सेमीकंडक्टर उत्पादनासाठी प्रमुख कच्चा माल: वेफर सब्सट्रेट्सचे प्रकार

सेमीकंडक्टर उपकरणांमध्ये वेफर सब्सट्रेट्स हे प्रमुख साहित्य आहेत

वेफर सब्सट्रेट्स हे सेमीकंडक्टर उपकरणांचे भौतिक वाहक असतात आणि त्यांचे भौतिक गुणधर्म थेट उपकरणाची कार्यक्षमता, किंमत आणि अनुप्रयोग क्षेत्रे ठरवतात. खाली वेफर सब्सट्रेट्सचे मुख्य प्रकार आणि त्यांचे फायदे आणि तोटे दिले आहेत:

1.सिलिकॉन (Si)

• बाजारातील वाटा:जागतिक सेमीकंडक्टर बाजारपेठेत ९५% पेक्षा जास्त वाटा आहे.

• फायदे:

  • कमी खर्च:मुबलक कच्चा माल (सिलिकॉन डायऑक्साइड), परिपक्व उत्पादन प्रक्रिया आणि प्रमाणाची मजबूत अर्थव्यवस्था.

  • उच्च प्रक्रिया सुसंगतता:CMOS तंत्रज्ञान अत्यंत परिपक्व आहे, जे प्रगत नोड्सना (उदा., 3nm) समर्थन देते.

  • उत्कृष्ट क्रिस्टल गुणवत्ता:कमी दोष घनतेसह मोठ्या व्यासाचे वेफर्स (प्रामुख्याने १२-इंच, १८-इंच विकासाधीन) वाढवता येतात.

  • स्थिर यांत्रिक गुणधर्म:कापणे, पॉलिश करणे आणि हाताळणे सोपे.

• तोटे:

  • अरुंद बँडगॅप (१.१२ eV):उच्च तापमानात उच्च गळती प्रवाह, पॉवर डिव्हाइसची कार्यक्षमता मर्यादित करतो.

  • अप्रत्यक्ष बँडगॅप:खूप कमी प्रकाश उत्सर्जन कार्यक्षमता, LEDs आणि लेसर सारख्या ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणांसाठी अयोग्य.

  • मर्यादित इलेक्ट्रॉन गतिशीलता:कंपाऊंड सेमीकंडक्टरच्या तुलनेत उच्च-फ्रिक्वेन्सी कामगिरी कमी.
    

2.गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs)

• अर्ज:उच्च-फ्रिक्वेन्सी आरएफ उपकरणे (5G/6G), ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणे (लेसर, सौर पेशी).

• फायदे:

  • उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता (सिलिकॉनपेक्षा ५-६×):मिलिमीटर-वेव्ह कम्युनिकेशन सारख्या हाय-स्पीड, हाय-फ्रिक्वेन्सी अनुप्रयोगांसाठी योग्य.

  • डायरेक्ट बँडगॅप (१.४२ eV):उच्च-कार्यक्षमतेचे फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण, इन्फ्रारेड लेसर आणि एलईडीचा पाया.

  • उच्च तापमान आणि किरणोत्सर्गाचा प्रतिकार:अवकाश आणि कठोर वातावरणासाठी योग्य.

• तोटे:

  • जास्त खर्च:दुर्मिळ साहित्य, कठीण स्फटिक वाढ (विस्थापन होण्याची शक्यता), मर्यादित वेफर आकार (प्रामुख्याने 6-इंच).

  • ठिसूळ यांत्रिकी:फ्रॅक्चर होण्याची शक्यता असते, परिणामी प्रक्रिया उत्पादन कमी होते.

  • विषारीपणा:आर्सेनिकला कठोर हाताळणी आणि पर्यावरणीय नियंत्रणे आवश्यक आहेत.

3. सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)

• अर्ज:उच्च-तापमान आणि उच्च-व्होल्टेज पॉवर उपकरणे (ईव्ही इन्व्हर्टर, चार्जिंग स्टेशन), एरोस्पेस.

• फायदे:

  • विस्तृत बँडगॅप (३.२६ eV):उच्च ब्रेकडाउन ताकद (सिलिकॉनपेक्षा १०×), उच्च-तापमान सहनशीलता (ऑपरेटिंग तापमान >२०० °C).

  • उच्च औष्णिक चालकता (≈3× सिलिकॉन):उत्कृष्ट उष्णता नष्ट होणे, ज्यामुळे सिस्टम पॉवर घनता जास्त होते.

  • कमी स्विचिंग लॉस:पॉवर रूपांतरण कार्यक्षमता सुधारते.

• तोटे:

  • आव्हानात्मक सब्सट्रेट तयार करणे:मंद क्रिस्टल वाढ (>१ आठवडा), कठीण दोष नियंत्रण (मायक्रोपाइप्स, विस्थापन), अत्यंत उच्च किंमत (५-१०× सिलिकॉन).

  • लहान वेफर आकार:प्रामुख्याने ४-६ इंच; ८-इंच अजूनही विकासाधीन आहे.

  • प्रक्रिया करणे कठीण:खूप कठीण (मोहस ९.५), ज्यामुळे कटिंग आणि पॉलिशिंगमध्ये वेळ लागतो.

4. गॅलियम नायट्राइड (GaN)

• अर्ज:उच्च-फ्रिक्वेन्सी पॉवर उपकरणे (जलद चार्जिंग, 5G बेस स्टेशन), निळे एलईडी/लेसर.

• फायदे:

  • अति-उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता + रुंद बँडगॅप (3.4 eV):उच्च-फ्रिक्वेन्सी (>१०० GHz) आणि उच्च-व्होल्टेज कामगिरी एकत्र करते.

