ວັດຖຸດິບທີ່ສໍາຄັນສໍາລັບການຜະລິດ semiconductor: ປະເພດຂອງ Wafer Substrates

Wafer Substrates ເປັນວັດສະດຸຫຼັກໃນອຸປະກອນ Semiconductor

ຊັ້ນລຸ່ມຂອງ Wafer ແມ່ນຜູ້ໃຫ້ບໍລິການດ້ານກາຍະພາບຂອງອຸປະກອນ semiconductor, ແລະຄຸນສົມບັດວັດສະດຸຂອງພວກມັນຈະ ກຳ ນົດປະສິດທິພາບອຸປະກອນ, ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍ, ແລະພື້ນທີ່ການ ນຳ ໃຊ້ໂດຍກົງ. ຂ້າງລຸ່ມນີ້ແມ່ນປະເພດຕົ້ນຕໍຂອງ substrates wafer ພ້ອມກັບຂໍ້ດີແລະຂໍ້ເສຍຂອງມັນ:

1.ຊິລິໂຄນ (Si)

• ສ່ວນແບ່ງຕະຫຼາດ:ກວມເອົາຫຼາຍກວ່າ 95% ຂອງຕະຫຼາດ semiconductor ທົ່ວໂລກ.

• ຂໍ້ດີ:

  • ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຕໍ່າ:ວັດຖຸດິບທີ່ອຸດົມສົມບູນ (ຊິລິໂຄນໄດອອກໄຊ), ຂະບວນການຜະລິດແກ່, ແລະເສດຖະກິດທີ່ເຂັ້ມແຂງຂອງຂະຫນາດ.

  • ຄວາມເຂົ້າກັນໄດ້ຂອງຂະບວນການສູງ:ເທກໂນໂລຍີ CMOS ມີຄວາມເປັນຜູ້ໃຫຍ່ສູງ, ສະຫນັບສະຫນູນ nodes ຂັ້ນສູງ (ຕົວຢ່າງ, 3nm).

  • ຄຸນ​ນະ​ພາບ​ໄປ​ເຊຍ​ກັນ​ທີ່​ດີ​ເລີດ​:wafers ຂະຫນາດໃຫຍ່ທີ່ມີເສັ້ນຜ່າກາງ (ຕົ້ນຕໍແມ່ນ 12 ນິ້ວ, 18 ນິ້ວພາຍໃຕ້ການພັດທະນາ) ທີ່ມີຄວາມຫນາແຫນ້ນຕ່ໍາສາມາດປູກໄດ້.

  • ຄຸນສົມບັດກົນຈັກຄົງທີ່:ງ່າຍທີ່ຈະຕັດ, ຂັດ, ແລະຈັບ.

• ຂໍ້ເສຍ:

  • ຊ່ອງຫວ່າງແຄບ (1.12 eV):ກະແສຮົ່ວໄຫຼສູງໃນອຸນຫະພູມສູງ, ຈໍາກັດປະສິດທິພາບອຸປະກອນພະລັງງານ.

  • ຊ່ອງຫວ່າງທາງອ້ອມ:ປະສິດທິພາບການປ່ອຍແສງຕ່ໍາຫຼາຍ, ບໍ່ເຫມາະສົມສໍາລັບອຸປະກອນ optoelectronic ເຊັ່ນ LEDs ແລະ lasers.

  • ການ​ເຄື່ອນ​ໄຫວ​ເອ​ເລັກ​ໂຕຣ​ນິກ​ຈໍາ​ກັດ​:ປະສິດທິພາບຄວາມຖີ່ສູງຕ່ໍາກວ່າເມື່ອທຽບກັບ semiconductors ປະສົມ.
    

2.Gallium Arsenide (GaAs)

• ແອັບພລິເຄຊັນ:ອຸປະກອນ RF ຄວາມຖີ່ສູງ (5G/6G), ອຸປະກອນ optoelectronic (ເລເຊີ, ຈຸລັງແສງຕາເວັນ).

• ຂໍ້ດີ:

  • ການ​ເຄື່ອນ​ໄຫວ​ເອ​ເລັກ​ໂຕຣ​ນິກ​ສູງ (5–6× ຂອງ​ຊິ​ລິ​ຄອນ​)​:ເຫມາະສໍາລັບຄໍາຮ້ອງສະຫມັກທີ່ມີຄວາມໄວສູງ, ຄວາມຖີ່ສູງເຊັ່ນການສື່ສານຄື້ນ millimeter.

