المواد الخام الرئيسية لإنتاج أشباه الموصلات: أنواع ركائز الرقاقات

ركائز الرقاقات كمواد أساسية في أجهزة أشباه الموصلات

تُعدّ ركائز الرقاقات الحاملات المادية لأجهزة أشباه الموصلات، وتؤثر خصائصها المادية بشكل مباشر على أداء الجهاز وتكلفته ومجالات استخدامه. فيما يلي الأنواع الرئيسية لركائز الرقاقات، بالإضافة إلى مزاياها وعيوبها:

1.السيليكون (Si)

• الحصة السوقية:تمثل أكثر من 95% من سوق أشباه الموصلات العالمي.

• المزايا:

  • منخفضة التكلفة:المواد الخام الوفيرة (ثاني أكسيد السيليكون)، وعمليات التصنيع الناضجة، واقتصادات الحجم القوية.

  • توافق عالي مع العمليات:تتمتع تقنية CMOS بقدر كبير من النضج، حيث تدعم العقد المتقدمة (على سبيل المثال، 3 نانومتر).

  • جودة الكريستال ممتازة:يمكن زراعة رقائق ذات قطر كبير (12 بوصة في الغالب، 18 بوصة قيد التطوير) ذات كثافة عيوب منخفضة.

  • الخصائص الميكانيكية المستقرة:سهلة القطع والتلميع والتعامل.

• العيوب:

  • فجوة النطاق الضيقة (1.12 إلكترون فولت):ارتفاع تيار التسرب في درجات الحرارة المرتفعة، مما يحد من كفاءة جهاز الطاقة.

  • فجوة النطاق غير المباشرة:كفاءة انبعاث الضوء منخفضة للغاية، وغير مناسبة للأجهزة البصرية الإلكترونية مثل مصابيح LED والليزر.

  • حركة الإلكترون المحدودة:أداء التردد العالي أقل من أداء أشباه الموصلات المركبة.
    

2.زرنيخيد الغاليوم (GaAs)

• التطبيقات:أجهزة التردد اللاسلكي عالية التردد (5G/6G)، والأجهزة البصرية الإلكترونية (الليزر، والخلايا الشمسية).

• المزايا:

  • قدرة عالية على الحركة الإلكترونية (5-6 أضعاف قدرة السيليكون):مناسب للتطبيقات عالية السرعة وعالية التردد مثل الاتصالات بالموجات المليمترية.

  • فجوة النطاق المباشرة (1.42 إلكترون فولت):تحويل ضوئي كهربائي عالي الكفاءة، وهو أساس الليزر تحت الأحمر ومصابيح LED.

  • مقاومة درجات الحرارة العالية والإشعاع:مناسب لمجالات الطيران والبيئات القاسية.

• العيوب:

  • التكلفة العالية:مادة نادرة، نمو بلوري صعب (عرضة للخلع)، حجم رقاقة محدود (6 بوصات في الغالب).

  • ميكانيكا هشة:عرضة للكسر، مما يؤدي إلى انخفاض إنتاجية المعالجة.

  • سمية:يتطلب الزرنيخ التعامل الصارم والضوابط البيئية.

3. كربيد السيليكون (SiC)

• التطبيقات:أجهزة الطاقة ذات درجة الحرارة العالية والجهد العالي (محولات السيارات الكهربائية، ومحطات الشحن)، والفضاء الجوي.

• المزايا:

  • فجوة النطاق العريض (3.26 إلكترون فولت):قوة انهيار عالية (10 أضعاف قوة السيليكون)، وتحمل درجات الحرارة العالية (درجة حرارة التشغيل >200 درجة مئوية).

  • الموصلية الحرارية العالية (≈3× السيليكون):تبديد ممتاز للحرارة، مما يتيح كثافة طاقة أعلى للنظام.

  • خسارة التبديل المنخفضة:تحسين كفاءة تحويل الطاقة.

• العيوب:

  • إعداد الركيزة الصعبة:نمو البلورات البطيء (>1 أسبوع)، وصعوبة التحكم في العيوب (الأنابيب الدقيقة، والخلع)، والتكلفة المرتفعة للغاية (5-10 × السيليكون).

  • حجم الرقاقة الصغيرة:بشكل أساسي 4-6 بوصة؛ 8 بوصة لا يزال قيد التطوير.

  • صعب المعالجة:صلبة جدًا (موهس 9.5)، مما يجعل عملية القطع والتلميع تستغرق وقتًا طويلاً.

4. نتريد الغاليوم (GaN)

• التطبيقات:أجهزة الطاقة عالية التردد (الشحن السريع، محطات القاعدة 5G)، مصابيح LED/الليزر الزرقاء.

