Ŝlosilaj Krudmaterialoj por Duonkonduktaĵa Produktado: Tipoj de Oblatetaj Substratoj

Oblatetaj Substratoj kiel Ŝlosilaj Materialoj en Duonkonduktaĵaj Aparatoj

Plaftaj substratoj estas la fizikaj portantoj de duonkonduktaĵaj aparatoj, kaj iliaj materialaj ecoj rekte determinas la rendimenton, koston kaj aplikajn kampojn de la aparato. Jen la ĉefaj tipoj de plaftaj substratoj kune kun iliaj avantaĝoj kaj malavantaĝoj:

1.Silicio (Si)

• Merkata Parto:Konstituas pli ol 95% de la tutmonda merkato de duonkonduktaĵoj.

• Avantaĝoj:

  • Malalta kosto:Abundaj krudmaterialoj (silicia dioksido), maturaj fabrikadaj procezoj, kaj fortaj ekonomioj de skalo.

  • Alta proceza kongruo:CMOS-teknologio estas tre matura, subtenante progresintajn nodojn (ekz., 3nm).

  • Bonega kristala kvalito:Granddiametraj oblatoj (ĉefe 12-colaj, 18-colaj sub disvolviĝo) kun malalta difektodenseco povas esti kreskigitaj.

  • Stabilaj mekanikaj ecoj:Facile tranĉebla, polurebla kaj manipulebla.

• Malavantaĝoj:

  • Mallarĝa bendbreĉo (1.12 eV):Alta elflua kurento ĉe altaj temperaturoj, limigante la efikecon de potencaparatoj.

  • Nerekta bendbreĉo:Tre malalta lumemisia efikeco, netaŭga por optoelektronikaj aparatoj kiel LED-oj kaj laseroj.

  • Limigita elektrona movebleco:Malsupera altfrekvenca efikeco kompare kun kunmetitaj semikonduktaĵoj.
    

2.Galiuma Arsenido (GaAs)

• Aplikoj:Altfrekvencaj RF-aparatoj (5G/6G), optoelektronikaj aparatoj (laseroj, sunĉeloj).

• Avantaĝoj:

  • Alta elektrona movebleco (5–6× tiu de silicio):Taŭga por altrapidaj, altfrekvencaj aplikoj kiel ekzemple milimetro-onda komunikado.

  • Rekta bendbreĉo (1.42 eV):Alt-efika fotoelektra konvertado, la fundamento de infraruĝaj laseroj kaj LED-oj.

  • Rezisto al alta temperaturo kaj radiado:Taŭga por aerspaca kaj severaj medioj.

• Malavantaĝoj:

  • Alta kosto:Malabunda materialo, malfacila kristala kresko (ema al delokiĝoj), limigita oblatograndeco (plejparte 6-cola).

  • Fragila mekaniko:Ema al rompiĝo, rezultante en malalta prilabora rendimento.

  • Tokseco:Arseniko postulas striktan manipuladon kaj mediajn kontrolojn.

3. Silicia Karbido (SiC)

• Aplikoj:Alt-temperaturaj kaj alt-tensiaj potencaj aparatoj (EV-invetiloj, ŝargstacioj), aerospaco.

• Avantaĝoj:

  • Larĝa bendbreĉo (3.26 eV):Alta rompiĝorezisto (10× tiu de silicio), alt-temperatura toleremo (funkciiga temperaturo >200 °C).

  • Alta varmokondukteco (≈3× silicio):Bonega varmodisradiado, ebligante pli altan sisteman potencodensecon.

  • Malalta ŝaltperdo:Plibonigas la efikecon de potenc-konverto.

• Malavantaĝoj:

  • Malfacila substrata preparado:Malrapida kristala kresko (>1 semajno), malfacila difektokontrolo (mikrotuboj, delokigoj), ekstreme alta kosto (5–10× silicio).

  • Malgranda grandeco de oblato:Ĉefe 4–6 coloj; 8-cola ankoraŭ sub disvolviĝo.

  • Malfacile prilaborebla:Tre malmola (Mohs 9.5), kio faras tranĉadon kaj poluradon tempopostulaj.

4. Galiuma Nitrido (GaN)

• Aplikoj:Altfrekvencaj potencaj aparatoj (rapida ŝargado, 5G bazstacioj), bluaj LED-oj/laseroj.

