การเลือกใช้วัสดุในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์: ซิลิคอน, SiC, GaAs และแซฟไฟร์

สำหรับวิศวกรและผู้เชี่ยวชาญด้านการจัดซื้อจัดจ้างที่ผู้ผลิตอุปกรณ์ การเลือกซับสเตรตเวเฟอร์ที่เหมาะสมที่สุดเป็นการตัดสินใจขั้นพื้นฐานโดย-มีผลกระทบในวงกว้างต่อประสิทธิภาพ ต้นทุน และความสำเร็จของตลาด ในขณะที่ซิลิคอนยังคงเป็นกลไกที่ไม่มีปัญหาของอุตสาหกรรม การเพิ่มขึ้นของสารกึ่งตัวนำแบบผสม เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ควบคู่ไปกับวัสดุพิเศษ เช่น แซฟไฟร์ ได้ขยายชุดเครื่องมือของนักออกแบบ บทความนี้จะให้การเปรียบเทียบโดยละเอียดของวัสดุหลักเหล่านี้ การวิเคราะห์คุณสมบัติ การใช้งานในอุดมคติ และ-การแลกเปลี่ยนผลประโยชน์-ต้นทุนเพื่อเป็นแนวทางในการคัดเลือกของคุณ

1. ซิลิคอน: แกนหลักอเนกประสงค์
การครอบงำของซิลิคอนเกิดจากความสมดุลที่ยอดเยี่ยมของคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ ความอุดมสมบูรณ์ทางธรรมชาติ และระบบนิเวศการผลิตที่เติบโตเต็มที่และคุ้มค่า- เป็นตัวเลือกเริ่มต้นสำหรับวงจรรวม (IC) ไมโครโปรเซสเซอร์ ชิปหน่วยความจำ และเซลล์แสงอาทิตย์มาตรฐานส่วนใหญ่ เวเฟอร์ซิลิคอนสมัยใหม่นำเสนอความสามารถรอบด้านที่น่าทึ่ง โดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 12 นิ้ว พร้อมการวางแนวผลึกศาสตร์ที่หลากหลาย (เช่น<100>, <111>) ประเภทสารต้องห้าม (P/N) และช่วงความต้านทาน (จากต่ำไปสูง) กระบวนการต่างๆ เช่น การเติบโตของ Float-Zone (FZ) ทำให้ได้เวเฟอร์ที่มีความบริสุทธิ์สูง-เป็นพิเศษสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า ในขณะที่ข้อเสนอขั้นสูง เช่น เวเฟอร์ซิลิคอน-บน-ฉนวน (SOI) จะช่วยลดความจุและการรั่วไหลของปรสิต ทำให้มี-ประสิทธิภาพสูง การประมวลผลพลังงานต่ำ- และสวิตช์ RF

2. ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC): แชมป์ด้านพลังงานและความร้อน
SiC เป็นเซมิคอนดักเตอร์แบนด์แกป-แบบกว้างที่เป็นเลิศในสภาพแวดล้อมที่ซิลิคอนถึงขีดจำกัด ข้อได้เปรียบที่สำคัญ ได้แก่สนามไฟฟ้าพังสูงกว่าซิลิคอนเกือบ 10 เท่าและการนำความร้อนมากกว่าประมาณสามเท่า ซึ่งช่วยให้อุปกรณ์ที่ใช้ SiC- (เช่น MOSFET และไดโอด Schottky) ทำงานที่แรงดันไฟฟ้า ความถี่ และอุณหภูมิที่สูงขึ้นมาก โดยมีการสูญเสียการสลับที่ลดลงอย่างมาก โพลีไทป์หลักคือ 4H-SiC และ 6H-SiC โดยที่ 4H-N (ไนโตรเจน-เจือ) เป็นมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังส่วนใหญ่ แม้ว่าต้นทุนของเวเฟอร์ SiC จะสูงกว่าและเส้นผ่านศูนย์กลาง (ปัจจุบันคือกระแสหลักที่ 4 นิ้วและ 6 นิ้ว) น้อยกว่าของซิลิคอน แต่การประหยัดต้นทุนของระบบโดยรวมในการใช้งาน เช่น อินเวอร์เตอร์ของรถยนต์ไฟฟ้า มอเตอร์ขับเคลื่อนอุตสาหกรรม และการแปลงพลังงานหมุนเวียนก็เป็นสิ่งที่น่าสนใจ

