مواد اولیه کلیدی برای تولید نیمه‌هادی: انواع زیرلایه‌های ویفر

زیرلایه‌های ویفر به عنوان مواد کلیدی در قطعات نیمه‌هادی

زیرلایه‌های ویفر، حامل‌های فیزیکی قطعات نیمه‌هادی هستند و خواص مواد آنها مستقیماً عملکرد، هزینه و زمینه‌های کاربرد دستگاه را تعیین می‌کند. در زیر انواع اصلی زیرلایه‌های ویفر به همراه مزایا و معایب آنها آورده شده است:

1.سیلیکون (Si)

• سهم بازار:بیش از ۹۵ درصد از بازار جهانی نیمه‌هادی‌ها را در اختیار دارد.

• مزایا:

  • هزینه کم:مواد اولیه فراوان (دی اکسید سیلیکون)، فرآیندهای تولید بالغ و صرفه جویی قوی به مقیاس.

  • سازگاری بالای فرآیند:فناوری CMOS بسیار بالغ است و از گره‌های پیشرفته (مثلاً ۳ نانومتر) پشتیبانی می‌کند.

  • کیفیت کریستال عالی:ویفرهای با قطر بزرگ (عمدتاً ۱۲ اینچ، ۱۸ اینچ در حال توسعه) با چگالی نقص کم می‌توانند رشد داده شوند.

  • خواص مکانیکی پایدار:برش، صیقل دادن و کار با آن آسان است.

• معایب:

  • شکاف باند باریک (1.12 eV):جریان نشتی بالا در دماهای بالا، راندمان دستگاه قدرت را محدود می‌کند.

  • شکاف باند غیرمستقیم:راندمان انتشار نور بسیار پایین، نامناسب برای دستگاه‌های اپتوالکترونیکی مانند LED و لیزر.

  • تحرک محدود الکترون:عملکرد فرکانس بالای پایین‌تر در مقایسه با نیمه‌رساناهای مرکب.
    

2.گالیوم آرسنید (GaAs)

• کاربردها:دستگاه‌های RF با فرکانس بالا (5G/6G)، دستگاه‌های اپتوالکترونیکی (لیزر، سلول‌های خورشیدی).

• مزایا:

  • تحرک الکترونی بالا (۵-۶ برابر سیلیکون):مناسب برای کاربردهای پرسرعت و فرکانس بالا مانند ارتباطات موج میلی‌متری.

  • شکاف باند مستقیم (۱.۴۲ eV):تبدیل فوتوالکتریک با راندمان بالا، اساس لیزرهای مادون قرمز و LEDها.

  • مقاومت بالا در برابر دما و تابش:مناسب برای هوافضا و محیط‌های خشن.

• معایب:

  • هزینه بالا:مواد کمیاب، رشد دشوار کریستال (مستعد به دررفتگی)، اندازه محدود ویفر (عمدتاً ۶ اینچ).

  • مکانیک شکننده:مستعد شکستگی است و در نتیجه بازده فرآوری پایینی دارد.

  • سمیت:آرسنیک نیاز به کنترل دقیق و سختگیرانه محیط زیست دارد.

3. کاربید سیلیکون (SiC)

• کاربردها:دستگاه‌های برق با دمای بالا و ولتاژ بالا (اینورترهای خودروهای برقی، ایستگاه‌های شارژ)، هوافضا.

• مزایا:

  • شکاف باند وسیع (۳.۲۶ الکترون‌ولت):استحکام شکست بالا (10 برابر سیلیکون)، تحمل دمای بالا (دمای عملیاتی >200 درجه سانتیگراد).

  • رسانایی حرارتی بالا (≈3× سیلیکون):اتلاف حرارت عالی، که امکان چگالی توان بالاتر سیستم را فراهم می‌کند.

  • تلفات سوئیچینگ کم:راندمان تبدیل توان را بهبود می‌بخشد.

• معایب:

  • آماده‌سازی دشوار بستر:رشد آهسته کریستال (بیش از ۱ هفته)، کنترل دشوار نقص (ریزلوله‌ها، نابجایی‌ها)، هزینه بسیار بالا (۵ تا ۱۰ برابر سیلیکون).

  • اندازه ویفر کوچک:عمدتاً ۴ تا ۶ اینچ؛ ۸ اینچ هنوز در دست توسعه است.

  • پردازش دشوار:بسیار سخت (سختی موهس ۹.۵)، که برش و صیقل دادن آن را زمان‌بر می‌کند.

4. نیترید گالیوم (GaN)

• کاربردها:دستگاه‌های قدرت با فرکانس بالا (شارژ سریع، ایستگاه‌های پایه 5G)، LED/لیزرهای آبی.

• مزایا:

  • تحرک الکترونی فوق‌العاده بالا + شکاف باند وسیع (۳.۴ الکترون‌ولت):عملکرد فرکانس بالا (>100 گیگاهرتز) و ولتاژ بالا را با هم ترکیب می‌کند.