  • ຊ່ອງຫວ່າງໂດຍກົງ (1.42 eV):ການແປງ photoelectric ປະສິດທິພາບສູງ, ພື້ນຖານຂອງ lasers infrared ແລະ LEDs.

  • ອຸນ​ຫະ​ພູມ​ສູງ​ແລະ​ຄວາມ​ທົນ​ທານ​ຕໍ່​ລັງ​ສີ​:ເຫມາະສໍາລັບ aerospace ແລະສະພາບແວດລ້ອມ harsh.

• ຂໍ້ເສຍ:

  • ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍສູງ:ອຸ​ປະ​ກອນ​ການ​ຂາດ​ແຄນ​, ການ​ຂະ​ຫຍາຍ​ຕົວ​ໄປ​ເຊຍ​ກັນ​ຍາກ (ມັກ​ຈະ dislocations​)​, ຈໍາ​ກັດ​ຂະ​ຫນາດ wafer (ສ່ວນ​ໃຫຍ່​ແມ່ນ 6 ນິ້ວ​)​.

  • ກົນ​ໄກ Brittle:ມັກຈະມີການກະດູກຫັກ, ເຮັດໃຫ້ຜົນຜະລິດການປຸງແຕ່ງຕ່ໍາ.

  • ຄວາມເປັນພິດ:ອາເຊນິກຕ້ອງການການຈັດການ ແລະການຄວບຄຸມສິ່ງແວດລ້ອມຢ່າງເຂັ້ມງວດ.

3. Silicon Carbide (SiC)

• ແອັບພລິເຄຊັນ:ອຸ​ປະ​ກອນ​ໄຟ​ຟ້າ​ອຸນ​ຫະ​ພູມ​ສູງ​ແລະ​ແຮງ​ດັນ​ສູງ (EV inverters​, ສະ​ຖາ​ນີ​ສາກ​ໄຟ​)​, ຍານ​ອາ​ວະ​ກາດ​.

• ຂໍ້ດີ:

  • ຊ່ອງຫວ່າງກວ້າງ (3.26 eV):ຄວາມ​ເຂັ້ມ​ແຂງ​ຂອງ​ການ​ລະ​ລາຍ​ສູງ (10× ຂອງ​ຊິ​ລິ​ຄອນ​)​, ຄວາມ​ທົນ​ທານ​ຕໍ່​ອຸນ​ຫະ​ພູມ​ສູງ (ອຸນ​ຫະ​ພູມ​ປະ​ຕິ​ບັດ​> 200 ° C​)​.

  • ການນໍາຄວາມຮ້ອນສູງ (≈3×ຊິລິໂຄນ):ການກະຈາຍຄວາມຮ້ອນທີ່ດີເລີດ, ເຮັດໃຫ້ຄວາມຫນາແຫນ້ນຂອງພະລັງງານຂອງລະບົບສູງຂຶ້ນ.

  • ການ​ສູນ​ເສຍ​ການ​ສະ​ຫຼັບ​ຕ​່​ໍ​າ​:ປັບປຸງປະສິດທິພາບການແປງພະລັງງານ.

• ຂໍ້ເສຍ:

  • ການ​ກະ​ກຽມ substrate ທີ່​ທ້າ​ທາຍ​:ການເຕີບໃຫຍ່ຊ້າ (> 1 ອາທິດ), ການຄວບຄຸມຂໍ້ບົກພ່ອງທີ່ຫຍຸ້ງຍາກ (ຈຸນລະພາກ, ການເຄື່ອນທີ່), ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍສູງຫຼາຍ (5-10 ×ຊິລິໂຄນ).

  • ຂະ​ຫນາດ wafer ຂະ​ຫນາດ​ນ້ອຍ​:ສ່ວນໃຫຍ່ 4-6 ນິ້ວ; 8 ນິ້ວຍັງຢູ່ໃນການພັດທະນາ.

  • ຍາກທີ່ຈະປະມວນຜົນ:ຍາກຫຼາຍ (Mohs 9.5), ເຮັດໃຫ້ການຕັດແລະການຂັດມັນໃຊ້ເວລາຫຼາຍ.

4. Gallium Nitride (GaN)

• ແອັບພລິເຄຊັນ:ອຸປະກອນພະລັງງານຄວາມຖີ່ສູງ (ການສາກໄວ, ສະຖານີຖານ 5G), ໄຟ LED/ເລເຊີສີຟ້າ.

