Deunyddiau Crai Allweddol ar gyfer Cynhyrchu Lled-ddargludyddion: Mathau o Swbstradau Wafer

Swbstradau Wafer fel Deunyddiau Allweddol mewn Dyfeisiau Lled-ddargludyddion

Swbstradau wafer yw cludwyr ffisegol dyfeisiau lled-ddargludyddion, ac mae eu priodweddau deunydd yn pennu perfformiad, cost a meysydd cymhwysiad dyfeisiau yn uniongyrchol. Isod mae'r prif fathau o swbstradau wafer ynghyd â'u manteision a'u hanfanteision:

1.Silicon (Si)

• Cyfran o'r Farchnad:Yn cyfrif am fwy na 95% o farchnad lled-ddargludyddion byd-eang.

• Manteision:

  • Cost isel:Deunyddiau crai toreithiog (silicon deuocsid), prosesau gweithgynhyrchu aeddfed, ac arbedion maint cryf.

  • Cydnawsedd proses uchel:Mae technoleg CMOS yn aeddfed iawn, gan gefnogi nodau uwch (e.e., 3nm).

  • Ansawdd crisial rhagorol:Gellir tyfu wafferi diamedr mawr (12 modfedd yn bennaf, 18 modfedd yn cael eu datblygu) gyda dwysedd diffygion isel.

  • Priodweddau mecanyddol sefydlog:Hawdd i'w dorri, ei sgleinio a'i drin.

• Anfanteision:

  • Bwlch band cul (1.12 eV):Cerrynt gollyngiad uchel ar dymheredd uchel, gan gyfyngu ar effeithlonrwydd dyfeisiau pŵer.

  • Bwlch band anuniongyrchol:Effeithlonrwydd allyriadau golau isel iawn, yn anaddas ar gyfer dyfeisiau optoelectronig fel LEDs a laserau.

  • Symudedd electronau cyfyngedig:Perfformiad amledd uchel israddol o'i gymharu â lled-ddargludyddion cyfansawdd.
    

2.Galliwm Arsenid (GaAs)

• Ceisiadau:Dyfeisiau RF amledd uchel (5G/6G), dyfeisiau optoelectronig (laserau, celloedd solar).

• Manteision:

  • Symudedd electronau uchel (5–6× symudedd silicon):Addas ar gyfer cymwysiadau cyflymder uchel, amledd uchel fel cyfathrebu tonnau milimetr.

  • Bwlch band uniongyrchol (1.42 eV):Trosi ffotodrydanol effeithlonrwydd uchel, sylfaen laserau is-goch a LEDs.

  • Gwrthiant tymheredd uchel ac ymbelydredd:Addas ar gyfer awyrofod ac amgylcheddau llym.

• Anfanteision:

  • Cost uchel:Deunydd prin, twf crisial anodd (yn dueddol o ddatgymalu), maint wafer cyfyngedig (6 modfedd yn bennaf).

  • Mecaneg brau:Yn dueddol o dorri, gan arwain at gynnyrch prosesu isel.

  • Gwenwyndra:Mae angen trin arsenig a rheolaethau amgylcheddol llym.

3. Silicon Carbid (SiC)

• Ceisiadau:Dyfeisiau pŵer tymheredd uchel a foltedd uchel (gwrthdroyddion cerbydau trydan, gorsafoedd gwefru), awyrofod.

• Manteision:

  • Bwlch band eang (3.26 eV):Cryfder chwalfa uchel (10× cryfder silicon), goddefgarwch tymheredd uchel (tymheredd gweithredu >200 °C).

  • Dargludedd thermol uchel (≈3× silicon):Gwasgariad gwres rhagorol, gan alluogi dwysedd pŵer system uwch.

  • Colli newid isel:Yn gwella effeithlonrwydd trosi pŵer.

• Anfanteision:

  • Paratoi swbstrad heriol:Twf crisialau araf (>1 wythnos), rheoli diffygion yn anodd (microbibellau, dadleoliadau), cost eithriadol o uchel (5–10× silicon).

  • Maint wafer bach:4–6 modfedd yn bennaf; 8 modfedd yn dal i gael ei ddatblygu.

  • Anodd ei brosesu:Caled iawn (Mohs 9.5), gan wneud torri a sgleinio yn cymryd llawer o amser.

4. Nitrid Galliwm (GaN)

• Ceisiadau:Dyfeisiau pŵer amledd uchel (gwefru cyflym, gorsafoedd sylfaen 5G), LEDs/laserau glas.

• Manteision:

  • Symudedd electronau uwch-uchel + bwlch band eang (3.4 eV):Yn cyfuno perfformiad amledd uchel (>100 GHz) a foltedd uchel.