  • مقاومت کم در حالت روشن:کاهش اتلاف توان دستگاه.

  • سازگار با هترواپیتاکسی:معمولاً روی زیرلایه‌های سیلیکون، یاقوت کبود یا SiC رشد داده می‌شوند و هزینه را کاهش می‌دهند.

• معایب:

  • رشد تک بلور به صورت توده‌ای دشوار است:هترواپیتاکسیک (Heteroepitaxy) رایج است، اما عدم تطابق شبکه باعث ایجاد نقص می‌شود.

  • هزینه بالا:زیرلایه‌های GaN بومی بسیار گران هستند (یک ویفر ۲ اینچی می‌تواند چندین هزار دلار آمریکا قیمت داشته باشد).

  • چالش‌های قابلیت اطمینان:پدیده‌هایی مانند فروپاشی جریان نیاز به بهینه‌سازی دارند.

5. فسفید ایندیم (InP)

• کاربردها:ارتباطات نوری پرسرعت (لیزرها، آشکارسازهای نوری)، دستگاه‌های تراهرتز.

• مزایا:

  • تحرک الکترونی فوق العاده بالا:از عملکرد >100 گیگاهرتز پشتیبانی می‌کند و از GaAs بهتر عمل می‌کند.

  • شکاف باند مستقیم با تطبیق طول موج:مواد هسته برای ارتباطات فیبر نوری ۱.۳ تا ۱.۵۵ میکرومتر.

• معایب:

  • شکننده و بسیار گران:هزینه زیرلایه بیش از ۱۰۰ برابر سیلیکون است، اندازه ویفر محدود (۴ تا ۶ اینچ).

۶. یاقوت کبود (Al₂O₃)

• کاربردها:روشنایی LED (زیرلایه اپیتاکسیال GaN)، شیشه پوشش لوازم الکترونیکی مصرفی.

• مزایا:

  • هزینه کم:بسیار ارزان‌تر از زیرلایه‌های SiC/GaN.

  • پایداری شیمیایی عالی:مقاوم در برابر خوردگی، عایق بندی بالا.

  • شفافیت:مناسب برای سازه‌های LED عمودی.

• معایب:

  • عدم تطابق زیاد شبکه با GaN (>13%):باعث ایجاد چگالی بالای نقص می‌شود و به لایه‌های بافر نیاز دارد.

  • رسانایی حرارتی ضعیف (حدود ۱/۲۰ سیلیکون):عملکرد LED های پرقدرت را محدود می کند.

7. زیرلایه‌های سرامیکی (AlN، BeO و غیره)

• کاربردها:پخش‌کننده‌های گرما برای ماژول‌های پرقدرت.

• مزایا:

  • عایق + رسانایی حرارتی بالا (AlN: 170–230 W/m·K):مناسب برای بسته بندی با چگالی بالا.

• معایب:

  • غیر تک کریستالی:نمی‌تواند مستقیماً از رشد دستگاه پشتیبانی کند، فقط به عنوان زیرلایه‌های بسته‌بندی استفاده می‌شود.

8. بسترهای ویژه

• SOI (سیلیکون روی عایق):

  • ساختار:ساندویچ سیلیکون/SiO₂/سیلیکون.

  • مزایا:کاهش ظرفیت خازنی پارازیتی، مقاوم در برابر تابش، سرکوب نشتی (مورد استفاده در RF، MEMS).

  • معایب:30 تا 50 درصد گران‌تر از سیلیکون فله‌ای.

• کوارتز (SiO₂):مورد استفاده در ماسک‌های نوری و MEMS؛ مقاومت در برابر دمای بالا اما بسیار شکننده.

• الماس:زیرلایه با بالاترین رسانایی حرارتی (بیش از ۲۰۰۰ وات بر متر مکعب در کلوین)، تحت نظارت تحقیق و توسعه برای اتلاف حرارت بسیار بالا.

جدول خلاصه مقایسه‌ای

عوامل کلیدی برای انتخاب بستر

• الزامات عملکرد:GaAs/InP برای فرکانس بالا؛ SiC برای ولتاژ بالا و دمای بالا؛ GaAs/InP/GaN برای الکترونیک نوری.

• محدودیت‌های هزینه:لوازم الکترونیکی مصرفی به سیلیکون علاقه دارند؛ حوزه‌های پیشرفته می‌توانند حق بیمه SiC/GaN را توجیه کنند.

• پیچیدگی ادغام:سیلیکون برای سازگاری با CMOS همچنان غیرقابل جایگزین است.

• مدیریت حرارتی:کاربردهای توان بالا، SiC یا GaN مبتنی بر الماس را ترجیح می‌دهند.

• بلوغ زنجیره تامین:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

روند آینده

ادغام ناهمگن (مثلاً GaN-on-Si، GaN-on-SiC) عملکرد و هزینه را متعادل می‌کند و پیشرفت‌هایی را در 5G، وسایل نقلیه الکتریکی و محاسبات کوانتومی ایجاد می‌کند.