtijevaju optimizaciju.

5. Indij fosfid (InP)

• Primjene:Brze optičke komunikacije (laseri, fotodetektori), terahercni uređaji.

• Prednosti:

  • Ultra visoka pokretljivost elektrona:Podržava rad >100 GHz, nadmašujući GaAs.

  • Direktni energetski procjep sa usklađivanjem talasne dužine:Materijal jezgra za komunikaciju optičkim vlaknima širine 1,3–1,55 μm.

• Nedostaci:

  • Krhko i veoma skupo:Cijena podloge prelazi 100× cijenu silicija, ograničene veličine pločica (4–6 inča).

6. Safir (Al₂O₃)

• Primjene:LED rasvjeta (GaN epitaksijalna podloga), zaštitno staklo za potrošačku elektroniku.

• Prednosti:

  • Niska cijena:Mnogo jeftinije od SiC/GaN supstrata.

  • Odlična hemijska stabilnost:Otporno na koroziju, visoka izolacijska svojstva.

  • Transparentnost:Pogodno za vertikalne LED strukture.

• Nedostaci:

  • Velika neusklađenost rešetke sa GaN (>13%):Uzrokuje visoku gustinu defekata, što zahtijeva tampon slojeve.

  • Slaba toplotna provodljivost (~1/20 silicija):Ograničava performanse LED dioda velike snage.

7. Keramičke podloge (AlN, BeO, itd.)

• Primjene:Raspršivači toplote za module velike snage.

• Prednosti:

  • Izolacija + visoka toplinska provodljivost (AlN: 170–230 W/m·K):Pogodno za pakovanje visoke gustine.

• Nedostaci:

  • Ne-monokristalni:Ne može direktno podržati rast uređaja, koristi se samo kao podloga za pakovanje.

8. Specijalne podloge

• SOI (Silikon na izolatoru):

  • Struktura:Sendvič od silicija/SiO₂/silicijuma.

  • Prednosti:Smanjuje parazitski kapacitet, otporan na zračenje, suzbijanje curenja (koristi se u RF, MEMS).

  • Nedostaci:30–50% skuplji od rasutog silicija.

• Kvarc (SiO₂):Koristi se u fotomaskama i MEMS-ima; otporan na visoke temperature, ali vrlo krhak.

• Dijamant:Podloga s najvećom toplinskom provodljivošću (>2000 W/m·K), u fazi istraživanja i razvoja za ekstremno odvođenje topline.

Komparativna tabela sažetka

Ključni faktori za odabir podloge

• Zahtjevi za performanse:GaAs/InP za visoke frekvencije; SiC za visoki napon, visoke temperature; GaAs/InP/GaN za optoelektroniku.

• Ograničenja troškova:Potrošačka elektronika favorizuje silicijum; vrhunska područja mogu opravdati premije SiC/GaN.

• Složenost integracije:Silicijum ostaje nezamjenjiv za CMOS kompatibilnost.

• Termalno upravljanje:Za primjene velike snage preferira se SiC ili GaN na bazi dijamanta.

• Zrelost lanca snabdijevanja:Si > Safir > GaAs > SiC > GaN > InP.

Budući trend

Heterogena integracija (npr. GaN-na-Si, GaN-na-SiC) će uravnotežiti performanse i troškove, potičući napredak u 5G, električnim vozilima i kvantnom računarstvu.