Ашьёи хоми асосии истехсоли нимноқилҳо: навъҳои субстратҳои вафли

Субстратҳои вафли ҳамчун маводи асосӣ дар дастгоҳҳои нимноқилҳо

Субстратҳои вафли интиқолдиҳандагони физикии дастгоҳҳои нимноқилӣ мебошанд ва хосиятҳои моддии онҳо бевосита кор, арзиш ва соҳаҳои татбиқи дастгоҳро муайян мекунанд. Дар зер намудҳои асосии субстратҳои вафли бо афзалиятҳо ва нуқсонҳои онҳо мавҷуданд:

1.Силикон (Si)

• Саҳмияи Бозор:Зиёда аз 95% бозори ҷаҳонии нимноқилҳоро ташкил медиҳад.

• Афзалиятҳо:

  • Камхарҷ:Ашьёи хоми фаровон (диоксиди кремний), процессхои пухтарасидаи истехсолй ва сарфаи мустахками мичьёс.

  • Мутобиқати равандҳои баланд:Технологияи CMOS хеле баркамол буда, гиреҳҳои пешрафтаро дастгирӣ мекунад (масалан, 3нм).

  • Сифати аълои кристалл:Вафли диаметри калон (асосан 12 дюйм, 18 дюйм дар ҳоли таҳия) бо зичии ками нуқсонҳо парвариш кардан мумкин аст.

  • Хусусиятҳои механикии устувор:Буридан, сайқал додан ва идора кардан осон аст.

• Камбудиҳо:

  • Фосилаи танг (1,12 eV):Ҷараёни ихроҷи баланд дар ҳарорати баланд, самаранокии дастгоҳи барқро маҳдуд мекунад.

  • Фосилаи бавосита:Самаранокии партовҳои нури хеле кам, ки барои дастгоҳҳои оптоэлектронӣ ба монанди LED ва лазерҳо мувофиқ нест.

  • Ҳаракати электронии маҳдуд:Иҷрои пасти басомади баланд дар муқоиса бо нимноқилҳои мураккаб.
    

2.Галий арсениди (GaAs)

• Барномаҳо:Дастгоҳҳои баландбасомади РБ (5G/6G), дастгоҳҳои оптоэлектронӣ (лазерҳо, ҳуҷайраҳои офтобӣ).

• Афзалиятҳо:

  • Ҳаракатнокии баланди электрон (5-6 × аз кремний):Муносиб барои барномаҳои баландсуръат ва басомади баланд, ба монанди алоқаи миллиметрӣ.

  • Фосилаи мустақим (1,42 eV):Табдили фотоэлектрикии самаранок, асоси лазерҳои инфрасурх ва LEDҳо.

  • Ҳарорати баланд ва муқовимати радиатсионӣ:Муносиб барои аэрокосмос ва муҳити сахт.

• Камбудиҳо:

  • Арзиши баланд:Маводи камёб, афзоиши душвори кристалл (моил ба дислокатсия), андозаи маҳдуди вафли (асосан 6 дюйм).

  • Механикҳои шикаста:Моил ба шикастан, дар натиҷа ҳосили пасти коркард.

  • Заҳролудшавӣ:Арсеник коркарди қатъӣ ва назорати муҳити зистро талаб мекунад.

3. Карбиди кремний (SiC)

• Барномаҳо:Таҷҳизоти барқии баландшиддат ва баландшиддат (инвертерҳои EV, станцияҳои пуркунандаи барқ), аэрокосмос.

• Афзалиятҳо:

  • Фосилаи васеъ (3,26 eV):Қувваи баланди шикастан (10 × кремний), таҳаммулпазирӣ ба ҳарорати баланд (ҳарорати корӣ > 200 °C).

  • Қобилияти гармидиҳии баланд (≈3 × кремний):Пардохти гармии аъло, ки зичии баландтари нерӯи системаро фароҳам меорад.

  • Талафоти ками гузариш:Самаранокии табдили нерӯро беҳтар мекунад.

• Камбудиҳо:

  • Тайёр кардани субстрат душвор аст:Рушди сусти кристалл (> 1 ҳафта), назорати мушкили камбудиҳо (микропиҳо, дислокатсияҳо), арзиши ниҳоят баланд (5–10 × кремний).

  • Андозаи хурди вафли:Асосан 4-6 дюйм; 8-дюймаи ҳанӯз дар ҳоли таҳия.

  • Коркарди мушкил:Хеле душвор (Mohs 9.5), буридан ва сайқал додани вақтро сарф мекунад.

4. Нитриди Галий (GaN)

• Барномаҳо:Дастгоҳҳои барқии басомади баланд (пуркунандаи зуд, истгоҳҳои пойгоҳи 5G), LEDҳои кабуд/лазерҳо.

• Афзалиятҳо:

  • Мобилияти ултра-баланди электрон + фосилаи васеъ (3,4 эВ):Басомади баланд (>100 ГГц) ва иҷрои баландшиддатро муттаҳид мекунад.

