Bahan Baku Utama kanggo Produksi Semikonduktor: Jinis Substrat Wafer

Substrat Wafer minangka Bahan Kunci ing Piranti Semikonduktor

Substrat wafer minangka operator fisik piranti semikonduktor, lan sifat materiale langsung nemtokake kinerja piranti, biaya, lan lapangan aplikasi. Ing ngisor iki minangka jinis utama substrat wafer kanthi kaluwihan lan kekurangane:

1.Silikon (Si)

• Pangsa pasar:Akun luwih saka 95% pasar semikonduktor global.

• Kaluwihan:

  • Biaya murah:Bahan mentah sing akeh (silikon dioksida), proses manufaktur sing diwasa, lan skala ekonomi sing kuwat.

  • Kompatibilitas proses dhuwur:Teknologi CMOS wis diwasa banget, ndhukung node maju (contone, 3nm).

  • Kualitas kristal sing apik banget:Wafer diameter gedhe (utamane 12-inch, 18-inch ing pembangunan) karo Kapadhetan kurang cacat bisa thukul.

  • Sifat mekanik stabil:Gampang dipotong, dipoles, lan ditangani.

• Kekurangan:

  • Celah pita sempit (1.12 eV):Arus bocor dhuwur ing suhu dhuwur, mbatesi efisiensi piranti daya.

  • Gap ora langsung:Efisiensi emisi cahya sing sithik banget, ora cocog kanggo piranti optoelektronik kayata LED lan laser.

  • Mobilitas elektron terbatas:Kinerja frekuensi dhuwur sing luwih murah dibandhingake semikonduktor senyawa.
    

2.Gallium Arsenide (GaAs)

• Aplikasi:Piranti RF frekuensi dhuwur (5G/6G), piranti optoelektronik (laser, sel surya).

• Kaluwihan:

  • Mobilitas elektron dhuwur (5–6× silikon):Cocog kanggo aplikasi kanthi kacepetan dhuwur, frekuensi dhuwur kayata komunikasi gelombang milimeter.

  • Celah pita langsung (1.42 eV):Konversi fotoelektrik kanthi efisiensi dhuwur, dhasar laser infra merah lan LED.

  • Suhu dhuwur lan resistensi radiasi:Cocog kanggo aerospace lan lingkungan sing atos.

• Kekurangan:

  • Biaya dhuwur:Materi langka, wutah kristal angel (rawan dislokasi), ukuran wafer winates (utamane 6 inci).

  • Mekanika rapuh:Rentan kanggo fraktur, nyebabake asil pangolahan sing kurang.

  • Keracunan:Arsenik mbutuhake penanganan sing ketat lan kontrol lingkungan.

3. Silicon Carbide (SiC)

• Aplikasi:Piranti daya suhu lan voltase dhuwur (inverter EV, stasiun pangisian daya), aerospace.

• Kaluwihan:

  • Celah pita lebar (3.26 eV):Kekuwatan risak dhuwur (10 × silikon), toleransi suhu dhuwur (suhu operasi> 200 °C).

  • Konduktivitas termal dhuwur (≈3 × silikon):Boros panas banget, mbisakake Kapadhetan daya sistem sing luwih dhuwur.

  • Low switching loss:Ngapikake efisiensi konversi daya.

• Kekurangan:

  • Persiapan substrat sing angel:Wutah kristal alon (> 1 minggu), kontrol cacat sing angel (mikropipe, dislokasi), biaya sing dhuwur banget (5-10 × silikon).

  • Ukuran wafer cilik:Utamane 4-6 inci; 8-inch isih ing pembangunan.

  • angel diproses:Banget hard (Mohs 9.5), nggawe nglereni lan polishing wektu-akeh.

4. Gallium Nitride (GaN)

• Aplikasi:Piranti daya frekuensi dhuwur (pengisi daya cepet, stasiun pangkalan 5G), LED/laser biru.

• Kaluwihan:

  • Mobilitas elektron ultra-dhuwur + celah pita lebar (3,4 eV):Nggabungake frekuensi dhuwur (> 100 GHz) lan kinerja voltase dhuwur.