3. แกลเลียม อาร์เซไนด์ (GaAs): ผู้เชี่ยวชาญด้าน RF และออปโต-
GaAs มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงและ bandgap โดยตรง ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีความถี่สูงและโฟโตนิก เป็นวัสดุที่เลือกใช้ความถี่วิทยุ (RF)ส่วนประกอบในสมาร์ทโฟน การสื่อสารผ่านดาวเทียม และระบบเรดาร์ ซึ่งสัญญาณรบกวนต่ำและประสิทธิภาพที่ความถี่ไมโครเวฟเป็นสิ่งสำคัญ bandgap โดยตรงยังทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์เช่น เลเซอร์ ไฟ LED ความสว่างสูง- และเซลล์แสงอาทิตย์สำหรับการใช้งานในอวกาศ เวเฟอร์ GaAs มีอยู่ในประเภทกึ่ง-ฉนวน (SI) สำหรับการแยก RF และประเภทเซมิคอนดักเตอร์สำหรับเลเยอร์อุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่ อย่างไรก็ตาม ความเปราะบาง ต้นทุนที่สูงขึ้น และความเป็นพิษในกระบวนการผลิตจำเป็นต้องมีการดูแลเป็นพิเศษ

4. แซฟไฟร์ (Al₂O₃): แพลตฟอร์มฉนวนที่แข็งแกร่ง
แซฟไฟร์ไม่ใช่เซมิคอนดักเตอร์ แต่เป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม โดยมีความแข็งแรงเชิงกล ความเฉื่อยทางเคมี และความโปร่งใสทางแสงที่โดดเด่น การใช้งานหลักคือเป็นสารตั้งต้นต่างกัน- การวางแนวที่พบบ่อยที่สุดคือแซฟไฟร์ระนาบ C- ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการปลูกชั้นแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) สำหรับไฟ LED สีน้ำเงิน/สีขาวและไดโอดเลเซอร์ นอกจากนี้ยังทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นสำหรับระบบเครื่องกลไฟฟ้า-ไมโคร- (MEMS) ตัวกรอง RF และหน้าต่างแสงที่ทนทาน แม้ว่าแลตทิซที่ไม่ตรงกันกับเซมิคอนดักเตอร์อย่าง GaN อาจทำให้เกิดข้อบกพร่องได้ แต่เทคนิคชั้นบัฟเฟอร์ขั้นสูงทำให้แซฟไฟร์เป็นแพลตฟอร์ม-ที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้สำหรับ-การผลิตอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมาก

การตัดสินใจเลือกเชิงกลยุทธ์
เมทริกซ์การคัดเลือกด้านล่างสรุป-กระบวนการตัดสินใจ:

ความร่วมมือเพื่อความสำเร็จทางวัตถุ
การสำรวจภูมิทัศน์ของวัสดุที่ซับซ้อนนี้ต้องการมากกว่าแค็ตตาล็อก ต้องการพันธมิตรที่มีความเชี่ยวชาญด้านเทคนิคเชิงลึกในพื้นผิวทั้งหมด ตั้งแต่การจัดหาเวเฟอร์ซิลิคอนความต้านทานสูง-มาตรฐานไปจนถึงการจัดหาเวเฟอร์ SiC (4H-N, 6H-SI), GaAs (กึ่ง-ฉนวน) และแซฟไฟร์ (C-ระนาบ, epi-พร้อมใช้) ที่ระบุอย่างแม่นยำ ซัพพลายเออร์-พอร์ตโฟลิโอเต็มรูปแบบอย่าง Sibranch Microelectronics ทำหน้าที่เป็นจุดเดียวของ ติดต่อ ด้วยสินค้าคงคลังที่กว้างขวางซึ่งรับประกันการจัดส่งตลอด 24 ชั่วโมงสำหรับสินค้ามาตรฐานหลายรายการ และความสามารถในการรองรับการวางแนวและข้อกำหนดที่กำหนดเอง พันธมิตรดังกล่าวช่วยให้ทีมวิศวกรของคุณสร้างสรรค์สิ่งใหม่ๆ ได้อย่างอิสระ ในขณะเดียวกันก็ทำให้การจัดซื้อและลอจิสติกส์ในห่วงโซ่อุปทานของคุณง่ายขึ้น