سیمی کنڈکٹر کی پیداوار کے لیے کلیدی خام مال: ویفر سبسٹریٹس کی اقسام

سیمی کنڈکٹر آلات میں کلیدی مواد کے طور پر ویفر سبسٹریٹس

ویفر سبسٹریٹس سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز کے جسمانی کیریئر ہیں، اور ان کی مادی خصوصیات براہ راست ڈیوائس کی کارکردگی، لاگت اور ایپلیکیشن فیلڈز کا تعین کرتی ہیں۔ ذیل میں ویفر سبسٹریٹس کی اہم اقسام ان کے فوائد اور نقصانات کے ساتھ ہیں:

1.سلکان (Si)

• مارکیٹ شیئر:عالمی سیمی کنڈکٹر مارکیٹ کا 95 فیصد سے زیادہ حصہ ہے۔

• فوائد:

  • کم قیمت:وافر مقدار میں خام مال (سلیکان ڈائی آکسائیڈ)، پختہ مینوفیکچرنگ کے عمل، اور پیمانے کی مضبوط معیشتیں۔

  • اعلی عمل کی مطابقت:CMOS ٹیکنالوجی انتہائی پختہ ہے، جو جدید نوڈس کو سپورٹ کرتی ہے (مثال کے طور پر، 3nm)۔

  • بہترین کرسٹل معیار:کم عیب کثافت کے ساتھ بڑے قطر والے ویفرز (بنیادی طور پر 12 انچ، 18 انچ ترقی یافتہ) اگائے جا سکتے ہیں۔

  • مستحکم میکانی خصوصیات:کاٹنے، پالش کرنے اور ہینڈل کرنے میں آسان۔

• نقصانات:

  • تنگ بینڈ گیپ (1.12 eV):بلند درجہ حرارت پر ہائی رساو کرنٹ، پاور ڈیوائس کی کارکردگی کو محدود کرتا ہے۔

  • بالواسطہ بینڈ گیپ:بہت کم روشنی کے اخراج کی کارکردگی، آپٹو الیکٹرانک آلات جیسے کہ ایل ای ڈی اور لیزرز کے لیے موزوں نہیں۔

  • محدود الیکٹران کی نقل و حرکت:کمپاؤنڈ سیمی کنڈکٹرز کے مقابلے میں کمتر اعلی تعدد کارکردگی۔
    

2.گیلیم آرسنائیڈ (GaAs)

• درخواستیں:ہائی فریکوئنسی RF ڈیوائسز (5G/6G)، آپٹو الیکٹرانک ڈیوائسز (لیزرز، سولر سیل)۔

• فوائد:

  • ہائی الیکٹران کی نقل و حرکت (5–6× سلیکون کی):تیز رفتار، اعلی تعدد ایپلی کیشنز جیسے ملی میٹر لہر مواصلات کے لیے موزوں ہے۔

  • براہ راست بینڈ گیپ (1.42 eV):اعلی کارکردگی والی فوٹو الیکٹرک تبدیلی، اورکت لیزرز اور ایل ای ڈی کی بنیاد۔

  • اعلی درجہ حرارت اور تابکاری مزاحمت:ایرو اسپیس اور سخت ماحول کے لیے موزوں ہے۔

• نقصانات:

  • اعلی قیمت:قلیل مواد، مشکل کرسٹل نمو (منتخب ہونے کا خطرہ)، محدود ویفر سائز (بنیادی طور پر 6 انچ)۔

  • برٹل میکینکس:فریکچر کا شکار، جس کے نتیجے میں پروسیسنگ کی کم پیداوار ہوتی ہے۔

  • زہریلا:آرسینک کو سخت ہینڈلنگ اور ماحولیاتی کنٹرول کی ضرورت ہوتی ہے۔

3. سلکان کاربائیڈ (SiC)

• درخواستیں:ہائی ٹمپریچر اور ہائی وولٹیج پاور ڈیوائسز (ای وی انورٹرز، چارجنگ اسٹیشن)، ایرو اسپیس۔

• فوائد:

  • وسیع بینڈ گیپ (3.26 eV):اعلی خرابی کی طاقت (10 × سلکان کی)، اعلی درجہ حرارت رواداری (آپریٹنگ درجہ حرارت> 200 ° C)۔

  • ہائی تھرمل چالکتا (≈3× سلکان):بہترین گرمی کی کھپت، اعلی نظام کی طاقت کی کثافت کو چالو کرنے کے.

  • کم سوئچنگ نقصان:پاور تبادلوں کی کارکردگی کو بہتر بناتا ہے۔

• نقصانات:

  • چیلنجنگ سبسٹریٹ کی تیاری:کرسٹل کی سست نمو (>1 ہفتہ)، مشکل خرابی پر قابو پانے (مائکرو پائپس، نقل مکانی)، انتہائی زیادہ قیمت (5–10× سلکان)۔

  • چھوٹے ویفر سائز:بنیادی طور پر 4-6 انچ؛ 8 انچ اب بھی ترقی کے تحت ہے۔

  • عمل کرنا مشکل:بہت مشکل (Mohs 9.5)، کاٹنے اور پالش کرنے میں وقت لگتا ہے۔

4. گیلیم نائٹرائڈ (GaN)

• درخواستیں:ہائی فریکوئنسی پاور ڈیوائسز (تیز چارجنگ، 5G بیس سٹیشنز)، بلیو ایل ای ڈی/لیزرز۔

• فوائد:

  • الٹرا ہائی الیکٹران موبلٹی + وسیع بینڈ گیپ (3.4 eV):اعلی تعدد (> 100 GHz) اور ہائی وولٹیج کی کارکردگی کو یکجا کرتا ہے۔

