חומרי גלם עיקריים לייצור מוליכים למחצה: סוגי מצעי פרוסות

מצעי פרוסות כחומרים מרכזיים בהתקני מוליכים למחצה

מצעי פרוסות הם הנשאים הפיזיים של התקני מוליכים למחצה, ותכונות החומר שלהם קובעות ישירות את ביצועי ההתקן, העלות שלו ותחומי היישום שלו. להלן הסוגים העיקריים של מצעי פרוסות יחד עם יתרונותיהם וחסרונותיהם:

1.סיליקון (Si)

• נֶתַח שׁוּק:מהווה יותר מ-95% משוק המוליכים למחצה העולמי.

• יתרונות:

  • עלות נמוכה:שפע של חומרי גלם (סיליקון דו-חמצני), תהליכי ייצור בשלים וכלכלות גודל חזקות.

  • תאימות גבוהה לתהליכים:טכנולוגיית CMOS היא טכנולוגיה בוגרת מאוד, ותומכת בצמתים מתקדמים (למשל, 3nm).

  • איכות גביש מעולה:ניתן לגדל ופלים בקוטר גדול (בעיקר 12 אינץ', 18 אינץ' בפיתוח) עם צפיפות פגמים נמוכה.

  • תכונות מכניות יציבות:קל לחיתוך, ליטוש ולטפל.

• חסרונות:

  • פער אנרגיה צר (1.12 eV):זרם דליפה גבוה בטמפרטורות גבוהות, המגביל את יעילות התקן החשמל.

  • פער פס עקיף:יעילות פליטת אור נמוכה מאוד, אינה מתאימה להתקנים אופטואלקטרוניים כגון LED ולייזרים.

  • ניידות אלקטרונים מוגבלת:ביצועים נחותים בתדרים גבוהים בהשוואה למוליכים למחצה מורכבים.
    

2.גליום ארסניד (GaAs)

• יישומים:התקני RF בתדר גבוה (5G/6G), התקנים אופטואלקטרוניים (לייזרים, תאים סולאריים).

• יתרונות:

  • ניידות אלקטרונים גבוהה (פי 5-6 מזו של סיליקון):מתאים ליישומים במהירות גבוהה ובתדר גבוה כגון תקשורת גלי מילימטר.

  • פער אנרגיה ישיר (1.42 eV):המרה פוטואלקטרית ביעילות גבוהה, הבסיס של לייזרים אינפרא אדום ונורות LED.

  • עמידות לטמפרטורה גבוהה ולקרינה:מתאים לתעופה וחלל ולסביבות קשות.

• חסרונות:

  • עלות גבוהה:חומר נדיר, גדילת גבישים קשה (נוטה לתזוזות), גודל פרוסה מוגבל (בעיקר 6 אינץ').

  • מכניקה שבירה:נוטה לשברים, וכתוצאה מכך תפוקת עיבוד נמוכה.

  • רַעֲלָנוּת:ארסן דורש טיפול קפדני ובקרות סביבתיות.

3. סיליקון קרביד (SiC)

• יישומים:התקני חשמל בטמפרטורה גבוהה ובמתח גבוה (ממירי רכב חשמליים, תחנות טעינה), תעופה וחלל.

• יתרונות:

  • פער אנרגיה רחב (3.26 eV):חוזק פירוק גבוה (פי 10 מזה של סיליקון), עמידות לטמפרטורות גבוהות (טמפרטורת פעולה >200 מעלות צלזיוס).

  • מוליכות תרמית גבוהה (≈3× סיליקון):פיזור חום מעולה, המאפשר צפיפות הספק גבוהה יותר של המערכת.

  • אובדן מיתוג נמוך:משפר את יעילות המרת הספק.

• חסרונות:

  • הכנת מצע מאתגרת:גדילת גבישים איטית (מעל שבוע), בקרת פגמים קשה (מיקרו-צינורות, נקעים), עלות גבוהה במיוחד (5-10× סיליקון).

  • גודל ופל קטן:בעיקר 4–6 אינץ'; 8 אינץ' עדיין בפיתוח.

  • קשה לעיבוד:קשה מאוד (מוהס 9.5), מה שהופך את החיתוך והליטוש לגוזלי זמן.

4. גליום ניטריד (GaN)

• יישומים:התקני חשמל בתדר גבוה (טעינה מהירה, תחנות בסיס 5G), נוריות LED/לייזרים כחולים.