  • Resistance kurang:Nyuda mundhut daya piranti.

  • Heteroepitaxy kompatibel:Umume ditanam ing substrat silikon, safir, utawa SiC, nyuda biaya.

• Kekurangan:

  • Pertumbuhan kristal tunggal massal angel:Heteroepitaxy minangka mainstream, nanging kisi mismatch ngenalake cacat.

  • Biaya dhuwur:Substrat GaN asli larang banget (wafer 2 inci bisa regane pirang-pirang ewu USD).

  • Tantangan linuwih:Fenomena kayata ambruk saiki mbutuhake optimasi.

5. Indium Phosphide (InP)

• Aplikasi:Komunikasi optik kanthi kacepetan dhuwur (laser, photodetector), piranti terahertz.

• Kaluwihan:

  • Mobilitas elektron ultra-dhuwur:Ndhukung operasi> 100 GHz, ngungguli GaAs.

  • Celah pita langsung kanthi pencocokan dawa gelombang:Materi inti kanggo komunikasi serat optik 1.3–1.55 μm.

• Kekurangan:

  • Brittle lan larang banget:Biaya substrat ngluwihi silikon 100x, ukuran wafer winates (4-6 inci).

6. Safir (Al₂O₃)

• Aplikasi:Lampu LED (GaN epitaxial substrate), kaca penutup elektronik konsumen.

• Kaluwihan:

  • Biaya murah:Luwih murah tinimbang substrat SiC / GaN.

  • Stabilitas kimia sing apik banget:Tahan korosi, insulasi banget.

  • Transparansi:Cocog kanggo struktur LED vertikal.

• Kekurangan:

  • Kisi gedhe ora cocog karo GaN (>13%):Nimbulaké Kapadhetan cacat dhuwur, mbutuhake lapisan buffer.

  • Konduktivitas termal sing kurang (~ 1/20 silikon):Watesan kinerja LED daya dhuwur.

7. Substrat Keramik (AlN, BeO, lsp)

• Aplikasi:Penyebar panas kanggo modul daya dhuwur.

• Kaluwihan:

  • Isolasi + konduktivitas termal dhuwur (AlN: 170–230 W/m·K):Cocog kanggo kemasan kepadatan dhuwur.

• Kekurangan:

  • Non-kristal tunggal:Ora bisa langsung ndhukung wutah piranti, digunakake mung minangka substrat packaging.

8. Substrat khusus

• SOI (Silicon on Insulator):

  • Struktur:Sandwich silikon/SiO₂/silikon.

  • Kaluwihan:Nyuda kapasitansi parasit, hardened radiation, dipatèni bocor (digunakake ing RF, MEMS).

  • Kekurangan:30-50% luwih larang tinimbang silikon massal.

• Kuarsa (SiO₂):Digunakake ing photomasks lan MEMS; resistance dhuwur-suhu nanging banget brittle.

• Diamond:Substrat konduktivitas termal paling dhuwur (> 2000 W/m·K), miturut R&D kanggo pambuangan panas sing ekstrem.

Tabel Ringkesan Comparative

Faktor Kunci kanggo Pemilihan Substrat

• Persyaratan kinerja:GaAs/InP kanggo frekuensi dhuwur; SiC kanggo voltase dhuwur, suhu dhuwur; GaAs/InP/GaN kanggo optoelektronik.

• watesan biaya:Elektronik konsumen milih silikon; kothak dhuwur-mburi bisa mbecikake SiC / premi GaN.

• Kompleksitas Integrasi:Silicon tetep ora bisa diganti kanggo kompatibilitas CMOS.

• Manajemen termal:Aplikasi daya dhuwur luwih seneng GaN adhedhasar SiC utawa berlian.

• Kedewasaan rantai pasokan:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Trend masa depan

Integrasi heterogen (contone, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) bakal ngimbangi kinerja lan biaya, nyopir kemajuan ing 5G, kendaraan listrik, lan komputasi kuantum.