  • Gwrthiant ymlaen isel:Yn lleihau colli pŵer dyfais.

  • Cydnaws â heteroepitaxi:Yn cael ei dyfu'n gyffredin ar swbstradau silicon, saffir, neu SiC, gan leihau cost.

• Anfanteision:

  • Twf grisial sengl swmp yn anodd:Mae heteroepitacs yn brif ffrwd, ond mae anghydweddiad dellt yn cyflwyno diffygion.

  • Cost uchel:Mae swbstradau GaN brodorol yn ddrud iawn (gall wafer 2 fodfedd gostio sawl mil o USD).

  • Heriau dibynadwyedd:Mae ffenomenau fel cwymp cerrynt yn gofyn am optimeiddio.

5. Indiwm Ffosffid (InP)

• Ceisiadau:Cyfathrebu optegol cyflym (laserau, ffotosynhwyryddion), dyfeisiau terahertz.

• Manteision:

  • Symudedd electronau uwch-uchel:Yn cefnogi gweithrediad >100 GHz, gan berfformio'n well na GaAs.

  • Bwlch band uniongyrchol gyda chyfatebiaeth tonfedd:Deunydd craidd ar gyfer cyfathrebu ffibr optegol 1.3–1.55 μm.

• Anfanteision:

  • Brau a drud iawn:Mae cost y swbstrad yn fwy na 100× silicon, meintiau wafer cyfyngedig (4–6 modfedd).

6. Saffir (Al₂O₃)

• Ceisiadau:Goleuadau LED (swbstrad epitaxial GaN), gwydr gorchudd electroneg defnyddwyr.

• Manteision:

  • Cost isel:Llawer rhatach na swbstradau SiC/GaN.

  • Sefydlogrwydd cemegol rhagorol:Yn gwrthsefyll cyrydiad, yn inswleiddio'n fawr.

  • Tryloywder:Addas ar gyfer strwythurau LED fertigol.

• Anfanteision:

  • Anghydweddiad dellt mawr gyda GaN (>13%):Yn achosi dwysedd diffygion uchel, gan olygu bod angen haenau byffer.

  • Dargludedd thermol gwael (~1/20 o silicon):Yn cyfyngu ar berfformiad LEDs pŵer uchel.

7. Swbstradau Ceramig (AlN, BeO, ac ati)

• Ceisiadau:Gwasgarwyr gwres ar gyfer modiwlau pŵer uchel.

• Manteision:

  • Inswleiddio + dargludedd thermol uchel (AlN: 170–230 W/m·K):Addas ar gyfer pecynnu dwysedd uchel.

• Anfanteision:

  • Nid grisial sengl:Ni all gefnogi twf dyfeisiau'n uniongyrchol, dim ond fel swbstradau pecynnu y cânt eu defnyddio.

8. Swbstradau Arbennig

• SOI (Silicon ar Inswleiddiwr):

  • Strwythur:Brechdan silicon/SiO₂/silicon.

  • Manteision:Yn lleihau cynhwysedd parasitig, wedi'i galedu gan ymbelydredd, atal gollyngiadau (a ddefnyddir mewn RF, MEMS).

  • Anfanteision:30–50% yn ddrytach na silicon swmp.

• Cwarts (SiO₂):Wedi'i ddefnyddio mewn ffotomasgiau a MEMS; ymwrthedd i dymheredd uchel ond yn frau iawn.

• Diemwnt:Swbstrad dargludedd thermol uchaf (>2000 W/m·K), dan ymchwil a datblygu ar gyfer gwasgariad gwres eithafol.

Tabl Crynodeb Cymharol

Ffactorau Allweddol ar gyfer Dewis Swbstrad

• Gofynion perfformiad:GaAs/InP ar gyfer amledd uchel; SiC ar gyfer foltedd uchel, tymheredd uchel; GaAs/InP/GaN ar gyfer optoelectroneg.

• Cyfyngiadau cost:Mae electroneg defnyddwyr yn ffafrio silicon; gall meysydd pen uchel gyfiawnhau premiymau SiC/GaN.

• Cymhlethdod integreiddio:Mae silicon yn parhau i fod yn anhepgor ar gyfer cydnawsedd CMOS.

• Rheoli thermol:Mae cymwysiadau pŵer uchel yn ffafrio SiC neu GaN sy'n seiliedig ar ddiamwnt.

• Aeddfedrwydd y gadwyn gyflenwi:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tuedd y Dyfodol

Bydd integreiddio heterogenaidd (e.e., GaN-ar-Si, GaN-ar-SiC) yn cydbwyso perfformiad a chost, gan sbarduno datblygiadau mewn 5G, cerbydau trydan, a chyfrifiadura cwantwm.