अर्धचालक उत्पादन के लिए प्रमुख कच्चे माल: वेफर सबस्ट्रेट्स के प्रकार

अर्धचालक उपकरणों में प्रमुख सामग्री के रूप में वेफर सब्सट्रेट

वेफर सबस्ट्रेट्स अर्धचालक उपकरणों के भौतिक वाहक होते हैं, और उनके भौतिक गुण सीधे उपकरण के प्रदर्शन, लागत और अनुप्रयोग क्षेत्रों को निर्धारित करते हैं। नीचे वेफर सबस्ट्रेट्स के मुख्य प्रकार, उनके फायदे और नुकसान के साथ दिए गए हैं:

1.सिलिकॉन (Si)

• बाजार में हिस्सेदारी:वैश्विक सेमीकंडक्टर बाजार में 95% से अधिक की हिस्सेदारी है।

• लाभ:

  • कम लागत:प्रचुर मात्रा में कच्चा माल (सिलिकॉन डाइऑक्साइड), परिपक्व विनिर्माण प्रक्रियाएं, और पैमाने की मजबूत अर्थव्यवस्थाएं।

  • उच्च प्रक्रिया संगतता:CMOS प्रौद्योगिकी अत्यधिक परिपक्व है, जो उन्नत नोड्स (जैसे, 3nm) का समर्थन करती है।

  • उत्कृष्ट क्रिस्टल गुणवत्ता:कम दोष घनत्व वाले बड़े व्यास वाले वेफर्स (मुख्यतः 12 इंच, 18 इंच विकासाधीन) उगाए जा सकते हैं।

  • स्थिर यांत्रिक गुण:काटने, पॉलिश करने और संभालने में आसान।

• नुकसान:

  • संकीर्ण बैंडगैप (1.12 eV):ऊंचे तापमान पर उच्च रिसाव धारा, विद्युत उपकरण की दक्षता को सीमित करती है।

  • अप्रत्यक्ष बैंडगैप:बहुत कम प्रकाश उत्सर्जन दक्षता, एलईडी और लेजर जैसे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए अनुपयुक्त।

  • सीमित इलेक्ट्रॉन गतिशीलता:यौगिक अर्धचालकों की तुलना में निम्न उच्च आवृत्ति प्रदर्शन।
    

2.गैलियम आर्सेनाइड (GaAs)

• अनुप्रयोग:उच्च आवृत्ति आरएफ उपकरण (5G/6G), ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण (लेजर, सौर सेल)।

• लाभ:

  • उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता (सिलिकॉन की 5–6 गुना अधिक):मिलीमीटर-तरंग संचार जैसे उच्च गति, उच्च आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त।

  • प्रत्यक्ष बैंडगैप (1.42 eV):उच्च दक्षता वाला फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण, इन्फ्रारेड लेजर और एल.ई.डी. का आधार।

  • उच्च तापमान और विकिरण प्रतिरोध:एयरोस्पेस और कठोर वातावरण के लिए उपयुक्त।

• नुकसान:

  • उच्च लागत:दुर्लभ सामग्री, कठिन क्रिस्टल विकास (विस्थापन की संभावना), सीमित वेफर आकार (मुख्य रूप से 6 इंच)।

  • भंगुर यांत्रिकी:फ्रैक्चर की संभावना, जिसके परिणामस्वरूप प्रसंस्करण उपज कम होती है।

  • विषाक्तता:आर्सेनिक के लिए सख्त प्रबंधन और पर्यावरण नियंत्रण की आवश्यकता होती है।

3. सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)

• अनुप्रयोग:उच्च तापमान और उच्च वोल्टेज बिजली उपकरण (ईवी इनवर्टर, चार्जिंग स्टेशन), एयरोस्पेस।

• लाभ:

  • विस्तृत बैंडगैप (3.26 eV):उच्च विखंडन शक्ति (सिलिकॉन की तुलना में 10×), उच्च तापमान सहनशीलता (ऑपरेटिंग तापमान >200 °C)।

  • उच्च तापीय चालकता (≈3× सिलिकॉन):उत्कृष्ट ताप अपव्यय, उच्चतर प्रणाली शक्ति घनत्व को सक्षम बनाता है।

  • कम स्विचिंग हानि:बिजली रूपांतरण दक्षता में सुधार.

• नुकसान:

  • चुनौतीपूर्ण सब्सट्रेट तैयारी:धीमी क्रिस्टल वृद्धि (>1 सप्ताह), कठिन दोष नियंत्रण (माइक्रोपाइप, अव्यवस्था), अत्यधिक उच्च लागत (5-10 × सिलिकॉन)।

  • छोटे वेफर आकार:मुख्यतः 4-6 इंच; 8 इंच अभी भी विकासाधीन है।

  • प्रक्रिया करना कठिन:बहुत कठोर (मोहस 9.5), जिससे काटने और पॉलिश करने में समय लगता है।

4. गैलियम नाइट्राइड (GaN)

• अनुप्रयोग:उच्च आवृत्ति वाले पावर उपकरण (फास्ट चार्जिंग, 5G बेस स्टेशन), नीली LED/लेजर।

• लाभ:

  • अति-उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता + विस्तृत बैंडगैप (3.4 eV):उच्च आवृत्ति (>100 गीगाहर्ट्ज) और उच्च वोल्टेज प्रदर्शन को जोड़ता है।

  • कम प्रतिरोध:डिवाइस की बिजली हानि को कम करता है.