  • Муқовимати паст:Талафоти нерӯи дастгоҳро кам мекунад.

  • Гетероепитаксия мувофиқ аст:Одатан дар субстратҳои кремний, сапфир ё SiC парвариш карда мешавад, ки арзиши онро коҳиш медиҳад.

• Камбудиҳо:

  • Афзоиши яккристалл дар маҷмӯъ душвор аст:Гетероепитаксия маъмул аст, аммо номутобиқатии торҳо камбудиҳоро ба вуҷуд меорад.

  • Арзиши баланд:Субстратҳои аслии GaN хеле гарон ҳастанд (вафли 2-дюйма метавонад якчанд ҳазор доллар арзиш дошта бошад).

  • Мушкилоти эътимоднокӣ:Падидаҳо, ба монанди фурӯпошии ҷорӣ, оптимизатсияро талаб мекунанд.

5. Фосфиди индиум (InP)

• Барномаҳо:Алокаи оптикии баландсуръат (лазерхо, фотодетекторхо), дастгоххои терагерц.

• Афзалиятҳо:

  • Ҳаракатнокии электронии ултра-баланд:Фаъолияти >100 ГГцро дастгирӣ мекунад ва аз GaAs бартарӣ дорад.

  • Фосилаи мустақим бо мувофиқати дарозии мавҷ:Маводи асосӣ барои алоқаи нахи оптикии 1,3-1,55 мкм.

• Камбудиҳо:

  • Шикаст ва хеле гарон:Арзиши субстрат аз 100 × кремний зиёд аст, андозаи маҳдуди вафли (4–6 дюйм).

6. Сафир (Al₂O₃)

• Барномаҳо:Равшании LED (субстрати эпитаксиалии GaN), шишаи сарпӯши электроникаи маишӣ.

• Афзалиятҳо:

  • Камхарҷ:Аз субстратҳои SiC/GaN хеле арзонтар аст.

  • Устувории аълои кимиёвӣ:Ба зангзанӣ тобовар, изолятсияи баланд.

  • Шаффофият:Муносиб барои сохторҳои амудии LED.

• Камбудиҳо:

  • Мутобиқати калон бо GaN (>13%):Ба зичии баланди камбудиҳо оварда мерасонад, ки қабатҳои буфериро талаб мекунад.

  • Қобилияти пасти гармӣ (~1/20 кремний):Фаъолияти LED-ҳои пурқувватро маҳдуд мекунад.

7. Субстратҳои сафолӣ (AlN, BeO, ва ғ.)

• Барномаҳо:Пахнкунакҳои гармидиҳӣ барои модулҳои пуриқтидор.

• Афзалиятҳо:

  • Изолятсия + гузаронандаи гармии баланд (AlN: 170–230 Вт/м·К):Муносиб барои бастабандии зичии баланд.

• Камбудиҳо:

  • Як кристаллӣ:Афзоиши дастгоҳро мустақиман дастгирӣ карда наметавонад, танҳо ҳамчун субстратҳои бастабандӣ истифода мешавад.

8. Субстратҳои махсус

• SOI (силикон дар изолятор):

  • Сохтор:Силикон/SiO₂/сендвичҳои кремний.

  • Афзалиятҳо:Иқтидори паразитӣ, радиатсионӣ сахтшуда, рафъи ихроҷро коҳиш медиҳад (дар RF, MEMS истифода мешавад).

  • Камбудиҳо:30-50% гаронтар аз кремний яклухт.

• Кварц (SiO₂):Дар фотомаскаҳо ва MEMS истифода мешавад; муқовимат ба ҳарорати баланд, вале хеле шикаста.

• Алмос:Баландтарин субстрат гармигузаронӣ (> 2000 Вт / м · К), дар доираи R&D барои паҳншавии гармии шадид.

Ҷадвали ҷамъбастии муқоисавӣ

Омилҳои асосӣ барои интихоби субстрат

• Талаботи иҷроиш:GaAs/InP барои басомади баланд; SiC барои баландшиддат, ҳарорати баланд; GaAs/InP/GaN барои оптоэлектроника.

• Маҳдудиятҳои хароҷот:Электроникаи маишӣ кремнийро дӯст медорад; Майдонҳои баландсифат метавонанд мукофотҳои SiC/GaN-ро сафед кунанд.

• Мушкилии интегратсия:Силикон барои мутобиқати CMOS ивазнашаванда боқӣ мемонад.

• Идоракунии гармидиҳӣ:Барномаҳои пурқувват SiC ё GaN-ро бартарӣ медиҳанд.

• Давомнокии занҷираи таъминот:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Тамоюли оянда

Интегратсияи гетерогенӣ (масалан, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) мувозинат ва хароҷот, пешрафти ронандагӣ дар 5G, мошинҳои барқӣ ва ҳисоббарории квантиро мувозинат хоҳад кард.