• ຂໍ້ດີ:

  • ການເຄື່ອນທີ່ຂອງອີເລັກໂທຣນິກສູງ + ຊ່ອງຫວ່າງກວ້າງ (3.4 eV):ລວມຄວາມຖີ່ສູງ (> 100 GHz) ແລະປະສິດທິພາບແຮງດັນສູງ.

  • ຄວາມຕ້ານທານຕໍ່າ:ຫຼຸດຜ່ອນການສູນເສຍພະລັງງານຂອງອຸປະກອນ.

  • Heteroepitaxy ເຂົ້າກັນໄດ້:ໂດຍທົ່ວໄປແລ້ວແມ່ນປູກຢູ່ໃນແຜ່ນ silicon, sapphire, ຫຼື SiC, ຫຼຸດຜ່ອນຄ່າໃຊ້ຈ່າຍ.

• ຂໍ້ເສຍ:

  • ການຂະຫຍາຍຕົວຂອງກ້ອນດຽວກ້ອນດຽວມີຄວາມຫຍຸ້ງຍາກ:Heteroepitaxy ແມ່ນກະແສຫຼັກ, ແຕ່ການເຂົ້າກັນຂອງເສັ້ນດ່າງແມ່ນແນະນໍາຂໍ້ບົກພ່ອງ.

  • ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍສູງ:ເຄື່ອງຍ່ອຍ GaN ພື້ນເມືອງມີລາຄາແພງຫຼາຍ (wafer 2 ນິ້ວສາມາດມີລາຄາຫຼາຍພັນໂດລາ).

  • ສິ່ງທ້າທາຍຄວາມໜ້າເຊື່ອຖື:ປະກົດການເຊັ່ນການລົ້ມລົງໃນປະຈຸບັນຮຽກຮ້ອງໃຫ້ມີການເພີ່ມປະສິດທິພາບ.

5. ອິນເດັຍ ຟອສຟິດ (InP)

• ແອັບພລິເຄຊັນ:ການສື່ສານທາງ optical ຄວາມໄວສູງ (lasers, photodetectors), ອຸປະກອນ terahertz.

• ຂໍ້ດີ:

  • ການ​ເຄື່ອນ​ໄຫວ​ເອ​ເລັກ​ໂຕຣ​ນິກ​ສູງ​ສຸດ​:ຮອງຮັບການໃຊ້ງານ > 100 GHz, ປະສິດທິພາບດີກວ່າ GaAs.

  • bandgap ໂດຍກົງກັບການຈັບຄູ່ຄວາມຍາວຄື່ນ:ວັດສະດຸຫຼັກສໍາລັບການສື່ສານເສັ້ນໄຍແສງ 1.3–1.55 μm.

• ຂໍ້ເສຍ:

  • Brittle ແລະລາຄາແພງຫຼາຍ:ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຂອງ substrate ເກີນ 100 × silicon, ຂະຫນາດ wafer ຈໍາກັດ (4-6 ນິ້ວ).

6. Sapphire (Al₂O₃)

• ແອັບພລິເຄຊັນ:ໄຟ LED (GaN epitaxial substrate), ແກ້ວເອເລັກໂຕຣນິກບໍລິໂພກ.

• ຂໍ້ດີ:

  • ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຕໍ່າ:ລາຄາຖືກກວ່າ substrates SiC/GaN ຫຼາຍ.

  • ຄວາມ​ຫມັ້ນ​ຄົງ​ທາງ​ເຄ​ມີ​ທີ່​ດີ​ເລີດ​:ທົນທານຕໍ່ການກັດກ່ອນ, insulating ສູງ.

  • ຄວາມໂປ່ງໃສ:ເຫມາະສໍາລັບໂຄງສ້າງ LED ຕັ້ງ.

• ຂໍ້ເສຍ:

  • ເສັ້ນຂັດຂະຫນາດໃຫຍ່ບໍ່ກົງກັນກັບ GaN (> 13%):ເຮັດໃຫ້ຄວາມຫນາແຫນ້ນຂອງຂໍ້ບົກພ່ອງສູງ, ຮຽກຮ້ອງໃຫ້ມີຊັ້ນ buffer.

  • ການນໍາຄວາມຮ້ອນທີ່ບໍ່ດີ (~1/20 ຂອງຊິລິຄອນ):ຈໍາກັດການປະຕິບັດຂອງ LEDs ພະລັງງານສູງ.

