સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદન માટે મુખ્ય કાચો માલ: વેફર સબસ્ટ્રેટ્સના પ્રકારો

સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોમાં મુખ્ય સામગ્રી તરીકે વેફર સબસ્ટ્રેટ્સ

વેફર સબસ્ટ્રેટ્સ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોના ભૌતિક વાહક છે, અને તેમના ભૌતિક ગુણધર્મો સીધા ઉપકરણ પ્રદર્શન, કિંમત અને એપ્લિકેશન ક્ષેત્રો નક્કી કરે છે. નીચે વેફર સબસ્ટ્રેટ્સના મુખ્ય પ્રકારો તેમના ફાયદા અને ગેરફાયદા સાથે છે:

1.સિલિકોન (Si)

• બજાર હિસ્સો:વૈશ્વિક સેમિકન્ડક્ટર બજારના 95% થી વધુ હિસ્સો ધરાવે છે.

• ફાયદા:

  • ઓછી કિંમત:વિપુલ પ્રમાણમાં કાચો માલ (સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ), પરિપક્વ ઉત્પાદન પ્રક્રિયાઓ અને મજબૂત સ્કેલ અર્થતંત્ર.

  • ઉચ્ચ પ્રક્રિયા સુસંગતતા:CMOS ટેકનોલોજી ખૂબ જ પરિપક્વ છે, જે અદ્યતન નોડ્સ (દા.ત., 3nm) ને સપોર્ટ કરે છે.

  • ઉત્તમ સ્ફટિક ગુણવત્તા:ઓછી ખામી ઘનતાવાળા મોટા વ્યાસના વેફર્સ (મુખ્યત્વે ૧૨-ઇંચ, ૧૮-ઇંચ વિકાસ હેઠળ) ઉગાડી શકાય છે.

  • સ્થિર યાંત્રિક ગુણધર્મો:કાપવા, પોલિશ કરવા અને હેન્ડલ કરવામાં સરળ.

• ગેરફાયદા:

  • સાંકડી બેન્ડગેપ (1.12 eV):ઊંચા તાપમાને ઉચ્ચ લિકેજ પ્રવાહ, પાવર ઉપકરણની કાર્યક્ષમતાને મર્યાદિત કરે છે.

  • પરોક્ષ બેન્ડગેપ:ખૂબ જ ઓછી પ્રકાશ ઉત્સર્જન કાર્યક્ષમતા, LED અને લેસર જેવા ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો માટે અયોગ્ય.

  • મર્યાદિત ઇલેક્ટ્રોન ગતિશીલતા:કમ્પાઉન્ડ સેમિકન્ડક્ટર્સની તુલનામાં ઉચ્ચ-આવર્તન કામગીરી ઓછી.
    

2.ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (GaAs)

• અરજીઓ:ઉચ્ચ-આવર્તન RF ઉપકરણો (5G/6G), ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો (લેસરો, સૌર કોષો).

• ફાયદા:

  • ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રોન ગતિશીલતા (સિલિકોન કરતા 5-6×):મિલિમીટર-તરંગ સંચાર જેવા હાઇ-સ્પીડ, હાઇ-ફ્રીક્વન્સી એપ્લિકેશનો માટે યોગ્ય.

  • ડાયરેક્ટ બેન્ડગેપ (1.42 eV):ઉચ્ચ-કાર્યક્ષમતા ફોટોઇલેક્ટ્રિક રૂપાંતર, ઇન્ફ્રારેડ લેસરો અને એલઈડીનો પાયો.

  • ઉચ્ચ તાપમાન અને કિરણોત્સર્ગ પ્રતિકાર:એરોસ્પેસ અને કઠોર વાતાવરણ માટે યોગ્ય.

• ગેરફાયદા:

  • ઊંચી કિંમત:દુર્લભ સામગ્રી, મુશ્કેલ સ્ફટિક વૃદ્ધિ (અવ્યવસ્થા થવાની સંભાવના), મર્યાદિત વેફર કદ (મુખ્યત્વે 6-ઇંચ).

