Bahan Baku konci pikeun Produksi Semikonduktor: Jenis Substrat Wafer

Substrat Wafer salaku Bahan Konci dina Alat Semikonduktor

Substrat wafer mangrupikeun pamawa fisik alat semikonduktor, sareng sipat bahanna langsung nangtukeun kinerja alat, biaya, sareng widang aplikasi. Di handap ieu jenis utama substrat wafer sareng kaunggulan sareng kalemahanana:

1.Silikon (Si)

• Pangsa pasar:Akun langkung ti 95% tina pasar semikonduktor global.

• Kaunggulan:

  • Biaya murah:Bahan baku anu loba pisan (silikon dioksida), prosés manufaktur dewasa, sareng skala ékonomi anu kuat.

  • kasaluyuan prosés High:Téknologi CMOS dewasa pisan, ngadukung titik-titik canggih (contona, 3nm).

  • Kualitas kristal anu saé:Wafers badag-diaméterna (utamana 12 inci, 18 inci dina ngembangkeun) kalawan dénsitas cacad low bisa tumuwuh.

  • Pasipatan mékanis stabil:Gampang dipotong, digosok, sareng dicekel.

• Kakurangan:

  • Celah pita sempit (1.12 eV):Arus bocor anu luhur dina suhu anu luhur, ngawatesan efisiensi alat kakuatan.

  • Gap teu langsung:Efisiensi émisi cahaya anu rendah pisan, henteu cocog pikeun alat optoeléktronik sapertos LED sareng laser.

  • Mobilitas éléktron terbatas:Kinerja frékuénsi luhur inferior dibandingkeun semikonduktor sanyawa.
    

2.Gallium Arsenide (GaAs)

• Aplikasi:Alat RF frékuénsi luhur (5G/6G), alat optoeléktronik (laser, sél surya).

• Kaunggulan:

  • Mobilitas éléktron tinggi (5–6 × silikon):Cocog jeung-speed tinggi, aplikasi frékuénsi luhur kayaning komunikasi gelombang milimeter.

  • celah pita langsung (1.42 eV):Konversi photoelectric efisiensi tinggi, pondasi laser infra red sareng LED.

  • Suhu luhur sareng résistansi radiasi:Cocog jeung aerospace jeung lingkungan kasar.

• Kakurangan:

  • Biaya luhur:bahan langka, tumuwuhna kristal hésé (rawan dislocations), ukuran wafer kawates (utamana 6 inci).

  • Mékanika rapuh:Rawan narekahan, hasilna ngahasilkeun pamrosésan low.

  • Toksisitas:Arsén butuh penanganan anu ketat sareng kontrol lingkungan.

3. Silicon Carbide (SiC)

• Aplikasi:Alat kakuatan suhu sareng tegangan tinggi (inverters EV, stasiun ngecas), aerospace.

• Kaunggulan:

  • celah pita lebar (3.26 eV):Kakuatan ngarecahna luhur (10 × tina silikon), kasabaran suhu luhur (suhu operasi> 200 °C).

  • Konduktivitas termal tinggi (≈3 × silikon):Dissipation panas anu saé, ngamungkinkeun kapadetan kakuatan sistem anu langkung luhur.

  • leungitna switching low:Ningkatkeun efisiensi konversi kakuatan.

• Kakurangan:

  • Nyiapkeun substrat anu nangtang:Tumuwuh kristal slow (> 1 minggu), kontrol cacad hésé (mikropipes, dislocations), ongkos pisan tinggi (5-10 × silikon).

  • Ukuran wafer leutik:Utamana 4-6 inci; 8 inci masih dina pangwangunan.

  • Hésé diolah:Kacida teuas (Mohs 9.5), nyieun motong na polishing waktos-consuming.

4. Gallium Nitride (GaN)

• Aplikasi:Alat kakuatan frékuénsi luhur (ngecas gancang, base station 5G), LED biru / laser.

• Kaunggulan:

  • Mobilitas éléktron ultra luhur + celah pita lebar (3.4 eV):Ngagabungkeun frékuénsi luhur (> 100 GHz) jeung kinerja tegangan tinggi.

