Bahan Mentah Utama untuk Pengeluaran Semikonduktor: Jenis Substrat Wafer

Substrat Wafer sebagai Bahan Utama dalam Peranti Semikonduktor

Substrat wafer ialah pembawa fizikal peranti semikonduktor, dan sifat bahannya secara langsung menentukan prestasi peranti, kos dan medan aplikasi. Berikut adalah jenis utama substrat wafer bersama dengan kelebihan dan kekurangannya:

1.Silikon (Si)

• Bahagian Pasaran:Mengambil kira lebih daripada 95% daripada pasaran semikonduktor global.

• Kelebihan:

  • Kos rendah:Bahan mentah yang banyak (silikon dioksida), proses pembuatan matang, dan skala ekonomi yang kukuh.

  • Keserasian proses yang tinggi:Teknologi CMOS sangat matang, menyokong nod lanjutan (cth, 3nm).

  • Kualiti kristal yang sangat baik:Wafer berdiameter besar (terutamanya 12 inci, 18 inci dalam pembangunan) dengan ketumpatan kecacatan rendah boleh ditanam.

  • Sifat mekanikal yang stabil:Mudah dipotong, digilap dan dikendalikan.

• Kelemahan:

  • Jurang jalur sempit (1.12 eV):Arus kebocoran tinggi pada suhu tinggi, mengehadkan kecekapan peranti kuasa.

  • Jurang jalur tidak langsung:Kecekapan pelepasan cahaya yang sangat rendah, tidak sesuai untuk peranti optoelektronik seperti LED dan laser.

  • Mobiliti elektron terhad:Prestasi frekuensi tinggi yang lebih rendah berbanding semikonduktor kompaun.
    

2.Gallium Arsenide (GaAs)

• Aplikasi:Peranti RF frekuensi tinggi (5G/6G), peranti optoelektronik (laser, sel solar).

• Kelebihan:

  • Mobiliti elektron tinggi (5–6× silikon):Sesuai untuk aplikasi berkelajuan tinggi, frekuensi tinggi seperti komunikasi gelombang milimeter.

  • Celah jalur langsung (1.42 eV):Penukaran fotoelektrik berkecekapan tinggi, asas laser inframerah dan LED.

  • Suhu tinggi dan rintangan sinaran:Sesuai untuk aeroangkasa dan persekitaran yang keras.

• Kelemahan:

  • Kos tinggi:Bahan yang terhad, pertumbuhan kristal yang sukar (terkehel), saiz wafer terhad (terutamanya 6 inci).

  • Mekanik rapuh:Terdedah kepada patah, mengakibatkan hasil pemprosesan yang rendah.

  • Ketoksikan:Arsenik memerlukan pengendalian yang ketat dan kawalan alam sekitar.

3. Silikon Karbida (SiC)

• Aplikasi:Peranti kuasa suhu tinggi dan voltan tinggi (penyongsang EV, stesen pengecasan), aeroangkasa.

• Kelebihan:

  • Jurang jalur lebar (3.26 eV):Kekuatan pecahan tinggi (10x silikon), toleransi suhu tinggi (suhu operasi >200 °C).

  • Kekonduksian terma tinggi (≈3× silikon):Pelesapan haba yang sangat baik, membolehkan ketumpatan kuasa sistem yang lebih tinggi.

  • Kehilangan pensuisan rendah:Meningkatkan kecekapan penukaran kuasa.

• Kelemahan:

  • Penyediaan substrat yang mencabar:Pertumbuhan kristal yang perlahan (>1 minggu), kawalan kecacatan yang sukar (mikropip, terkehel), kos yang sangat tinggi (5–10× silikon).

  • Saiz wafer kecil:Terutamanya 4–6 inci; 8-inci masih dalam pembangunan.

  • Sukar untuk diproses:Sangat keras (Mohs 9.5), membuat pemotongan dan penggilapan memakan masa.

4. Gallium Nitride (GaN)

• Aplikasi:Peranti kuasa frekuensi tinggi (pengecas pantas, stesen pangkalan 5G), LED/laser biru.