  • બરડ મિકેનિક્સ:ફ્રેક્ચર થવાની સંભાવના, જેના પરિણામે પ્રક્રિયામાં ઘટાડો થાય છે.

  • ઝેરીતા:આર્સેનિકને કડક સંભાળ અને પર્યાવરણીય નિયંત્રણોની જરૂર છે.

3. સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC)

• અરજીઓ:ઉચ્ચ-તાપમાન અને ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ પાવર ઉપકરણો (EV ઇન્વર્ટર, ચાર્જિંગ સ્ટેશન), એરોસ્પેસ.

• ફાયદા:

  • પહોળો બેન્ડગેપ (3.26 eV):ઉચ્ચ ભંગાણ શક્તિ (સિલિકોન કરતા 10×), ઉચ્ચ-તાપમાન સહિષ્ણુતા (ઓપરેટિંગ તાપમાન >200 °C).

  • ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા (≈3× સિલિકોન):ઉત્તમ ગરમીનું વિસર્જન, ઉચ્ચ સિસ્ટમ પાવર ઘનતાને સક્ષમ બનાવે છે.

  • ઓછું સ્વિચિંગ નુકસાન:પાવર રૂપાંતર કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરે છે.

• ગેરફાયદા:

  • પડકારજનક સબસ્ટ્રેટ તૈયારી:સ્ફટિકની ધીમી વૃદ્ધિ (> 1 અઠવાડિયું), મુશ્કેલ ખામી નિયંત્રણ (માઈક્રોપાઈપ્સ, ડિસલોકેશન), અત્યંત ઊંચી કિંમત (5-10× સિલિકોન).

  • નાનું વેફર કદ:મુખ્યત્વે 4-6 ઇંચ; 8-ઇંચ હજુ વિકાસ હેઠળ છે.

  • પ્રક્રિયા કરવામાં મુશ્કેલ:ખૂબ જ કઠણ (મોહસ ૯.૫), જેના કારણે કાપવા અને પોલિશ કરવામાં ઘણો સમય લાગે છે.

4. ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડ (GaN)

• અરજીઓ:ઉચ્ચ-આવર્તન પાવર ઉપકરણો (ઝડપી ચાર્જિંગ, 5G બેઝ સ્ટેશન), વાદળી LED/લેસરો.

• ફાયદા:

  • અતિ-ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રોન ગતિશીલતા + પહોળો બેન્ડગેપ (3.4 eV):ઉચ્ચ-આવર્તન (> 100 GHz) અને ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ પ્રદર્શનને જોડે છે.

  • ઓછી પ્રતિકારકતા:ઉપકરણનો પાવર લોસ ઘટાડે છે.

  • હેટરોએપિટેક્ષી સુસંગત:સામાન્ય રીતે સિલિકોન, નીલમ અથવા SiC સબસ્ટ્રેટ પર ઉગાડવામાં આવે છે, જેનાથી ખર્ચ ઓછો થાય છે.

• ગેરફાયદા:

  • બલ્ક સિંગલ-ક્રિસ્ટલ વૃદ્ધિ મુશ્કેલ:હેટરોએપિટેક્ષી મુખ્ય પ્રવાહ છે, પરંતુ જાળીની અસંગતતા ખામીઓ રજૂ કરે છે.

  • ઊંચી કિંમત:મૂળ GaN સબસ્ટ્રેટ ખૂબ મોંઘા હોય છે (2-ઇંચના વેફરની કિંમત ઘણા હજાર USD હોઈ શકે છે).

  • વિશ્વસનીયતા પડકારો:વર્તમાન પતન જેવી ઘટનાને ઑપ્ટિમાઇઝેશનની જરૂર છે.

5. ઇન્ડિયમ ફોસ્ફાઇડ (InP)

• અરજીઓ:હાઇ-સ્પીડ ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન્સ (લેસરો, ફોટોડિટેક્ટર), ટેરાહર્ટ્ઝ ઉપકરણો.

