Klíčové suroviny pro výrobu polovodičů: Typy substrátů pro destičky

Destičkové substráty jako klíčové materiály v polovodičových součástkách

Destičkové substráty jsou fyzickými nosiči polovodičových součástek a jejich materiálové vlastnosti přímo určují výkon, cenu a oblasti použití součástky. Níže jsou uvedeny hlavní typy destičkových substrátů spolu s jejich výhodami a nevýhodami:

1.Křemík (Si)

• Podíl na trhu:Představuje více než 95 % globálního trhu s polovodiči.

• Výhody:

  • Nízké náklady:Hojné suroviny (oxid křemičitý), vyspělé výrobní procesy a silné úspory z rozsahu.

  • Vysoká kompatibilita s procesy:Technologie CMOS je vysoce vyspělá a podporuje pokročilé uzly (např. 3nm).

  • Vynikající kvalita krystalů:Lze pěstovat destičky s velkým průměrem (hlavně 12palcové, 18palcové ve vývoji) s nízkou hustotou defektů.

  • Stabilní mechanické vlastnosti:Snadno se řeže, leští a manipuluje.

• Nevýhody:

  • Úzká šířka zakázaného pásma (1,12 eV):Vysoký svodový proud při zvýšených teplotách, což omezuje účinnost napájecího zařízení.

  • Nepřímá šířka zakázaného pásma:Velmi nízká účinnost vyzařování světla, nevhodná pro optoelektronická zařízení, jako jsou LED diody a lasery.

  • Omezená mobilita elektronů:Horší vysokofrekvenční výkon ve srovnání se složenými polovodiči.
    

2.Arsenid galia (GaAs)

• Aplikace:Vysokofrekvenční RF zařízení (5G/6G), optoelektronická zařízení (lasery, solární články).

• Výhody:

  • Vysoká mobilita elektronů (5–6× mobilita křemíku):Vhodné pro vysokorychlostní, vysokofrekvenční aplikace, jako je komunikace v milimetrových vlnách.

  • Přímá šířka zakázaného pásma (1,42 eV):Vysoce účinná fotoelektrická konverze, základ infračervených laserů a LED diod.

  • Odolnost proti vysokým teplotám a záření:Vhodné pro letecký průmysl a náročná prostředí.

• Nevýhody:

  • Vysoká cena:Vzácný materiál, obtížný růst krystalů (náchylný k dislokacím), omezená velikost destičky (většinou 6 palců).

  • Křehká mechanika:Náchylný k lomu, což má za následek nízký výtěžek zpracování.

  • Toxicita:Arsen vyžaduje přísné zacházení a kontroly vlivů na životní prostředí.

3. Karbid křemíku (SiC)

• Aplikace:Vysokoteplotní a vysokonapěťová zařízení (střídače pro elektromobily, nabíjecí stanice), letecký průmysl.

• Výhody:

  • Široká zakázaná pásma (3,26 eV):Vysoká průrazná pevnost (10× větší než u křemíku), odolnost vůči vysokým teplotám (provozní teplota >200 °C).

  • Vysoká tepelná vodivost (≈3× křemík):Vynikající odvod tepla, což umožňuje vyšší hustotu výkonu systému.

  • Nízké ztráty při spínání:Zlepšuje účinnost přeměny energie.

• Nevýhody:

  • Náročná příprava podkladu:Pomalý růst krystalů (>1 týden), obtížná kontrola defektů (mikrotrubičky, dislokace), extrémně vysoké náklady (5–10× více křemíku).

  • Malá velikost oplatky:Převážně 4–6 palců; 8 palců je stále ve vývoji.

  • Obtížné zpracování:Velmi tvrdý (Mohs 9,5), což činí řezání a leštění časově náročným.

4. Nitrid galia (GaN)

• Aplikace:Vysokofrekvenční napájecí zařízení (rychlonabíjení, základnové stanice 5G), modré LED/lasery.

• Výhody:

  • Ultravysoká mobilita elektronů + široká zakázaná pásma (3,4 eV):Kombinuje vysokofrekvenční (>100 GHz) a vysokonapěťový výkon.