  • कमी प्रतिकार:डिव्हाइस पॉवर लॉस कमी करते.

  • हेटेरोएपिटेक्सी सुसंगत:सामान्यतः सिलिकॉन, नीलमणी किंवा SiC सब्सट्रेट्सवर वाढवले ​​जाते, ज्यामुळे खर्च कमी होतो.

• तोटे:

  • मोठ्या प्रमाणात सिंगल-क्रिस्टल वाढ कठीण:हेटेरोएपिटॅक्सी हा मुख्य प्रवाह आहे, परंतु जाळीच्या विसंगतीमुळे दोष निर्माण होतात.

  • जास्त खर्च:मूळ GaN सब्सट्रेट्स खूप महाग असतात (२-इंच वेफरची किंमत अनेक हजार USD असू शकते).

  • विश्वासार्हतेचे आव्हान:वर्तमान कोसळण्यासारख्या घटनांना ऑप्टिमायझेशन आवश्यक आहे.

5. इंडियम फॉस्फाइड (InP)

• अर्ज:हाय-स्पीड ऑप्टिकल कम्युनिकेशन्स (लेसर, फोटोडिटेक्टर), टेराहर्ट्झ उपकरणे.

• फायदे:

  • अति-उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता:१०० GHz पेक्षा जास्त ऑपरेशनला समर्थन देते, GaAs पेक्षा जास्त कामगिरी करते.

  • तरंगलांबी जुळणीसह थेट बँडगॅप:१.३-१.५५ μm ऑप्टिकल फायबर कम्युनिकेशनसाठी कोर मटेरियल.

• तोटे:

  • ठिसूळ आणि खूप महाग:सब्सट्रेटची किंमत १००× सिलिकॉनपेक्षा जास्त आहे, मर्यादित वेफर आकार (४-६ इंच).

६. नीलम (Al₂O₃)

• अर्ज:एलईडी लाइटिंग (GaN एपिटॅक्सियल सब्सट्रेट), ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स काचेचे आवरण.

• फायदे:

  • कमी खर्च:SiC/GaN सब्सट्रेट्सपेक्षा खूपच स्वस्त.

  • उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता:गंज-प्रतिरोधक, अत्यंत इन्सुलेट करणारे.

  • पारदर्शकता:उभ्या एलईडी संरचनांसाठी योग्य.

• तोटे:

  • GaN (>१३%) शी मोठी जाळी जुळत नाही:उच्च दोष घनता निर्माण करते, ज्यामुळे बफर थरांची आवश्यकता असते.

  • कमी थर्मल चालकता (सिलिकॉनच्या ~१/२०):उच्च-शक्तीच्या LEDs ची कार्यक्षमता मर्यादित करते.

7. सिरेमिक सब्सट्रेट्स (AlN, BeO, इ.)

• अर्ज:उच्च-शक्तीच्या मॉड्यूलसाठी उष्णता पसरवणारे.

• फायदे:

  • इन्सुलेटिंग + उच्च थर्मल चालकता (AlN: १७०–२३० W/m·K):उच्च-घनतेच्या पॅकेजिंगसाठी योग्य.

• तोटे:

  • नॉन-सिंगल-क्रिस्टल:डिव्हाइसच्या वाढीस थेट समर्थन देऊ शकत नाही, फक्त पॅकेजिंग सब्सट्रेट्स म्हणून वापरले जाते.

8. विशेष सब्सट्रेट्स

• एसओआय (इन्सुलेटरवरील सिलिकॉन):

  • रचना:सिलिकॉन/SiO₂/सिलिकॉन सँडविच.

  • फायदे:परजीवी क्षमता, रेडिएशन-कठोर, गळती दमन (RF, MEMS मध्ये वापरले जाते) कमी करते.

  • तोटे:बल्क सिलिकॉनपेक्षा ३०-५०% जास्त महाग.

• क्वार्ट्ज (SiO₂):फोटोमास्क आणि MEMS मध्ये वापरले जाते; उच्च-तापमान प्रतिरोधक परंतु खूप ठिसूळ.

• हिरा:सर्वाधिक उष्णता चालकता असलेला सब्सट्रेट (>२००० W/m·K), अत्यंत उष्णता नष्ट करण्यासाठी संशोधन आणि विकास अंतर्गत.

तुलनात्मक सारांश सारणी

सब्सट्रेट निवडीसाठी महत्त्वाचे घटक

• कामगिरी आवश्यकता:उच्च-फ्रिक्वेन्सीसाठी GaAs/InP; उच्च-व्होल्टेज, उच्च-तापमानासाठी SiC; ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्ससाठी GaAs/InP/GaN.

• खर्चाच्या मर्यादा:ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स सिलिकॉनला प्राधान्य देतात; उच्च दर्जाचे क्षेत्र SiC/GaN प्रीमियमचे समर्थन करू शकतात.

• एकत्रीकरणाची जटिलता:CMOS सुसंगततेसाठी सिलिकॉन अपरिहार्य राहते.

• औष्णिक व्यवस्थापन:उच्च-शक्तीचे अनुप्रयोग SiC किंवा डायमंड-आधारित GaN पसंत करतात.

• पुरवठा साखळी परिपक्वता:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

भविष्यातील ट्रेंड

विषम एकात्मता (उदा., GaN-on-Si, GaN-on-SiC) कामगिरी आणि खर्च संतुलित करेल, 5G, इलेक्ट्रिक वाहने आणि क्वांटम संगणनात प्रगती करेल.