Основное сырье для производства полупроводников: типы подложек пластин

Подложки пластин как ключевые материалы в полупроводниковых приборах

Подложки пластин являются физическими носителями полупроводниковых приборов, и свойства их материалов напрямую определяют производительность, стоимость и области применения устройств. Ниже представлены основные типы подложек пластин, их преимущества и недостатки:

1.Кремний (Si)

• Доля рынка:На долю компании приходится более 95% мирового рынка полупроводников.

• Преимущества:

  • Бюджетный:Богатый запас сырья (диоксид кремния), отлаженные производственные процессы и значительная экономия за счет масштабов производства.

  • Высокая совместимость процессов:Технология КМОП является весьма зрелой и поддерживает современные узлы (например, 3 нм).

  • Превосходное качество кристаллов:Возможность выращивания пластин большого диаметра (в основном 12-дюймовые, в разработке 18-дюймовые) с низкой плотностью дефектов.

  • Стабильные механические свойства:Легко резать, полировать и обрабатывать.

• Недостатки:

  • Узкая запрещенная зона (1,12 эВ):Высокий ток утечки при повышенных температурах, ограничивающий эффективность силового устройства.

  • Непрямая запрещенная зона:Очень низкая эффективность излучения света, непригодна для оптоэлектронных устройств, таких как светодиоды и лазеры.

  • Ограниченная подвижность электронов:Худшие высокочастотные характеристики по сравнению с полупроводниковыми соединениями.
    

2.Арсенид галлия (GaAs)

• Приложения:Высокочастотные радиочастотные устройства (5G/6G), оптоэлектронные устройства (лазеры, солнечные элементы).

• Преимущества:

  • Высокая подвижность электронов (в 5–6 раз выше, чем у кремния):Подходит для высокоскоростных, высокочастотных приложений, таких как связь в диапазоне миллиметровых волн.

  • Прямая запрещенная зона (1,42 эВ):Высокоэффективное фотоэлектрическое преобразование, основа инфракрасных лазеров и светодиодов.

  • Высокая термо- и радиационная стойкость:Подходит для аэрокосмической отрасли и суровых условий.

• Недостатки:

  • Высокая стоимость:Дефицит материала, трудный рост кристаллов (склонность к дислокациям), ограниченный размер пластин (в основном 6 дюймов).

  • Хрупкая механика:Склонен к растрескиванию, что приводит к низкой производительности обработки.

  • Токсичность:Мышьяк требует строгого обращения и контроля за окружающей средой.

3. Карбид кремния (SiC)

• Приложения:Высокотемпературные и высоковольтные силовые устройства (инверторы для электромобилей, зарядные станции), аэрокосмическая промышленность.

• Преимущества:

  • Широкая запрещенная зона (3,26 эВ):Высокая прочность на пробой (в 10 раз выше, чем у кремния), устойчивость к высоким температурам (рабочая температура >200 °C).

  • Высокая теплопроводность (≈3× кремния):Отличное рассеивание тепла, что обеспечивает более высокую плотность мощности системы.

  • Низкие потери переключения:Повышает эффективность преобразования энергии.

• Недостатки:

  • Сложная подготовка субстрата:Медленный рост кристаллов (>1 недели), сложный контроль дефектов (микротрубки, дислокации), чрезвычайно высокая стоимость (в 5–10 раз больше кремния).

  • Маленький размер пластины:В основном 4–6 дюймов; 8 дюймов все еще в стадии разработки.

  • Трудно обработать:Очень твёрдый (9,5 по шкале Мооса), поэтому резка и полировка отнимают много времени.

4. Нитрид галлия (GaN)

• Приложения:Высокочастотные силовые устройства (быстрая зарядка, базовые станции 5G), синие светодиоды/лазеры.

• Преимущества:

  • Сверхвысокая подвижность электронов + широкая запрещенная зона (3,4 эВ):Сочетает в себе высокочастотные (>100 ГГц) и высоковольтные характеристики.