  • Résistansi rendah:Ngurangan leungitna kakuatan alat.

  • Heteroepitaxy cocog:Biasana tumbuh dina substrat silikon, inten biru, atanapi SiC, ngirangan biaya.

• Kakurangan:

  • Susah tumuwuhna kristal tunggal bulk:Heteroepitaxy mangrupakeun mainstream, tapi kisi mismatch ngawanohkeun defects.

  • Biaya luhur:Substrat GaN asli mahal pisan (wafer 2 inci tiasa hargana sababaraha rébu USD).

  • Tantangan reliabiliti:Fenomena sapertos runtuhna ayeuna peryogi optimasi.

5. Indium Phosphide (InP)

• Aplikasi:Komunikasi optik-speed tinggi (laser, photodetectors), alat terahertz.

• Kaunggulan:

  • Mobilitas éléktron ultra-luhur:Ngarojong > 100 GHz operasi, outperforming GaAs.

  • Gap pita langsung sareng panjang gelombang cocog:Bahan inti pikeun komunikasi serat optik 1.3–1.55 μm.

• Kakurangan:

  • Rapuh sareng mahal pisan:Biaya substrat ngaleuwihan 100 × silikon, ukuran wafer kawates (4-6 inci).

6. Safir (Al₂O₃)

• Aplikasi:Lampu LED (GaN epitaxial substrate), kaca panutup éléktronik konsumen.

• Kaunggulan:

  • Biaya murah:Jauh langkung mirah tibatan substrat SiC / GaN.

  • stabilitas kimiawi alus teuing:korosi-tahan, kacida insulating.

  • Transparansi:Cocog jeung struktur LED nangtung.

• Kakurangan:

  • Kisi anu teu cocog sareng GaN (> 13%):Ngabalukarkeun dénsitas cacad tinggi, merlukeun lapisan panyangga.

  • Konduktivitas termal goréng (~ 1/20 silikon):Ngawatesan kinerja LEDs-daya luhur.

7. Substrat Keramik (AlN, BeO, jsb)

• Aplikasi:Panyebaran panas pikeun modul kakuatan tinggi.

• Kaunggulan:

  • Insulasi + konduktivitas termal tinggi (AlN: 170–230 W/m·K):Cocog jeung bungkusan dénsitas luhur.

• Kakurangan:

  • Non-tunggal-kristal:Henteu tiasa langsung ngadukung kamekaran alat, ngan ukur dianggo salaku substrat bungkusan.

8. Substrat husus

• SOI (Silikon on Insulator):

  • Struktur:Silikon / SiO₂ / sandwich silikon.

  • Kaunggulan:Ngurangan kapasitansi parasit, radiasi-hardened, suprési leakage (dipaké dina RF, MEMS).

  • Kakurangan:30-50% langkung mahal tibatan silikon bulk.

• Kuarsa (SiO₂):Dipaké dina photomasks na MEMS; résistansi suhu luhur tapi rapuh pisan.

• Inten:Substrat konduktivitas termal pangluhurna (> 2000 W / m · K), dina R&D pikeun dissipation panas ekstrim.

Tabel Ringkesan Komparatif

Faktor konci pikeun Pilihan substrat

• Syarat kinerja:GaAs / InP pikeun frékuénsi luhur; SiC pikeun tegangan tinggi, suhu luhur; GaAs / InP / GaN pikeun optoeléktronik.

• Watesan biaya:éléktronika konsumén ni'mat silikon; widang high-end bisa menerkeun SiC / premiums GaN.

• Kompleksitas integrasi:Silicon tetep irreplaceable pikeun kasaluyuan CMOS.

• Manajemén termal:Aplikasi-kakuatan luhur resep SiC atanapi GaN dumasar-inten.

• Kematangan ranté suplai:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Trend kahareup

Integrasi hétérogén (contona, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) bakal nyaimbangkeun kinerja sareng biaya, nyetir kamajuan dina 5G, kendaraan listrik, sareng komputasi kuantum.