సెమీకండక్టర్ ఉత్పత్తికి కీలకమైన ముడి పదార్థాలు: వేఫర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల రకాలు

సెమీకండక్టర్ పరికరాల్లో కీలక పదార్థాలుగా వేఫర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లు

వేఫర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లు సెమీకండక్టర్ పరికరాల భౌతిక వాహకాలు, మరియు వాటి పదార్థ లక్షణాలు పరికర పనితీరు, ధర మరియు అప్లికేషన్ ఫీల్డ్‌లను నేరుగా నిర్ణయిస్తాయి. వేఫర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల యొక్క ప్రధాన రకాలు వాటి ప్రయోజనాలు మరియు అప్రయోజనాలతో పాటు క్రింద ఉన్నాయి:

1.సిలికాన్ (Si)

• మార్కెట్ వాటా:ప్రపంచ సెమీకండక్టర్ మార్కెట్‌లో 95% కంటే ఎక్కువ వాటాను కలిగి ఉంది.

• ప్రయోజనాలు:

  • తక్కువ ధర:సమృద్ధిగా లభించే ముడి పదార్థాలు (సిలికాన్ డయాక్సైడ్), పరిణతి చెందిన తయారీ ప్రక్రియలు మరియు బలమైన ఆర్థిక వ్యవస్థలు.

  • అధిక ప్రక్రియ అనుకూలత:CMOS టెక్నాలజీ చాలా పరిణతి చెందినది, అధునాతన నోడ్‌లకు (ఉదా., 3nm) మద్దతు ఇస్తుంది.

  • అద్భుతమైన క్రిస్టల్ నాణ్యత:తక్కువ లోపాల సాంద్రత కలిగిన పెద్ద-వ్యాసం గల వేఫర్‌లను (ప్రధానంగా 12-అంగుళాలు, 18-అంగుళాలు అభివృద్ధిలో ఉన్నాయి) పెంచవచ్చు.

  • స్థిరమైన యాంత్రిక లక్షణాలు:కత్తిరించడం, పాలిష్ చేయడం మరియు నిర్వహించడం సులభం.

• ప్రతికూలతలు:

  • ఇరుకైన బ్యాండ్‌గ్యాప్ (1.12 eV):అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద అధిక లీకేజ్ కరెంట్, విద్యుత్ పరికర సామర్థ్యాన్ని పరిమితం చేస్తుంది.

  • పరోక్ష బ్యాండ్‌గ్యాప్:చాలా తక్కువ కాంతి ఉద్గార సామర్థ్యం, ​​LED లు మరియు లేజర్లు వంటి ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలకు అనుకూలం కాదు.

  • పరిమిత ఎలక్ట్రాన్ చలనశీలత:సమ్మేళన సెమీకండక్టర్లతో పోలిస్తే తక్కువ అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ పనితీరు.
    

2.గాలియం ఆర్సెనైడ్ (GaAs)

• అప్లికేషన్లు:అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ RF పరికరాలు (5G/6G), ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలు (లేజర్లు, సౌర ఘటాలు).

• ప్రయోజనాలు:

  • అధిక ఎలక్ట్రాన్ చలనశీలత (సిలికాన్ కంటే 5–6×):మిల్లీమీటర్-వేవ్ కమ్యూనికేషన్ వంటి హై-స్పీడ్, హై-ఫ్రీక్వెన్సీ అప్లికేషన్లకు అనుకూలం.

  • డైరెక్ట్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ (1.42 eV):అధిక సామర్థ్యం గల ఫోటోఎలెక్ట్రిక్ మార్పిడి, ఇన్ఫ్రారెడ్ లేజర్లు మరియు LED లకు పునాది.

  • అధిక ఉష్ణోగ్రత మరియు రేడియేషన్ నిరోధకత:అంతరిక్ష మరియు కఠినమైన వాతావరణాలకు అనుకూలం.

• ప్రతికూలతలు:

  • అధిక ధర:అరుదైన పదార్థం, కష్టమైన స్ఫటిక పెరుగుదల (స్థానభ్రంశం చెందే అవకాశం), పరిమిత పొర పరిమాణం (ప్రధానంగా 6-అంగుళాలు).

  • పెళుసు మెకానిక్స్:పగుళ్లకు గురయ్యే అవకాశం ఉంది, ఫలితంగా ప్రాసెసింగ్ దిగుబడి తక్కువగా ఉంటుంది.

  • విషప్రభావం:ఆర్సెనిక్‌కు కఠినమైన నిర్వహణ మరియు పర్యావరణ నియంత్రణలు అవసరం.

3. సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC)

• అప్లికేషన్లు:అధిక-ఉష్ణోగ్రత మరియు అధిక-వోల్టేజ్ విద్యుత్ పరికరాలు (EV ఇన్వర్టర్లు, ఛార్జింగ్ స్టేషన్లు), ఏరోస్పేస్.

• ప్రయోజనాలు:

  • వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ (3.26 eV):అధిక బ్రేక్‌డౌన్ బలం (సిలికాన్ కంటే 10×), అధిక-ఉష్ణోగ్రత సహనం (ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రత >200 °C).

  • అధిక ఉష్ణ వాహకత (≈3× సిలికాన్):అద్భుతమైన ఉష్ణ వెదజల్లడం, అధిక వ్యవస్థ శక్తి సాంద్రతను అనుమతిస్తుంది.

  • తక్కువ మార్పిడి నష్టం:శక్తి మార్పిడి సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది.

• ప్రతికూలతలు:

  • సవాలుతో కూడిన ఉపరితల తయారీ:నెమ్మదిగా స్ఫటిక పెరుగుదల (> 1 వారం), కష్టమైన లోప నియంత్రణ (మైక్రోపైపులు, డిస్లోకేషన్లు), చాలా ఎక్కువ ధర (5–10× సిలికాన్).

  • చిన్న పొర పరిమాణం:ప్రధానంగా 4–6 అంగుళాలు; 8-అంగుళాలు ఇంకా అభివృద్ధి దశలో ఉన్నాయి.

  • ప్రాసెస్ చేయడం కష్టం:చాలా కష్టం (మోహ్స్ 9.5), కటింగ్ మరియు పాలిషింగ్ సమయం తీసుకుంటుంది.

4. గాలియం నైట్రైడ్ (GaN)

• అప్లికేషన్లు:అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ విద్యుత్ పరికరాలు (ఫాస్ట్ ఛార్జింగ్, 5G బేస్ స్టేషన్లు), నీలి LED లు/లేజర్లు.

• ప్రయోజనాలు:

  • అల్ట్రా-హై ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ + వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ (3.4 eV):అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ (>100 GHz) మరియు అధిక-వోల్టేజ్ పనితీరును మిళితం చేస్తుంది.

  • తక్కువ నిరోధకత:పరికర విద్యుత్ నష్టాన్ని తగ్గిస్తుంది.

  • హెటెరోఎపిటాక్సీ అనుకూలమైనది:సాధారణంగా సిలికాన్, నీలమణి లేదా SiC ఉపరితలాలపై పెంచుతారు, ఖర్చును తగ్గిస్తారు.

• ప్రతికూలతలు:

  • బల్క్ సింగిల్-క్రిస్టల్ పెరుగుదల కష్టం:హెటెరోఎపిటాక్సీ ప్రధాన స్రవంతి, కానీ జాలక అసమతుల్యత లోపాలను పరిచయం చేస్తుంది.

  • అధిక ధర:స్థానిక GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లు చాలా ఖరీదైనవి (2-అంగుళాల వేఫర్ ధర అనేక వేల USDలు).

  • విశ్వసనీయత సవాళ్లు:కరెంట్ పతనం వంటి దృగ్విషయాలకు ఆప్టిమైజేషన్ అవసరం.

5. ఇండియం ఫాస్ఫైడ్ (InP)

• అప్లికేషన్లు:హై-స్పీడ్ ఆప్టికల్ కమ్యూనికేషన్స్ (లేజర్లు, ఫోటోడెటెక్టర్లు), టెరాహెర్ట్జ్ పరికరాలు.

• ప్రయోజనాలు:

  • అల్ట్రా-హై ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ:>100 GHz ఆపరేషన్‌కు మద్దతు ఇస్తుంది, GaAలను అధిగమిస్తుంది.

  • తరంగదైర్ఘ్యం సరిపోలికతో ప్రత్యక్ష బ్యాండ్‌గ్యాప్:1.3–1.55 μm ఆప్టికల్ ఫైబర్ కమ్యూనికేషన్లకు ప్రధాన పదార్థం.

• ప్రతికూలతలు:

  • పెళుసుగా మరియు చాలా ఖరీదైనది:సబ్‌స్ట్రేట్ ధర 100× సిలికాన్‌ను మించిపోయింది, పరిమిత వేఫర్ పరిమాణాలు (4–6 అంగుళాలు).