• Avantaĝoj:

  • Ultra-alta elektrona movebleco + larĝa bendbreĉo (3.4 eV):Kombinas altfrekvencan (>100 GHz) kaj alttensian rendimenton.

  • Malalta ŝaltita rezisto:Reduktas la potencperdon de la aparato.

  • Kongrua kun Heteroepitaksio:Ofte kreskigita sur silicio, safiro, aŭ SiC-substratoj, reduktante koston.

• Malavantaĝoj:

  • Groca unu-kristala kresko malfacila:Heteroepitaksio estas ĉefa, sed misagordo de krado enkondukas difektojn.

  • Alta kosto:Denaskaj GaN-substratoj estas tre multekostaj (2-cola oblato povas kosti plurajn milojn da usonaj dolaroj).

  • Fidindecaj defioj:Fenomenoj kiel la nuna kolapso postulas optimumigon.

5. Indio-fosfido (InP)

• Aplikoj:Alt-rapidaj optikaj komunikadoj (laseroj, fotodetektiloj), terahercaj aparatoj.

• Avantaĝoj:

  • Ultra-alta elektrona movebleco:Subtenas funkciadon de >100 GHz, superante GaAs-on.

  • Rekta bendbreĉo kun ondolonga kongruigo:Kerna materialo por 1,3–1,55 μm optikfibraj komunikadoj.

• Malavantaĝoj:

  • Rompila kaj tre multekosta:Substrata kosto superas 100× silicion, limigitaj oblataj grandecoj (4-6 coloj).

6. Safiro (Al₂O₃)

• Aplikoj:LED-lumigo (GaN-epitaksa substrato), konsumelektronika kovrovitro.

• Avantaĝoj:

  • Malalta kosto:Multe pli malmultekosta ol SiC/GaN-substratoj.

  • Bonega kemia stabileco:Korodorezista, tre izola.

  • Travidebleco:Taŭga por vertikalaj LED-strukturoj.

• Malavantaĝoj:

  • Granda misagordo de la krado kun GaN (>13%):Kaŭzas altan difektodensecon, postulante bufrotavolojn.

  • Malbona varmokondukteco (~1/20 de silicio):Limigas la rendimenton de altpotencaj LED-oj.

7. Ceramikaj Substratoj (AlN, BeO, ktp.)

• Aplikoj:Varmodisvastigiloj por altpotencaj moduloj.

• Avantaĝoj:

  • Izola + alta varmokondukteco (AlN: 170–230 W/m·K):Taŭga por alt-denseca pakado.

• Malavantaĝoj:

  • Ne-unu-kristala:Ne povas rekte subteni aparatan kreskon, uzata nur kiel pakaĵaj substratoj.

8. Specialaj Substratoj

• SOI (Silicio sur Izolilo):

  • Strukturo:Silicio/SiO₂/silicio sandviĉo.

  • Avantaĝoj:Reduktas parazitan kapacitancon, radiad-hardita, elfluadsubpremado (uzata en RF, MEMS).

  • Malavantaĝoj:30–50% pli multekosta ol groca silicio.

• Kvarco (SiO₂):Uzata en fotomaskoj kaj MEMS; alta temperaturrezisto sed tre fragila.

• Diamanto:Substrato kun plej alta varmokondukteco (>2000 W/m·K), sub esplorado kaj disvolvado por ekstrema varmodisradiado.

Kompara Resuma Tabelo

Ŝlosilaj Faktoroj por Substrata Selektado

• Postuloj pri plenumo:GaAs/InP por altfrekvenco; SiC por alta tensio, alta temperaturo; GaAs/InP/GaN por optoelektroniko.

• Kostaj limigoj:Konsumelektroniko preferas silicion; altkvalitaj kampoj povas pravigi SiC/GaN-superpagojn.

• Komplekseco de integriĝo:Silicio restas neanstataŭebla por CMOS-kongrueco.

• Termika administrado:Alt-potencaj aplikoj preferas SiC aŭ diamant-bazitan GaN.

• Matureco de la provizoĉeno:Si > Safiro > GaAs > SiC > GaN > InP.

Estonta Tendenco

Heterogena integriĝo (ekz., GaN-sur-Si, GaN-sur-SiC) balancos rendimenton kaj koston, pelante progresojn en 5G, elektraj veturiloj kaj kvantuma komputado.