  • Nízký odpor při zapnutí:Snižuje ztráty energie zařízení.

  • Heteroepitaxní kompatibilita:Běžně se pěstuje na křemíkových, safírových nebo SiC substrátech, což snižuje náklady.

• Nevýhody:

  • Obtížný růst monokrystalů v objemu:Heteroepitaxe je běžná, ale nesoulad mřížky zavádí defekty.

  • Vysoká cena:Nativní GaN substráty jsou velmi drahé (2palcový wafer může stát několik tisíc USD).

  • Problémy se spolehlivostí:Jevy, jako je současný kolaps, vyžadují optimalizaci.

5. Fosfid india (InP)

• Aplikace:Vysokorychlostní optická komunikace (lasery, fotodetektory), terahertzová zařízení.

• Výhody:

  • Ultravysoká mobilita elektronů:Podporuje provoz >100 GHz, čímž překonává GaAs.

  • Přímá šířka zakázaného pásma s přizpůsobením vlnové délky:Jádrový materiál pro komunikaci optickými vlákny o šířce 1,3–1,55 μm.

• Nevýhody:

  • Křehké a velmi drahé:Cena substrátu přesahuje 100× cenu křemíku, omezené velikosti destiček (4–6 palců).

6. Safír (Al₂O₃)

• Aplikace:LED osvětlení (epitaxní substrát GaN), krycí sklo pro spotřební elektroniku.

• Výhody:

  • Nízké náklady:Mnohem levnější než substráty SiC/GaN.

  • Vynikající chemická stabilita:Odolné proti korozi, vysoce izolační.

  • Průhlednost:Vhodné pro vertikální LED struktury.

• Nevýhody:

  • Velký nesoulad mřížky s GaN (>13%):Způsobuje vysokou hustotu defektů, což vyžaduje vyrovnávací vrstvy.

  • Špatná tepelná vodivost (~1/20 křemíku):Omezuje výkon vysoce výkonných LED diod.

7. Keramické substráty (AlN, BeO atd.)

• Aplikace:Rozdělovače tepla pro vysoce výkonné moduly.

• Výhody:

  • Izolační + vysoká tepelná vodivost (AlN: 170–230 W/m·K):Vhodné pro balení s vysokou hustotou.

• Nevýhody:

  • Nemonokrystalický:Nelze přímo podporovat růst zařízení, používá se pouze jako obalový substrát.

8. Speciální substráty

• SOI (křemík na izolantu):

  • Struktura:Sendvič z křemíku/SiO₂/křemíku.

  • Výhody:Snižuje parazitní kapacitu, radiačně odolné, potlačuje únik (používá se v RF, MEMS).

  • Nevýhody:O 30–50 % dražší než objemový křemík.

• Křemen (SiO₂):Používá se ve fotomaskách a MEMS; odolný vůči vysokým teplotám, ale velmi křehký.

• Diamant:Substrát s nejvyšší tepelnou vodivostí (>2000 W/m·K), ve vývoji pro extrémní odvod tepla.

Srovnávací souhrnná tabulka

Klíčové faktory pro výběr substrátu

• Požadavky na výkon:GaAs/InP pro vysoké frekvence; SiC pro vysoké napětí a vysoké teploty; GaAs/InP/GaN pro optoelektroniku.

• Nákladová omezení:Spotřební elektronika upřednostňuje křemík; špičkové obory mohou ospravedlnit prémie SiC/GaN.

• Složitost integrace:Křemík zůstává pro kompatibilitu s CMOS nenahraditelný.

• Tepelný management:Vysoce výkonné aplikace preferují SiC nebo GaN na bázi diamantu.

• Zralost dodavatelského řetězce:Si > Safír > GaAs > SiC > GaN > InP.

Budoucí trend

Heterogenní integrace (např. GaN-na-Si, GaN-na-SiC) vyváží výkon a náklady a podpoří pokrok v 5G, elektromobilech a kvantových počítačích.