• Kelebihan:

  • Mobiliti elektron ultra tinggi + celah jalur lebar (3.4 eV):Menggabungkan prestasi frekuensi tinggi (>100 GHz) dan voltan tinggi.

  • Rintangan rendah:Mengurangkan kehilangan kuasa peranti.

  • Heteroepitaxy serasi:Biasanya ditanam pada substrat silikon, nilam atau SiC, mengurangkan kos.

• Kelemahan:

  • Pertumbuhan kristal tunggal pukal sukar:Heteroepitaxy adalah arus perdana, tetapi ketidakpadanan kekisi menimbulkan kecacatan.

  • Kos tinggi:Substrat GaN asli sangat mahal (wafer 2 inci boleh menelan kos beberapa ribu USD).

  • Cabaran kebolehpercayaan:Fenomena seperti keruntuhan semasa memerlukan pengoptimuman.

5. Indium Phosphide (InP)

• Aplikasi:Komunikasi optik berkelajuan tinggi (laser, pengesan foto), peranti terahertz.

• Kelebihan:

  • Mobiliti elektron ultra tinggi:Menyokong operasi >100 GHz, mengatasi prestasi GaA.

  • Jurang jalur langsung dengan padanan panjang gelombang:Bahan teras untuk komunikasi gentian optik 1.3–1.55 μm.

• Kelemahan:

  • Rapuh dan sangat mahal:Kos substrat melebihi 100× silikon, saiz wafer terhad (4–6 inci).

6. Nilam (Al₂O₃)

• Aplikasi:Pencahayaan LED (substrat epitaxial GaN), kaca penutup elektronik pengguna.

• Kelebihan:

  • Kos rendah:Jauh lebih murah daripada substrat SiC/GaN.

  • Kestabilan kimia yang sangat baik:Tahan kakisan, sangat penebat.

  • Ketelusan:Sesuai untuk struktur LED menegak.

• Kelemahan:

  • Kesilapan kekisi besar dengan GaN (>13%):Menyebabkan ketumpatan kecacatan yang tinggi, memerlukan lapisan penampan.

  • Kekonduksian terma yang lemah (~1/20 silikon):Hadkan prestasi LED berkuasa tinggi.

7. Substrat Seramik (AlN, BeO, dll.)

• Aplikasi:Penyebar haba untuk modul berkuasa tinggi.

• Kelebihan:

  • Penebat + kekonduksian terma tinggi (AlN: 170–230 W/m·K):Sesuai untuk pembungkusan berketumpatan tinggi.

• Kelemahan:

  • Bukan kristal tunggal:Tidak boleh menyokong pertumbuhan peranti secara langsung, hanya digunakan sebagai substrat pembungkusan.

8. Substrat Khas

• SOI (Silikon pada Penebat):

  • Struktur:Sandwic silikon/SiO₂/silikon.

  • Kelebihan:Mengurangkan kapasiti parasit, pengerasan sinaran, penindasan kebocoran (digunakan dalam RF, MEMS).

  • Kelemahan:30–50% lebih mahal daripada silikon pukal.

• Kuarza (SiO₂):Digunakan dalam topeng foto dan MEMS; rintangan suhu tinggi tetapi sangat rapuh.

• berlian:Substrat kekonduksian terma tertinggi (>2000 W/m·K), di bawah R&D untuk pelesapan haba yang melampau.

Jadual Ringkasan Perbandingan

Faktor Utama untuk Pemilihan Substrat

• Keperluan prestasi:GaAs/InP untuk frekuensi tinggi; SiC untuk voltan tinggi, suhu tinggi; GaAs/InP/GaN untuk optoelektronik.

• Kekangan kos:Elektronik pengguna memihak kepada silikon; medan mewah boleh mewajarkan premium SiC/GaN.

• Kerumitan integrasi:Silikon kekal tidak boleh digantikan untuk keserasian CMOS.

• Pengurusan terma:Aplikasi berkuasa tinggi lebih suka GaN berasaskan SiC atau berlian.

• Kematangan rantaian bekalan:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Aliran Masa Depan

Penyepaduan heterogen (cth, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) akan mengimbangi prestasi dan kos, memacu kemajuan dalam 5G, kenderaan elektrik dan pengkomputeran kuantum.