  • کم مزاحمت:ڈیوائس کے پاور نقصان کو کم کرتا ہے۔

  • Heteroepitaxy ہم آہنگ:عام طور پر سلیکون، نیلم، یا SiC سبسٹریٹس پر اگایا جاتا ہے، لاگت کو کم کرتا ہے۔

• نقصانات:

  • بلک سنگل کرسٹل ترقی مشکل:Heteroepitaxy مرکزی دھارے میں سے ایک ہے، لیکن جالی کی مماثلت نقائص کو متعارف کراتی ہے۔

  • اعلی قیمت:مقامی GaN سبسٹریٹس بہت مہنگے ہیں (ایک 2 انچ ویفر کی قیمت کئی ہزار امریکی ڈالر ہو سکتی ہے)۔

  • قابل اعتماد چیلنجز:موجودہ خاتمے جیسے مظاہر کو اصلاح کی ضرورت ہوتی ہے۔

5. انڈیم فاسفائیڈ (InP)

• درخواستیں:تیز رفتار آپٹیکل کمیونیکیشنز (لیزرز، فوٹو ڈیٹیکٹرز)، ٹیرا ہرٹز ڈیوائسز۔

• فوائد:

  • الٹرا ہائی الیکٹران کی نقل و حرکت:100 GHz آپریشن کو سپورٹ کرتا ہے، GaAs کو پیچھے چھوڑتا ہے۔

  • طول موج کے ملاپ کے ساتھ براہ راست بینڈ گیپ:1.3–1.55 μm آپٹیکل فائبر مواصلات کے لیے بنیادی مواد۔

• نقصانات:

  • ٹوٹنے والا اور بہت مہنگا:سبسٹریٹ کی قیمت 100× سلکان سے زیادہ ہے، محدود ویفر سائز (4–6 انچ)۔

6. نیلم (Al₂O₃)

• درخواستیں:LED لائٹنگ (GaN epitaxial substrate)، کنزیومر الیکٹرانکس کور گلاس۔

• فوائد:

  • کم قیمت:SiC/GaN سبسٹریٹس سے بہت سستا ہے۔

  • بہترین کیمیائی استحکام:سنکنرن مزاحم، انتہائی موصلیت.

  • شفافیت:عمودی ایل ای ڈی ڈھانچے کے لئے موزوں ہے۔

• نقصانات:

  • GaN (>13%):اعلی عیب کثافت کا سبب بنتا ہے، بفر تہوں کی ضرورت ہوتی ہے.

  • خراب تھرمل چالکتا (~ 1/20 سلکان):ہائی پاور ایل ای ڈی کی کارکردگی کو محدود کرتا ہے۔

7. سیرامک ​​سبسٹریٹس (AlN، BeO، وغیرہ)

• درخواستیں:ہائی پاور ماڈیولز کے لیے ہیٹ اسپریڈرز۔

• فوائد:

  • موصلیت + اعلی تھرمل چالکتا (AlN: 170–230 W/m·K):اعلی کثافت پیکیجنگ کے لئے موزوں ہے۔

• نقصانات:

  • غیر سنگل کرسٹل:آلہ کی ترقی کو براہ راست سپورٹ نہیں کر سکتا، صرف پیکیجنگ سبسٹریٹس کے طور پر استعمال ہوتا ہے۔

8. اسپیشل سبسٹریٹس

• SOI (انسولیٹر پر سلکان):

  • ساخت:Silicon/SiO₂/silicon سینڈوچ۔

  • فوائد:پرجیوی گنجائش، تابکاری سے سخت، رساو دبانے کو کم کرتا ہے (RF، MEMS میں استعمال کیا جاتا ہے)۔

  • نقصانات:بلک سلکان سے 30-50% زیادہ مہنگا ہے۔

• کوارٹز (SiO₂):فوٹو ماسک اور MEMS میں استعمال کیا جاتا ہے؛ اعلی درجہ حرارت کی مزاحمت لیکن بہت ٹوٹنے والی۔

• ہیرا:سب سے زیادہ تھرمل چالکتا سبسٹریٹ (>2000 W/m·K)، انتہائی گرمی کی کھپت کے لیے R&D کے تحت۔

تقابلی خلاصہ جدول

سبسٹریٹ کے انتخاب کے لیے کلیدی عوامل

• کارکردگی کی ضروریات:اعلی تعدد کے لیے GaAs/InP؛ ہائی وولٹیج، اعلی درجہ حرارت کے لیے SiC؛ آپٹو الیکٹرانکس کے لیے GaAs/InP/GaN۔

• لاگت کی پابندیاں:کنزیومر الیکٹرانکس سلکان کو پسند کرتے ہیں۔ اعلی درجے کی فیلڈز SiC/GaN پریمیم کا جواز پیش کر سکتی ہیں۔

• انضمام کی پیچیدگی:CMOS مطابقت کے لیے سلیکون ناقابل بدل رہتا ہے۔

• تھرمل مینجمنٹ:ہائی پاور ایپلی کیشنز SiC یا ڈائمنڈ پر مبنی GaN کو ترجیح دیتے ہیں۔

• سپلائی چین کی پختگی:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP۔

مستقبل کا رجحان

متضاد انضمام (مثال کے طور پر، GaN-on-Si، GaN-on-SiC) کارکردگی اور لاگت، 5G، الیکٹرک گاڑیوں، اور کوانٹم کمپیوٹنگ میں ڈرائیونگ کی ترقی میں توازن پیدا کرے گا۔