• المزايا:

  • حركة إلكترونية عالية للغاية + فجوة نطاق واسعة (3.4 إلكترون فولت):يجمع بين الأداء عالي التردد (>100 جيجاهرتز) والأداء عالي الجهد.

  • مقاومة منخفضة:يقلل من فقدان طاقة الجهاز.

  • متوافق مع التباين غير المتجانس:يتم زراعتها عادة على ركائز السيليكون أو الياقوت أو SiC، مما يقلل التكلفة.

• العيوب:

  • نمو البلورات المفردة بكميات كبيرة أمر صعب:يعتبر التماثل غير المتجانس هو السائد، ولكن عدم تطابق الشبكة يؤدي إلى ظهور عيوب.

  • التكلفة العالية:تعتبر ركائز GaN الأصلية باهظة الثمن للغاية (يمكن أن تكلف رقاقة مقاس 2 بوصة عدة آلاف من الدولارات الأمريكية).

  • تحديات الموثوقية:تتطلب الظواهر مثل الانهيار الحالي التحسين.

5. فوسفيد الإنديوم (InP)

• التطبيقات:الاتصالات البصرية عالية السرعة (الليزر، أجهزة الكشف الضوئية)، وأجهزة التيراهيرتز.

• المزايا:

  • حركة الإلكترونات عالية جدًا:يدعم تشغيل >100 جيجاهرتز، متفوقًا على GaAs.

  • فجوة النطاق المباشرة مع مطابقة الطول الموجي:مادة أساسية لاتصالات الألياف الضوئية 1.3–1.55 ميكرومتر.

• العيوب:

  • هشة ومكلفة للغاية:تكلفة الركيزة تتجاوز 100× سيليكون، وأحجام الرقاقة محدودة (4-6 بوصة).

6. الياقوت (Al₂O₃)

• التطبيقات:إضاءة LED (ركيزة GaN الطلائية)، غطاء زجاجي للإلكترونيات الاستهلاكية.

• المزايا:

  • منخفضة التكلفة:أرخص بكثير من ركائز SiC/GaN.

  • استقرار كيميائي ممتاز:مقاوم للتآكل، عازل بدرجة عالية.

  • الشفافية:مناسب للهياكل LED العمودية.

• العيوب:

  • عدم تطابق شبكي كبير مع GaN (>13٪):يسبب كثافة عالية من العيوب، مما يتطلب طبقات عازلة.

  • الموصلية الحرارية الضعيفة (~1/20 من السيليكون):يحد من أداء مصابيح LED عالية الطاقة.

7. الركائز الخزفية (AlN، BeO، إلخ.)

• التطبيقات:موزعات الحرارة للوحدات ذات القدرة العالية.

• المزايا:

  • عازل + موصلية حرارية عالية (AlN: 170–230 W/m·K):مناسبة للتغليف عالي الكثافة.

• العيوب:

  • غير بلوري مفرد:لا يمكن دعم نمو الجهاز بشكل مباشر، ويُستخدم فقط كركائز للتغليف.

8. ركائز خاصة

• SOI (السيليكون على العازل):

  • بناء:ساندويتش السيليكون/SiO₂/السيليكون.

  • المزايا:يقلل من السعة الطفيلية، ويقاوم الإشعاع، ويمنع التسرب (يستخدم في RF وMEMS).

  • العيوب:أغلى من السيليكون بالجملة بنسبة 30-50%.

• الكوارتز (SiO₂):يستخدم في أقنعة الصور والأنظمة الميكروميكانيكية الصغرى؛ يتمتع بمقاومته لدرجات الحرارة العالية ولكنه هش للغاية.

• الماس:أعلى ركيزة للتوصيل الحراري (>2000 واط / م · ك)، قيد البحث والتطوير لتبديد الحرارة القصوى.

جدول الملخص المقارن

العوامل الرئيسية لاختيار الركيزة

• متطلبات الأداء:GaAs/InP للترددات العالية؛ SiC للجهد العالي ودرجة الحرارة العالية؛ GaAs/InP/GaN للإلكترونيات الضوئية.

• قيود التكلفة:تفضل الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية السيليكون؛ ويمكن للمجالات الراقية تبرير ارتفاع أسعار SiC/GaN.

• تعقيد التكامل:يظل السيليكون غير قابل للاستغناء عنه فيما يتعلق بتوافق CMOS.

• الإدارة الحرارية:تفضل التطبيقات عالية الطاقة استخدام SiC أو GaN القائم على الماس.

• نضج سلسلة التوريد:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

الاتجاه المستقبلي

سوف يعمل التكامل غير المتجانس (على سبيل المثال، GaN-on-Si وGaN-on-SiC) على تحقيق التوازن بين الأداء والتكلفة، مما يؤدي إلى التقدم في مجال تقنية الجيل الخامس والمركبات الكهربائية والحوسبة الكمومية.