අර්ධ සන්නායක නිෂ්පාදනය සඳහා ප්‍රධාන අමුද්‍රව්‍ය: වේෆර් උපස්ථර වර්ග

අර්ධ සන්නායක උපාංගවල ප්‍රධාන ද්‍රව්‍ය ලෙස වේෆර් උපස්ථර

වේෆර් උපස්ථර යනු අර්ධ සන්නායක උපාංගවල භෞතික වාහක වන අතර, ඒවායේ ද්‍රව්‍යමය ගුණාංග උපාංගයේ ක්‍රියාකාරිත්වය, පිරිවැය සහ යෙදුම් ක්ෂේත්‍ර සෘජුවම තීරණය කරයි. වේෆර් උපස්ථරවල ප්‍රධාන වර්ග සහ ඒවායේ වාසි සහ අවාසි පහත දැක්වේ:

1.සිලිකන් (Si)

• වෙළඳපොල පංගුව:ගෝලීය අර්ධ සන්නායක වෙළඳපොළෙන් 95% කට වඩා වැඩි ප්‍රමාණයක් හිමිකර ගනී.

• වාසි:

  • අඩු පිරිවැය:බහුල අමුද්‍රව්‍ය (සිලිකන් ඩයොක්සයිඩ්), පරිණත නිෂ්පාදන ක්‍රියාවලීන් සහ ශක්තිමත් පරිමාණ ආර්ථිකයන්.

  • ඉහළ ක්‍රියාවලි අනුකූලතාව:CMOS තාක්ෂණය ඉතා පරිණතයි, උසස් නෝඩ් (උදා: 3nm) සඳහා සහය දක්වයි.

  • විශිෂ්ට ස්ඵටික ගුණාත්මකභාවය:අඩු දෝෂ ඝනත්වයක් සහිත විශාල විෂ්කම්භයක් සහිත වේෆර් (ප්‍රධාන වශයෙන් අඟල් 12, අඟල් 18 සංවර්ධනය වෙමින් පවතී) වගා කළ හැක.

  • ස්ථාවර යාන්ත්‍රික ගුණාංග:කැපීමට, ඔප දැමීමට සහ හැසිරවීමට පහසුය.

• අවාසි:

  • පටු කලාප පරතරය (1.12 eV):ඉහළ උෂ්ණත්වවලදී ඉහළ කාන්දු ධාරාවක්, බල උපාංග කාර්යක්ෂමතාව සීමා කිරීම.

  • වක්‍ර කලාප පරතරය:ඉතා අඩු ආලෝක විමෝචන කාර්යක්ෂමතාව, LED සහ ලේසර් වැනි දෘශ්‍ය ඉලෙක්ට්‍රොනික උපාංග සඳහා නුසුදුසුය.

  • සීමිත ඉලෙක්ට්‍රෝන සංචලනය:සංයුක්ත අර්ධ සන්නායක හා සසඳන විට අඩු අධි-සංඛ්‍යාත කාර්ය සාධනය.
    

2.ගැලියම් ආසනයිඩ් (GaAs)

• අයදුම්පත්:අධි-සංඛ්‍යාත RF උපාංග (5G/6G), දෘෂ්ටි ඉලෙක්ට්‍රොනික උපාංග (ලේසර්, සූර්ය කෝෂ).

• වාසි:

  • ඉහළ ඉලෙක්ට්‍රෝන සංචලතාව (සිලිකන් වලට වඩා 5–6×):මිලිමීටර තරංග සන්නිවේදනය වැනි අධිවේගී, අධි-සංඛ්‍යාත යෙදුම් සඳහා සුදුසු වේ.

  • සෘජු කලාප පරතරය (1.42 eV):අධෝරක්ත ලේසර් සහ LED වල පදනම වන ඉහළ කාර්යක්ෂමතා ප්‍රකාශ විද්‍යුත් පරිවර්තනය.

  • ඉහළ උෂ්ණත්වය සහ විකිරණ ප්‍රතිරෝධය:අභ්‍යවකාශ හා කටුක පරිසර සඳහා සුදුසු ය.

• අවාසි:

  • ඉහළ පිරිවැය:හිඟ ද්‍රව්‍ය, දුෂ්කර ස්ඵටික වර්ධනය (විස්ථාපනයට ලක්වීමේ ප්‍රවණතාව), සීමිත වේෆර් ප්‍රමාණය (ප්‍රධාන වශයෙන් අඟල් 6).

  • බිඳෙන සුළු යාන්ත්‍ර විද්‍යාව:අස්ථි බිඳීම් වලට ගොදුරු වීමේ ප්‍රවණතාවයක් ඇති අතර, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස සැකසුම් අස්වැන්න අඩු වේ.

