Materyalên Xav ên Sereke ji bo Hilberîna Nîvconductor: Cureyên Substratên Wafer

Substratên Wafer wekî Materyalên Sereke di Amûrên Nîvconductor de

Substratên wafer hilgirên fîzîkî yên cîhazên nîvconductor in, û taybetmendiyên wan ên materyal rasterast performansa cîhazê, lêçûn û qadên serîlêdanê diyar dikin. Li jêr celebên sereke yên substratên wafer digel avantaj û dezavantajên wan hene:

1.Silîkon (Si)

• Parvekirina Bazarê:Ji sedî 95ê bazara cîhanî ya nîvconductoran zêdetir digire nav xwe.

• Awantaj:

  • Mesrefa kêm:Materyalên xav ên zêde (silîkon dîoksît), pêvajoyên hilberînê yên gihîştî, û aboriya pîvanê ya xurt.

  • Lihevhatina pêvajoyê ya bilind:Teknolojiya CMOS pir pêşketî ye, û girêkên pêşketî (mînak, 3nm) piştgirî dike.

  • Qalîteya krîstalê ya hêja:Waflên bi qutrek mezin (bi piranî 12 înç, 18 înç di bin pêşveçûnê de ne) dikarin werin mezin kirin ku densiteya kêmasiyên wan kêm e.

  • Taybetmendiyên mekanîkî yên stabîl:Birîn, cilkirin û destgirtin hêsan e.

• Dezawantaj:

  • Bandgava teng (1.12 eV):Herika rijandina bilind di germahiyên bilind de, ku karîgeriya cîhaza hêzê sînordar dike.

  • Bandgava nerasterast:Karîgeriya belavbûna ronahiyê pir kêm e, ji bo cîhazên optoelektronîkî yên wekî LED û lazeran ne guncaw e.

  • Tevgera elektronê ya sînorkirî:Performansa frekanseke bilind li gorî nîvconductorên pêkhatî kêmtir e.
    

2.Galyûm Arsenîd (GaAs)

• Serlêdan:Amûrên RF-ê yên frekanseke bilind (5G/6G), amûrên optoelektronîk (lazer, xaneyên rojê).

• Awantaj:

  • Tevgera elektronan a bilind (5–6 carî ji ya silîkonê):Ji bo sepanên leza bilind û frekansa bilind ên wekî ragihandina pêla milîmetreyî minasib e.

  • Bandgava rasterast (1.42 eV):Veguherîna fotoelektrîkî ya bi bandora bilind, bingeha lazerên înfrared û LED-an.

  • Berxwedana germahiya bilind û radyasyonê:Ji bo hewavaniyê û hawîrdorên dijwar minasib e.

• Dezawantaj:

  • Mesrefa bilind:Materyalê kêm, mezinbûna krîstalan dijwar e (meyla ji cihê xwe derketinê heye), mezinahiya waflê bi sînor e (bi piranî 6 înç).

  • Mekanîka nazik:Meyldarê şikestinê ye, di encamê de berhema hilberînê kêm e.

  • Jehrbûn:Arsenîk hewceyê destwerdan û kontrolên jîngehê yên hişk e.

3. Karbîda Sîlîkonê (SiC)

• Serlêdan:Amûrên hêzê yên germahiya bilind û voltaja bilind (înverterên EV, îstasyonên şarjkirinê), fezayî.

• Awantaj:

  • Bandgava fireh (3.26 eV):Hêza şikestinê ya bilind (10 carî ji ya silîkonê), toleransa germahiya bilind (germahiya xebitandinê >200 °C).

  • Germahiya bilind (≈3× silîkon):Belavbûna germê ya hêja, ku dendika hêza pergalê bilindtir dike.

  • Windakirina guheztinê ya kêm:Karîgeriya veguherîna hêzê baştir dike.

• Dezawantaj:

  • Amadekirina substratê ya dijwar:Mezinbûna krîstalê hêdî (>1 hefte), kontrolkirina kêmasiyan dijwar e (mîkroborî, jihevketin), lêçûnek pir zêde (5–10× silîkon).

  • Mezinahiya waferê ya piçûk:Bi piranî 4-6 înç; 8 înç hîn jî di bin pêşveçûnê de ye.

  • Pêvajoyek dijwar:Pir hişk e (Mohs 9.5), ku birrîn û cilkirinê demdirêj dike.

4. Gallyûm Nîtrîd (GaN)

• Serlêdan:Amûrên hêzê yên frekanseke bilind (şarjkirina bilez, îstasyona bingehîn a 5G), LED/lazerên şîn.

• Awantaj:

  • Tevgera elektronê ya pir bilind + valahiya bandê ya fireh (3.4 eV):Performansa frekanseke bilind (>100 GHz) û voltaja bilind bi hev re dike yek.