• יתרונות:

  • ניידות אלקטרונים גבוהה במיוחד + פער אנרגיה רחב (3.4 eV):משלב ביצועים בתדר גבוה (>100 GHz) וביצועים במתח גבוה.

  • התנגדות נמוכה במצב הפעלה:מפחית את אובדן החשמל של המכשיר.

  • תואם להטרואפיטקסיה:גדל בדרך כלל על מצעים של סיליקון, ספיר או SiC, מה שמפחית את העלות.

• חסרונות:

  • קשה לצמוח גביש בודד בכמות גדולה:הטרואפיטקסיה היא מיינסטרים, אך אי התאמה בסריג מובילה לפגמים.

  • עלות גבוהה:מצעים של GaN מקוריים יקרים מאוד (פרוסת 2 אינץ' יכולה לעלות כמה אלפי דולרים).

  • אתגרי אמינות:תופעות כמו קריסה נוכחית דורשות אופטימיזציה.

5. אינדיום פוספיד (InP)

• יישומים:תקשורת אופטית במהירות גבוהה (לייזרים, גלאי אור), התקני טרה-הרץ.

• יתרונות:

  • ניידות אלקטרונים גבוהה במיוחד:תומך בפעולה של >100 GHz, ועולה על ביצועי GaAs.

  • פער אנרגיה ישיר עם התאמת אורך גל:חומר ליבה לתקשורת סיבים אופטיים בעובי 1.3–1.55 מיקרון.

• חסרונות:

  • שביר ויקר מאוד:עלות המצע עולה על ×100 של סיליקון, גדלי פרוסות מוגבלים (4-6 אינץ').

6. ספיר (Al₂O₃)

• יישומים:תאורת LED (מצע אפיטקסיאלי GaN), זכוכית כיסוי למוצרי אלקטרוניקה צרכנית.

• יתרונות:

  • עלות נמוכה:הרבה יותר זול מאשר מצעים של SiC/GaN.

  • יציבות כימית מעולה:עמיד בפני קורוזיה, מבודד מאוד.

  • שְׁקִיפוּת:מתאים למבני LED אנכיים.

• חסרונות:

  • אי התאמה גדולה בסריג עם GaN (>13%):גורם לצפיפות פגמים גבוהה, הדורש שכבות חיץ.

  • מוליכות תרמית ירודה (~1/20 מסיליקון):מגביל את הביצועים של נורות LED בעלות הספק גבוה.

7. מצעים קרמיים (AlN, BeO וכו')

• יישומים:מפזרי חום עבור מודולים בעלי הספק גבוה.

• יתרונות:

  • בידוד + מוליכות תרמית גבוהה (AlN: 170–230 W/m·K):מתאים לאריזה בצפיפות גבוהה.

• חסרונות:

  • לא גביש יחיד:לא יכול לתמוך ישירות בגידול המכשיר, משמש רק כמצעי אריזה.

8. מצעים מיוחדים

• SOI (סיליקון על מבודד):

  • מִבְנֶה:כריך סיליקון/SiO₂/סיליקון.

  • יתרונות:מפחית קיבול טפילי, מוקשח בקרינה, דיכוי דליפות (בשימוש ב-RF, MEMS).

  • חסרונות:יקר יותר ב-30-50% מסיליקון בתפזורת.

• קוורץ (SiO₂):משמש בפוטומסכות וב-MEMS; עמידות בטמפרטורה גבוהה אך שביר מאוד.

• יַהֲלוֹם:מצע בעל מוליכות תרמית גבוהה ביותר (>2000 W/m·K), במחקר ופיתוח לפיזור חום קיצוני.

טבלת סיכום השוואתית

גורמים מרכזיים לבחירת מצע

• דרישות ביצועים:GaAs/InP לתדר גבוה; SiC למתח גבוה וטמפרטורה גבוהה; GaAs/InP/GaN לאופטואלקטרוניקה.

• אילוצי עלות:מוצרי אלקטרוניקה צרכניים מעדיפים סיליקון; תחומים יוקרתיים יכולים להצדיק מחירי SiC/GaN.

• מורכבות האינטגרציה:סיליקון נותר חיוני לתאימות CMOS.

• ניהול תרמי:יישומים בעלי הספק גבוה מעדיפים SiC או GaN מבוסס יהלום.

• בגרות שרשרת האספקה:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

מגמה עתידית

אינטגרציה הטרוגנית (למשל, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) תאזן בין ביצועים לעלות, ותניע התקדמות ב-5G, כלי רכב חשמליים ומחשוב קוונטי.