6. నీలమణి (Al₂O₃)

• అప్లికేషన్లు:LED లైటింగ్ (GaN ఎపిటాక్సియల్ సబ్‌స్ట్రేట్), కన్స్యూమర్ ఎలక్ట్రానిక్స్ కవర్ గ్లాస్.

• ప్రయోజనాలు:

  • తక్కువ ధర:SiC/GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌ల కంటే చాలా చౌకైనది.

  • అద్భుతమైన రసాయన స్థిరత్వం:తుప్పు నిరోధక, అధిక ఇన్సులేటింగ్.

  • పారదర్శకత:నిలువు LED నిర్మాణాలకు అనుకూలం.

• ప్రతికూలతలు:

  • GaN (>13%) తో పెద్ద లాటిస్ అసమతుల్యత:అధిక లోప సాంద్రతకు కారణమవుతుంది, బఫర్ పొరలు అవసరం.

  • పేలవమైన ఉష్ణ వాహకత (~1/20 సిలికాన్):అధిక శక్తి గల LED ల పనితీరును పరిమితం చేస్తుంది.

7. సిరామిక్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లు (AlN, BeO, మొదలైనవి)

• అప్లికేషన్లు:అధిక-శక్తి మాడ్యూళ్ల కోసం హీట్ స్ప్రెడర్లు.

• ప్రయోజనాలు:

  • ఇన్సులేటింగ్ + అధిక ఉష్ణ వాహకత (AlN: 170–230 W/m·K):అధిక సాంద్రత కలిగిన ప్యాకేజింగ్‌కు అనుకూలం.

• ప్రతికూలతలు:

  • ఏక-స్ఫటికం కానిది:పరికర పెరుగుదలకు నేరుగా మద్దతు ఇవ్వదు, ప్యాకేజింగ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లుగా మాత్రమే ఉపయోగించబడుతుంది.

8. ప్రత్యేక ఉపరితలాలు

• SOI (ఇన్సులేటర్‌పై సిలికాన్):

  • నిర్మాణం:సిలికాన్/SiO₂/సిలికాన్ శాండ్‌విచ్.

  • ప్రయోజనాలు:పరాన్నజీవి కెపాసిటెన్స్, రేడియేషన్-హార్డెన్డ్, లీకేజ్ సప్రెషన్ (RF, MEMSలో ఉపయోగించబడుతుంది) తగ్గిస్తుంది.

  • ప్రతికూలతలు:బల్క్ సిలికాన్ కంటే 30–50% ఖరీదైనది.

• క్వార్ట్జ్ (SiO₂):ఫోటోమాస్క్‌లు మరియు MEMS లలో ఉపయోగిస్తారు; అధిక-ఉష్ణోగ్రత నిరోధకత కానీ చాలా పెళుసుగా ఉంటుంది.

• వజ్రం:తీవ్రమైన ఉష్ణ దుర్వినియోగం కోసం R&D కింద అత్యధిక ఉష్ణ వాహకత ఉపరితలం (>2000 W/m·K).

తులనాత్మక సారాంశ పట్టిక

సబ్‌స్ట్రేట్ ఎంపికకు కీలక అంశాలు

• పనితీరు అవసరాలు:అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ కోసం GaAs/InP; అధిక-వోల్టేజ్, అధిక-ఉష్ణోగ్రత కోసం SiC; ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్స్ కోసం GaAs/InP/GaN.

• వ్యయ పరిమితులు:వినియోగదారు ఎలక్ట్రానిక్స్ సిలికాన్‌ను ఇష్టపడతాయి; హై-ఎండ్ ఫీల్డ్‌లు SiC/GaN ప్రీమియంలను సమర్థించగలవు.

• ఇంటిగ్రేషన్ సంక్లిష్టత:CMOS అనుకూలతకు సిలికాన్ భర్తీ చేయలేనిది.

• ఉష్ణ నిర్వహణ:అధిక-శక్తి అనువర్తనాలు SiC లేదా వజ్రం-ఆధారిత GaN ను ఇష్టపడతాయి.

• సరఫరా గొలుసు పరిపక్వత:Si > నీలమణి > GaAs > SiC > GaN > InP.

భవిష్యత్ ధోరణి

హెటెరోజీనియస్ ఇంటిగ్రేషన్ (ఉదా., GaN-on-Si, GaN-on-SiC) పనితీరు మరియు వ్యయాన్ని సమతుల్యం చేస్తుంది, 5G, ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు మరియు క్వాంటం కంప్యూటింగ్‌లో పురోగతిని పెంచుతుంది.