  • Berxwedana kêm:Windakirina hêza cîhazê kêm dike.

  • Heteroepitaksîya lihevhatî:Bi gelemperî li ser substratên silîkon, safîr, an SiC tê çandin, ku lêçûn kêm dike.

• Dezawantaj:

  • Mezinbûna krîstalên yekane yên girseyî dijwar e:Heteroepitaksiy sereke ye, lê nelihevhatina latîsê kêmasiyan derdixe holê.

  • Mesrefa bilind:Substratên GaN yên xwemalî pir biha ne (waflek 2 înç dikare çend hezar dolar lêçûn be).

  • Pirsgirêkên pêbaweriyê:Diyardeyên wekî hilweşîna niha hewceyê baştirkirinê ne.

5. Fosfîda Îndyûmê (InP)

• Serlêdan:Ragihandina optîkî ya bilez (lazer, fotodetektor), cîhazên terahertz.

• Awantaj:

  • Tevgera elektronê ya pir bilind:Piştgiriya xebitandina >100 GHz dike, ji GaAs-ê çêtir performansê dide.

  • Bandgava rasterast bi hevahengiya dirêjahiya pêlê:Materyalê sereke ji bo ragihandinên fîbera optîkî ya 1.3–1.55 μm.

• Dezawantaj:

  • Nazik û pir biha:Mesrefa substratê ji 100× silîkonê derbas dibe, mezinahiyên waferê sînorkirî ne (4-6 înç).

6. Safîr (Al₂O₃)

• Serlêdan:Ronahîkirina LED (substrata epitaksiyal a GaN), cama bergê elektronîkên xerîdar.

• Awantaj:

  • Mesrefa kêm:Ji substratên SiC/GaN pir erzantir e.

  • Stabîlîteya kîmyewî ya hêja:Li hember korozyonê berxwedêr, pir îzolekirî ye.

  • Şefafî:Ji bo avahiyên LED yên vertîkal minasib e.

• Dezawantaj:

  • Nelihevhatina mezin a latîsê bi GaN re (>%13):Dibe sedema dendika kêmasiyên bilind, ku pêdivî bi tebeqeyên tamponê heye.

  • Germahiya kêm a guhêrbar (~1/20 ji silîkonê):Performansa LED-ên hêza bilind sînordar dike.

7. Bingehên Seramîk (AlN, BeO, hwd.)

• Serlêdan:Belavkerên germê ji bo modulên hêza bilind.

• Awantaj:

  • Îzolekirin + germahiya bilind (AlN: 170–230 W/m·K):Ji bo pakkirina densiteya bilind minasib e.

• Dezawantaj:

  • Ne-yek-krîstal:Nikare rasterast mezinbûna cîhazê piştgirî bike, tenê wekî substratên pakkirinê tê bikar anîn.

8. Substratên Taybet

• SOI (Sîlîkon li ser Îzoleker):

  • Awayî:Sendwîça Silîkon/SiO₂/silîkonê.

  • Awantaj:Kapasîteya parazît, tepeserkirina rijandinê ya ku bi tîrêjê hişk bûye kêm dike (di RF, MEMS de tê bikar anîn).

  • Dezawantaj:%30-50 ji silîkona girseyî bihatir e.

• Quartz (SiO₂):Di fotomask û MEMS de tê bikar anîn; li hember germahiya bilind berxwedêr e lê pir şikestî ye.

• Cewher:Substrata xwedî rêjeyeke bilind a guhêzbariya germî (>2000 W/m·K), di bin R&D de ji bo belavbûna germê ya zêde.

Tabloya Berawirdî ya Kurteya Berawirdî

Faktorên Sereke ji bo Hilbijartina Substratê

• Pêdiviyên performansê:GaAs/InP ji bo frekanseke bilind; SiC ji bo voltaja bilind û germahiya bilind; GaAs/InP/GaN ji bo optoelektronîkê.

• Sînorkirinên lêçûnê:Elektronîkên xerîdar silîkonê tercîh dikin; zeviyên asta bilind dikarin prîmên SiC/GaN rewa bikin.

• Aloziya entegrasyonê:Silîkon ji bo hevahengiya CMOS-ê bêguher dimîne.

• Rêveberiya Germahî:Serlêdanên hêza bilind SiC an GaN-a li ser bingeha elmasê tercîh dikin.

• Pêkhatina zincîra dabînkirinê:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Trenda Pêşerojê

Entegrasyona nehevseng (mînak, GaN-li ser-Si, GaN-li ser-SiC) dê performans û lêçûnê hevseng bike, û pêşveçûnan di 5G, wesayîtên elektrîkê û hesabkirina kuantumê de bi rê ve bibe.