  • විෂ වීම:ආසනික් සඳහා දැඩි හැසිරවීමක් සහ පාරිසරික පාලනයක් අවශ්‍ය වේ.

3. සිලිකන් කාබයිඩ් (SiC)

• අයදුම්පත්:අධි-උෂ්ණත්ව සහ අධි-වෝල්ටීයතා බල උපාංග (EV ඉන්වර්ටර්, ආරෝපණ ස්ථාන), අභ්‍යවකාශ.

• වාසි:

  • පුළුල් කලාප පරතරය (3.26 eV):ඉහළ බිඳවැටීමේ ශක්තිය (සිලිකන් වලට වඩා 10×), ඉහළ උෂ්ණත්ව ඉවසීම (මෙහෙයුම් උෂ්ණත්වය >200 °C).

  • ඉහළ තාප සන්නායකතාවය (≈3× සිලිකන්):විශිෂ්ට තාප විසර්ජනය, ඉහළ පද්ධති බල ඝනත්වයක් සක්‍රීය කරයි.

  • අඩු මාරුවීමේ පාඩුව:බල පරිවර්තන කාර්යක්ෂමතාව වැඩි දියුණු කරයි.

• අවාසි:

  • අභියෝගාත්මක උපස්ථර සකස් කිරීම:මන්දගාමී ස්ඵටික වර්ධනය (> සති 1), දුෂ්කර දෝෂ පාලනය (ක්ෂුද්‍ර පයිප්ප, විස්ථාපනය), අතිශයින් ඉහළ පිරිවැය (5–10× සිලිකන්).

  • කුඩා වේෆර් ප්‍රමාණය:ප්‍රධාන වශයෙන් අඟල් 4–6; අඟල් 8 තවමත් සංවර්ධනය වෙමින් පවතී.

  • සැකසීමට අපහසුයි:ඉතා අමාරුයි (මොහ්ස් 9.5), කැපීම සහ ඔප දැමීම කාලය ගතවන කාර්යයක්.

4. ගැලියම් නයිට්‍රයිඩ් (GaN)

• අයදුම්පත්:අධි-සංඛ්‍යාත බල උපාංග (වේගවත් ආරෝපණය, 5G මූලික ස්ථාන), නිල් LED/ලේසර්.

• වාසි:

  • අතිශය ඉහළ ඉලෙක්ට්‍රෝන සංචලතාව + පුළුල් කලාප පරතරය (3.4 eV):අධි-සංඛ්‍යාත (>100 GHz) සහ අධි-වෝල්ටීයතා කාර්ය සාධනය ඒකාබද්ධ කරයි.

  • අඩු ප්‍රතිරෝධය:උපාංගයේ බල අලාභය අඩු කරයි.

  • හෙටෙරොපිටැක්සි අනුකූල:සාමාන්‍යයෙන් සිලිකන්, නිල් මැණික් හෝ SiC උපස්ථර මත වගා කරන අතර එමඟින් පිරිවැය අඩු වේ.

• අවාසි:

  • තොග තනි-ස්ඵටික වර්ධනය දුෂ්කර:Heteroepitaxy ප්‍රධාන ධාරාවේ පවතී, නමුත් දැලිස් නොගැලපීම දෝෂ හඳුන්වා දෙයි.

  • ඉහළ පිරිවැය:දේශීය GaN උපස්ථර ඉතා මිල අධිකයි (අඟල් 2 ක වේෆරයක් ඇමරිකානු ඩොලර් දහස් ගණනක් වැය විය හැකිය).

  • විශ්වසනීයත්වය පිළිබඳ අභියෝග:ධාරාව බිඳවැටීම වැනි සංසිද්ධි සඳහා ප්‍රශස්තිකරණය අවශ්‍ය වේ.

5. ඉන්ඩියම් පොස්ෆයිඩ් (InP)

• අයදුම්පත්:අධිවේගී දෘශ්‍ය සන්නිවේදනය (ලේසර්, ෆොටෝඩෙටෙක්ටර්), ටෙරාහර්ට්ස් උපාංග.

• වාසි:

  • අතිශය ඉහළ ඉලෙක්ට්‍රෝන සංචලනය:GaAs අභිබවා යමින්, >100 GHz ක්‍රියාකාරිත්වයට සහය දක්වයි.

  • තරංග ආයාම ගැළපීම සහිත සෘජු කලාප පරතරය:1.3–1.55 μm දෘශ්‍ය තන්තු සන්නිවේදනය සඳහා මූලික ද්‍රව්‍ය.