  • हेटेरोएपिटेक्सी संगत:आमतौर पर सिलिकॉन, नीलम, या SiC सब्सट्रेट पर उगाया जाता है, जिससे लागत कम हो जाती है।

• नुकसान:

  • थोक एकल-क्रिस्टल विकास कठिन:हेटेरोएपिटेक्सी मुख्यधारा है, लेकिन जाली बेमेल दोष उत्पन्न करती है।

  • उच्च लागत:मूल GaN सबस्ट्रेट्स बहुत महंगे हैं (2 इंच के वेफर की कीमत कई हजार अमेरिकी डॉलर हो सकती है)।

  • विश्वसनीयता चुनौतियाँ:वर्तमान पतन जैसी घटनाओं के लिए अनुकूलन की आवश्यकता होती है।

5. इंडियम फॉस्फाइड (InP)

• अनुप्रयोग:उच्च गति ऑप्टिकल संचार (लेज़र, फोटोडिटेक्टर), टेराहर्ट्ज़ उपकरण।

• लाभ:

  • अति-उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता:>100 GHz संचालन का समर्थन करता है, GaAs से बेहतर प्रदर्शन करता है।

  • तरंगदैर्ध्य मिलान के साथ प्रत्यक्ष बैंडगैप:1.3–1.55 μm ऑप्टिकल फाइबर संचार के लिए कोर सामग्री।

• नुकसान:

  • भंगुर और बहुत महंगा:सब्सट्रेट की लागत 100× सिलिकॉन से अधिक है, वेफर का आकार सीमित है (4-6 इंच)।

6. नीलम (Al₂O₃)

• अनुप्रयोग:एलईडी प्रकाश व्यवस्था (GaN एपिटैक्सियल सब्सट्रेट), उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स कवर ग्लास।

• लाभ:

  • कम लागत:SiC/GaN सबस्ट्रेट्स की तुलना में बहुत सस्ता।

  • उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता:संक्षारण प्रतिरोधी, अत्यधिक इन्सुलेटिंग।

  • पारदर्शिता:ऊर्ध्वाधर एलईडी संरचनाओं के लिए उपयुक्त।

• नुकसान:

  • GaN के साथ बड़ा जाली बेमेल (>13%):उच्च दोष घनत्व का कारण बनता है, जिसके लिए बफर परतों की आवश्यकता होती है।

  • खराब तापीय चालकता (सिलिकॉन का ~1/20):उच्च-शक्ति एल.ई.डी. के प्रदर्शन को सीमित करता है।

7. सिरेमिक सब्सट्रेट (AlN, BeO, आदि)

• अनुप्रयोग:उच्च शक्ति मॉड्यूल के लिए हीट स्प्रेडर्स।

• लाभ:

  • इन्सुलेटिंग + उच्च तापीय चालकता (AlN: 170–230 W/m·K):उच्च घनत्व पैकेजिंग के लिए उपयुक्त.

• नुकसान:

  • गैर-एकल-क्रिस्टल:डिवाइस के विकास को सीधे समर्थन नहीं दे सकता, केवल पैकेजिंग सब्सट्रेट के रूप में उपयोग किया जाता है।

8. विशेष सब्सट्रेट

• एसओआई (सिलिकॉन ऑन इंसुलेटर):

  • संरचना:सिलिकॉन/SiO₂/सिलिकॉन सैंडविच।

  • लाभ:परजीवी धारिता, विकिरण-कठोरता, रिसाव दमन (आरएफ, एमईएमएस में प्रयुक्त) को कम करता है।

  • नुकसान:थोक सिलिकॉन की तुलना में 30-50% अधिक महंगा।

• क्वार्ट्ज़ (SiO₂):फोटोमास्क और एमईएमएस में प्रयुक्त; उच्च तापमान प्रतिरोधी लेकिन बहुत भंगुर।

• हीरा:उच्चतम तापीय चालकता वाला सब्सट्रेट (>2000 W/m·K), अत्यधिक ताप अपव्यय के लिए अनुसंधान एवं विकास के अंतर्गत।

तुलनात्मक सारांश तालिका

सब्सट्रेट चयन के लिए प्रमुख कारक

• प्रदर्शन आवश्यकताएँ:उच्च आवृत्ति के लिए GaAs/InP; उच्च वोल्टेज, उच्च तापमान के लिए SiC; ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के लिए GaAs/InP/GaN।

• लागत बाधाएँ:उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स सिलिकॉन को प्राथमिकता देते हैं; उच्च-स्तरीय क्षेत्र SiC/GaN प्रीमियम को उचित ठहरा सकते हैं।

• एकीकरण जटिलता:CMOS संगतता के लिए सिलिकॉन अपूरणीय बना हुआ है।

• थर्मल प्रबंधन:उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में SiC या हीरा-आधारित GaN को प्राथमिकता दी जाती है।

• आपूर्ति श्रृंखला परिपक्वता:Si > नीलमणि > GaAs > SiC > GaN > InP.

भविष्य की प्रवृत्ति

विषम एकीकरण (जैसे, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) प्रदर्शन और लागत को संतुलित करेगा, जिससे 5G, इलेक्ट्रिक वाहन और क्वांटम कंप्यूटिंग में प्रगति को बढ़ावा मिलेगा।