7. ຊັ້ນໃຕ້ດິນເຊລາມິກ (AlN, BeO, ແລະອື່ນໆ)

• ແອັບພລິເຄຊັນ:ເຄື່ອງແຜ່ຄວາມຮ້ອນສໍາລັບໂມດູນພະລັງງານສູງ.

• ຂໍ້ດີ:

  • insulating + ການ​ນໍາ​ໃຊ້​ຄວາມ​ຮ້ອນ​ສູງ (AlN: 170–230 W/m·K):ເຫມາະສໍາລັບການຫຸ້ມຫໍ່ທີ່ມີຄວາມຫນາແຫນ້ນສູງ.

• ຂໍ້ເສຍ:

  • ບໍ່​ແມ່ນ​ກ້ອນ​ຫີນ​ດຽວ​:ບໍ່​ສາ​ມາດ​ສະ​ຫນັບ​ສະ​ຫນູນ​ການ​ຂະ​ຫຍາຍ​ຕົວ​ອຸ​ປະ​ກອນ​ໂດຍ​ກົງ​, ນໍາ​ໃຊ້​ພຽງ​ແຕ່​ເປັນ substrates ການ​ຫຸ້ມ​ຫໍ່​.

8. Substrates ພິເສດ

• SOI (ຊິລິຄອນໃສ່ insulatator):

  • ໂຄງສ້າງ:Silicon/SiO₂/ຊິລິຄອນແຊນວິດ.

  • ຂໍ້ດີ:ຫຼຸດຜ່ອນຄວາມອາດສາມາດຂອງແມ່ກາຝາກ, ລັງສີແຂງ, ສະກັດກັ້ນການຮົ່ວໄຫຼ (ໃຊ້ໃນ RF, MEMS).

  • ຂໍ້ເສຍ:30-50% ລາຄາແພງກວ່າຊິລິໂຄນຫຼາຍ.

• Quartz (SiO₂):ໃຊ້ໃນ photomasks ແລະ MEMS; ທົນທານຕໍ່ອຸນຫະພູມສູງແຕ່ brittle ຫຼາຍ.

• ເພັດ:substrate ການນໍາຄວາມຮ້ອນທີ່ສູງທີ່ສຸດ (> 2000 W/m·K), ພາຍໃຕ້ R&D ສໍາລັບການກະຈາຍຄວາມຮ້ອນທີ່ສຸດ.

ຕາຕະລາງປຽບທຽບ

ປັດໄຈສໍາຄັນສໍາລັບການເລືອກ substrate

• ຄວາມຕ້ອງການປະສິດທິພາບ:GaAs/InP ສໍາລັບຄວາມຖີ່ສູງ; SiC ສໍາລັບແຮງດັນສູງ, ອຸນຫະພູມສູງ; GaAs/InP/GaN ສໍາລັບ optoelectronics.

• ຂໍ້ຈໍາກັດຄ່າໃຊ້ຈ່າຍ:ເຄື່ອງເອເລັກໂທຣນິກຂອງຜູ້ບໍລິໂພກມັກຊິລິໂຄນ; ຊ່ອງຂໍ້ມູນລະດັບສູງສາມາດປັບຄ່າປະກັນໄພ SiC/GaN ໄດ້.

• ຄວາມ​ຊັບ​ຊ້ອນ​ການ​ເຊື່ອມ​ໂຍງ​:Silicon ຍັງຄົງບໍ່ສາມາດທົດແທນໄດ້ສໍາລັບຄວາມເຂົ້າກັນໄດ້ຂອງ CMOS.

• ການ​ຄຸ້ມ​ຄອງ​ຄວາມ​ຮ້ອນ​:ແອັບພລິເຄຊັນພະລັງງານສູງມັກໃຊ້ SiC ຫຼື GaN ທີ່ອີງໃສ່ເພັດ.

• ການຄົບຊຸດຂອງຕ່ອງໂສ້ການສະໜອງ:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

ແນວໂນ້ມໃນອະນາຄົດ

ການເຊື່ອມໂຍງແບບເດີມໆ (ຕົວຢ່າງ, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) ຈະດຸ່ນດ່ຽງການປະຕິບັດແລະຄ່າໃຊ້ຈ່າຍ, ການຂັບລົດຄວາມກ້າວຫນ້າໃນ 5G, ຍານພາຫະນະໄຟຟ້າ, ແລະຄອມພິວເຕີ້ quantum.