Yarı İletken Üretimi İçin Temel Hammaddeler: Gofret Alt Tabakalarının Türleri

Yarı İletken Cihazlarda Temel Malzeme Olarak Wafer Alt Tabakalar

Gofret alt tabakaları, yarı iletken cihazların fiziksel taşıyıcılarıdır ve malzeme özellikleri, cihaz performansını, maliyetini ve uygulama alanlarını doğrudan belirler. Aşağıda, başlıca gofret alt tabaka türleri, avantajları ve dezavantajlarıyla birlikte verilmiştir:

1.Silisyum (Si)

• Pazar Payı:Küresel yarı iletken pazarının %95'inden fazlasını oluşturmaktadır.

• Avantajları:

  • Düşük maliyet:Bol miktarda hammadde (silikon dioksit), gelişmiş üretim süreçleri ve güçlü ölçek ekonomileri.

  • Yüksek proses uyumluluğu:CMOS teknolojisi oldukça gelişmiştir ve gelişmiş düğümleri (örneğin 3nm) destekler.

  • Mükemmel kristal kalitesi:Düşük kusur yoğunluğuna sahip büyük çaplı gofretler (çoğunlukla 12 inç, 18 inçlik olanlar geliştirilmektedir) yetiştirilebilir.

  • Kararlı mekanik özellikler:Kesilmesi, cilalanması ve kullanımı kolaydır.

• Dezavantajları:

  • Dar bant aralığı (1,12 eV):Yüksek sıcaklıklarda yüksek kaçak akım, güç cihazının verimliliğini sınırlar.

  • Dolaylı bant aralığı:Çok düşük ışık emisyon verimliliği, LED'ler ve lazerler gibi optoelektronik cihazlar için uygun değildir.

  • Sınırlı elektron hareketliliği:Bileşik yarı iletkenlere kıyasla düşük yüksek frekans performansı.
    

2.Galyum Arsenür (GaAs)

• Uygulamalar:Yüksek frekanslı RF cihazları (5G/6G), optoelektronik cihazlar (lazerler, güneş pilleri).

• Avantajları:

  • Yüksek elektron hareketliliği (silisyumun 5–6 katı):Milimetre dalga iletişimi gibi yüksek hızlı, yüksek frekanslı uygulamalar için uygundur.

  • Doğrudan bant aralığı (1,42 eV):Yüksek verimli fotoelektrik dönüşüm, kızılötesi lazerlerin ve LED'lerin temelidir.

  • Yüksek sıcaklık ve radyasyon direnci:Havacılık ve zorlu ortamlar için uygundur.

• Dezavantajları:

  • Yüksek maliyet:Nadir bulunan malzeme, zor kristal büyümesi (çıkıklara eğilimli), sınırlı gofret boyutu (çoğunlukla 6 inç).

  • Kırılgan mekanik:Kırılmaya yatkındır, bu da düşük işleme verimine neden olur.

  • Toksisite:Arsenik, sıkı bir kullanım ve çevre kontrolü gerektirir.

3. Silisyum Karbür (SiC)

• Uygulamalar:Yüksek sıcaklık ve yüksek voltajlı güç cihazları (EV invertörleri, şarj istasyonları), havacılık ve uzay.

• Avantajları:

  • Geniş bant aralığı (3,26 eV):Yüksek kırılma mukavemeti (silisyumun 10 katı), yüksek sıcaklık toleransı (çalışma sıcaklığı >200 °C).

  • Yüksek ısı iletkenliği (≈3× silisyum):Mükemmel ısı dağılımı, daha yüksek sistem güç yoğunluğuna olanak tanır.

  • Düşük anahtarlama kaybı:Güç dönüşüm verimliliğini artırır.

• Dezavantajları:

  • Zorlu alt tabaka hazırlığı:Yavaş kristal büyümesi (>1 hafta), zor kusur kontrolü (mikro borular, çıkıklar), son derece yüksek maliyet (5–10x silikon).

  • Küçük gofret boyutu:Genellikle 4-6 inç; 8 inç ise hala geliştirilme aşamasında.

  • İşlenmesi zor:Çok serttir (Mohs 9.5), bu nedenle kesme ve parlatma işlemi zaman alır.

4. Galyum Nitrür (GaN)

• Uygulamalar:Yüksek frekanslı güç cihazları (hızlı şarj, 5G baz istasyonları), mavi LED'ler/lazerler.

• Avantajları:

  • Ultra yüksek elektron hareketliliği + geniş bant aralığı (3,4 eV):Yüksek frekans (>100 GHz) ve yüksek voltaj performansını birleştirir.