  • Низкое сопротивление открытого канала:Снижает потери мощности устройства.

  • Совместимость с гетероэпитаксией:Обычно выращиваются на подложках из кремния, сапфира или SiC, что снижает стоимость.

• Недостатки:

  • Объемный рост монокристаллов затруднен:Гетероэпитаксия является общепринятой практикой, но несоответствие решеток приводит к возникновению дефектов.

  • Высокая стоимость:Собственные подложки GaN очень дороги (2-дюймовая пластина может стоить несколько тысяч долларов США).

  • Проблемы надежности:Такие явления, как текущий коллапс, требуют оптимизации.

5. Фосфид индия (InP)

• Приложения:Высокоскоростная оптическая связь (лазеры, фотодетекторы), терагерцовые устройства.

• Преимущества:

  • Сверхвысокая подвижность электронов:Поддерживает работу на частоте >100 ГГц, превосходя GaAs.

  • Прямая запрещенная зона с согласованием длин волн:Материал сердечника для волоконно-оптической связи диаметром 1,3–1,55 мкм.

• Недостатки:

  • Хрупкий и очень дорогой:Стоимость подложки превышает 100× кремния, ограниченные размеры пластин (4–6 дюймов).

6. Сапфир (Al₂O₃)

• Приложения:Светодиодное освещение (эпитаксиальная подложка GaN), защитное стекло для бытовой электроники.

• Преимущества:

  • Бюджетный:Гораздо дешевле, чем подложки SiC/GaN.

  • Отличная химическая стабильность:Коррозионностойкий, с высокой степенью изоляции.

  • Прозрачность:Подходит для вертикальных светодиодных конструкций.

• Недостатки:

  • Большое несоответствие решеток с GaN (>13%):Вызывает высокую плотность дефектов, требующую использования буферных слоев.

  • Плохая теплопроводность (~1/20 кремния):Ограничивает производительность мощных светодиодов.

7. Керамические подложки (AlN, BeO и т. д.)

• Приложения:Теплораспределители для модулей большой мощности.

• Преимущества:

  • Изоляция + высокая теплопроводность (AlN: 170–230 Вт/м·К):Подходит для упаковки высокой плотности.

• Недостатки:

  • Немонокристаллический:Не может напрямую поддерживать рост устройств, используется только в качестве упаковочной подложки.

8. Специальные субстраты

• SOI (кремний на изоляторе):

  • Структура:Сэндвич кремний/SiO₂/кремний.

  • Преимущества:Уменьшает паразитную емкость, устойчив к радиационному излучению, подавляет утечки (используется в СВЧ, МЭМС).

  • Недостатки:На 30–50% дороже, чем объемный кремний.

• Кварц (SiO₂):Используется в фотошаблонах и МЭМС; устойчив к высоким температурам, но очень хрупкий.

• Алмаз:Подложка с самой высокой теплопроводностью (>2000 Вт/м·К), в настоящее время находится в стадии НИОКР для экстремального рассеивания тепла.

Сравнительная сводная таблица

Ключевые факторы выбора субстрата

• Требования к производительности:GaAs/InP для высоких частот; SiC для высоких напряжений и температур; GaAs/InP/GaN для оптоэлектроники.

• Ограничения по стоимости:Потребительская электроника отдает предпочтение кремнию; области высоких технологий могут оправдать более высокую стоимость SiC/GaN.

• Сложность интеграции:Кремний остается незаменимым для совместимости с КМОП.

• Терморегулирование:Для мощных приложений предпочтительны SiC или GaN на основе алмаза.

• Зрелость цепочки поставок:Si > Сапфир > GaAs > SiC > GaN > InP.

Будущая тенденция

Гетерогенная интеграция (например, GaN-на-Si, GaN-на-SiC) позволит сбалансировать производительность и стоимость, способствуя прогрессу в области 5G, электромобилей и квантовых вычислений.