• අවාසි:

  • බිඳෙන සුළු සහ ඉතා මිල අධික:උපස්ථර පිරිවැය 100× සිලිකන් ඉක්මවයි, සීමිත වේෆර් ප්‍රමාණ (අඟල් 4–6).

6. නිල් මැණික් (Al₂O₃)

• අයදුම්පත්:LED ආලෝකකරණය (GaN එපිටැක්සියල් උපස්ථරය), පාරිභෝගික ඉලෙක්ට්‍රොනික ආවරණ වීදුරු.

• වාසි:

  • අඩු පිරිවැය:SiC/GaN උපස්ථර වලට වඩා බෙහෙවින් ලාභදායී.

  • විශිෂ්ට රසායනික ස්ථායිතාව:විඛාදනයට ඔරොත්තු දෙන, ඉහළ පරිවාරක.

  • විනිවිදභාවය:සිරස් LED ව්‍යුහයන් සඳහා සුදුසු වේ.

• අවාසි:

  • GaN (>13%) සමඟ විශාල දැලිස් නොගැලපීම:ඉහළ දෝෂ ඝනත්වයක් ඇති කරයි, බෆර ස්ථර අවශ්‍ය වේ.

  • දුර්වල තාප සන්නායකතාවය (සිලිකන් වලින් ~1/20):අධි බලැති LED වල ක්‍රියාකාරිත්වය සීමා කරයි.

7. සෙරමික් උපස්ථර (AlN, BeO, ආදිය)

• අයදුම්පත්:අධි බල මොඩියුල සඳහා තාප පැතිරීම්.

• වාසි:

  • පරිවාරක + ඉහළ තාප සන්නායකතාවය (AlN: 170–230 W/m·K):ඉහළ ඝනත්ව ඇසුරුම් සඳහා සුදුසු වේ.

• අවාසි:

  • ඒක-ස්ඵටික නොවන:උපාංග වර්ධනයට සෘජුවම සහාය විය නොහැක, ඇසුරුම් උපස්ථර ලෙස පමණක් භාවිතා වේ.

8. විශේෂ උපස්ථර

• SOI (පරිවාරකය මත සිලිකන්):

  • ව්‍යුහය:සිලිකන්/SiO₂/සිලිකන් සැන්ඩ්විච්.

  • වාසි:පරපෝෂිත ධාරිතාව, විකිරණ-දැඩි කිරීම, කාන්දු වීම මර්දනය කිරීම (RF, MEMS වල භාවිතා වේ) අඩු කරයි.

  • අවාසි:තොග සිලිකන් වලට වඩා 30–50% කින් මිල අධිකයි.

• ක්වාර්ට්ස් (SiO₂):ෆොටෝමාස්ක් සහ MEMS වල භාවිතා වේ; ඉහළ උෂ්ණත්ව ප්‍රතිරෝධී නමුත් ඉතා බිඳෙන සුළුය.

• දියමන්ති:අධික තාප විසර්ජනය සඳහා පර්යේෂණ සහ සංවර්ධන යටතේ ඉහළම තාප සන්නායකතා උපස්ථරය (>2000 W/m·K).

සංසන්දනාත්මක සාරාංශ වගුව

උපස්ථරය තෝරා ගැනීම සඳහා ප්‍රධාන සාධක

• කාර්ය සාධන අවශ්‍යතා:අධි-සංඛ්‍යාත සඳහා GaAs/InP; අධි-වෝල්ටීයතා, අධි-උෂ්ණත්වය සඳහා SiC; දෘෂ්ටි ඉලෙක්ට්‍රොනික සඳහා GaAs/InP/GaN.

• පිරිවැය සීමාවන්:පාරිභෝගික ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ සිලිකන් වලට කැමැත්තක් දක්වයි; ඉහළ මට්ටමේ ක්ෂේත්‍ර SiC/GaN වාරික සාධාරණීකරණය කළ හැකිය.

• ඒකාබද්ධ කිරීමේ සංකීර්ණතාව:CMOS අනුකූලතාව සඳහා සිලිකන් අත්‍යවශ්‍ය දෙයක් ලෙස පවතී.

• තාප කළමනාකරණය:අධි බලැති යෙදුම් SiC හෝ දියමන්ති මත පදනම් වූ GaN වලට වැඩි කැමැත්තක් දක්වයි.

• සැපයුම් දාම පරිණතභාවය:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

අනාගත ප්‍රවණතාවය

විෂමජාතීය ඒකාබද්ධතාවය (උදා: GaN-on-Si, GaN-on-SiC) කාර්ය සාධනය සහ පිරිවැය සමතුලිත කරනු ඇත, 5G, විදුලි වාහන සහ ක්වොන්ටම් පරිගණකකරණයේ දියුණුව මෙහෙයවනු ඇත.