  • Düşük direnç:Cihazın güç kaybını azaltır.

  • Heteroepitaksi uyumlu:Genellikle silikon, safir veya SiC alt tabakalar üzerinde yetiştirilir, bu da maliyeti düşürür.

• Dezavantajları:

  • Toplu tek kristal büyümesi zordur:Heteroepitaksi ana akımdır, ancak kafes uyumsuzluğu kusurlara yol açar.

  • Yüksek maliyet:Yerli GaN alt tabakaları oldukça pahalıdır (2 inçlik bir gofretin maliyeti birkaç bin ABD doları olabilir).

  • Güvenilirlik zorlukları:Akım çöküşü gibi olgular optimizasyon gerektirir.

5. İndiyum Fosfür (InP)

• Uygulamalar:Yüksek hızlı optik haberleşme (lazerler, fotodedektörler), terahertz cihazları.

• Avantajları:

  • Ultra yüksek elektron hareketliliği:>100 GHz'de çalışmayı destekler, GaAs'tan daha iyi performans gösterir.

  • Dalga boyu eşleştirmeli doğrudan bant aralığı:1,3–1,55 μm optik fiber iletişimleri için çekirdek malzeme.

• Dezavantajları:

  • Kırılgan ve çok pahalı:Alt tabaka maliyeti 100x silikonun üzerindedir, sınırlı gofret boyutları (4–6 inç).

6. Safir (Al₂O₃)

• Uygulamalar:LED aydınlatma (GaN epitaksiyel substrat), tüketici elektroniği kapak camı.

• Avantajları:

  • Düşük maliyet:SiC/GaN alt tabakalarından çok daha ucuzdur.

  • Mükemmel kimyasal kararlılık:Korozyona dayanıklıdır, yüksek yalıtım özelliğine sahiptir.

  • Şeffaflık:Dikey LED yapılara uygundur.

• Dezavantajları:

  • GaN ile büyük kafes uyumsuzluğu (>%13):Yüksek hata yoğunluğuna neden olur, tampon katmanlar gerektirir.

  • Zayıf ısı iletkenliği (~1/20 silisyum):Yüksek güçlü LED'lerin performansını sınırlar.

7. Seramik Alt Tabakalar (AlN, BeO, vb.)

• Uygulamalar:Yüksek güçlü modüller için ısı yayıcılar.

• Avantajları:

  • Yalıtkan + yüksek ısı iletkenliği (AlN: 170–230 W/m·K):Yüksek yoğunluklu ambalajlara uygundur.

• Dezavantajları:

  • Tek kristal olmayan:Cihaz büyümesini doğrudan destekleyemez, yalnızca paketleme alt tabakası olarak kullanılır.

8. Özel Substratlar

• SOI (Yalıtkan Üzerindeki Silikon):

  • Yapı:Silisyum/SiO₂/silikon sandviç.

  • Avantajları:Parazitik kapasitansı azaltır, radyasyona dayanıklıdır, sızıntı bastırma özelliğine sahiptir (RF, MEMS'de kullanılır).

  • Dezavantajları:Toplu silikondan %30-50 daha pahalıdır.

• Kuvars (SiO₂):Fotomaskelerde ve MEMS'lerde kullanılır; yüksek sıcaklığa dayanıklıdır ancak çok kırılgandır.

• Elmas:En yüksek ısı iletkenliğine sahip alt tabaka (>2000 W/m·K), aşırı ısı dağılımı için Ar-Ge aşamasındadır.

Karşılaştırmalı Özet Tablosu

Substrat Seçiminde Temel Faktörler

• Performans gereksinimleri:Yüksek frekans için GaAs/InP; yüksek voltaj, yüksek sıcaklık için SiC; optoelektronik için GaAs/InP/GaN.

• Maliyet kısıtlamaları:Tüketici elektroniği silikonu tercih ediyor; üst düzey alanlar SiC/GaN primlerini haklı çıkarabilir.

• Entegrasyon karmaşıklığı:CMOS uyumluluğu için silikon vazgeçilmez olmaya devam ediyor.

• Isı yönetimi:Yüksek güçlü uygulamalar için SiC veya elmas bazlı GaN tercih edilir.

• Tedarik zinciri olgunluğu:Si > Safir > GaAs > SiC > GaN > InP.

Gelecek Trendi

Heterojen entegrasyon (örneğin GaN-on-Si, GaN-on-SiC) performans ve maliyeti dengeleyerek 5G, elektrikli araçlar ve kuantum bilişimindeki gelişmeleri yönlendirecektir.