• ફાયદા:

  • અતિ-ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રોન ગતિશીલતા:૧૦૦ ગીગાહર્ટ્ઝથી વધુ કામગીરીને સપોર્ટ કરે છે, જે GaAs કરતાં વધુ સારું પ્રદર્શન કરે છે.

  • તરંગલંબાઇ મેચિંગ સાથે ડાયરેક્ટ બેન્ડગેપ:૧.૩–૧.૫૫ μm ઓપ્ટિકલ ફાઇબર સંચાર માટે મુખ્ય સામગ્રી.

• ગેરફાયદા:

  • બરડ અને ખૂબ ખર્ચાળ:સબસ્ટ્રેટનો ખર્ચ 100× સિલિકોન કરતાં વધી જાય છે, મર્યાદિત વેફર કદ (4-6 ઇંચ).

૬. નીલમ (Al₂O₃)

• અરજીઓ:LED લાઇટિંગ (GaN એપિટેક્સિયલ સબસ્ટ્રેટ), કન્ઝ્યુમર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ કાચને આવરી લે છે.

• ફાયદા:

  • ઓછી કિંમત:SiC/GaN સબસ્ટ્રેટ કરતાં ઘણું સસ્તું.

  • ઉત્તમ રાસાયણિક સ્થિરતા:કાટ પ્રતિરોધક, ખૂબ જ ઇન્સ્યુલેટીંગ.

  • પારદર્શિતા:ઊભી LED રચનાઓ માટે યોગ્ય.

• ગેરફાયદા:

  • GaN (>13%) સાથે મોટી જાળીનો મેળ ખાતો નથી:ઉચ્ચ ખામી ઘનતાનું કારણ બને છે, જેના કારણે બફર સ્તરોની જરૂર પડે છે.

  • નબળી થર્મલ વાહકતા (~1/20 સિલિકોન):ઉચ્ચ-શક્તિવાળા LEDs ના પ્રદર્શનને મર્યાદિત કરે છે.

7. સિરામિક સબસ્ટ્રેટ્સ (AlN, BeO, વગેરે)

• અરજીઓ:હાઇ-પાવર મોડ્યુલ્સ માટે હીટ સ્પ્રેડર્સ.

• ફાયદા:

  • ઇન્સ્યુલેટીંગ + ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા (AlN: 170–230 W/m·K):ઉચ્ચ ઘનતાવાળા પેકેજિંગ માટે યોગ્ય.

• ગેરફાયદા:

  • નોન-સિંગલ-ક્રિસ્ટલ:ઉપકરણ વૃદ્ધિને સીધી રીતે સમર્થન આપી શકતું નથી, ફક્ત પેકેજિંગ સબસ્ટ્રેટ તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે.

8. ખાસ સબસ્ટ્રેટ્સ

• SOI (ઇન્સ્યુલેટર પર સિલિકોન):

  • માળખું:સિલિકોન/SiO₂/સિલિકોન સેન્ડવિચ.

  • ફાયદા:પરોપજીવી કેપેસીટન્સ, રેડિયેશન-કઠણ, લિકેજ સપ્રેસન (RF, MEMS માં વપરાય છે) ઘટાડે છે.

  • ગેરફાયદા:બલ્ક સિલિકોન કરતાં 30-50% વધુ ખર્ચાળ.

• ક્વાર્ટઝ (SiO₂):ફોટોમાસ્ક અને MEMS માં વપરાય છે; ઉચ્ચ-તાપમાન પ્રતિકારક પરંતુ ખૂબ જ બરડ.

• ડાયમંડ:અત્યંત ગરમીના વિસર્જન માટે સંશોધન અને વિકાસ હેઠળ, સૌથી વધુ થર્મલ વાહકતા સબસ્ટ્રેટ (>2000 W/m·K).

તુલનાત્મક સારાંશ કોષ્ટક

સબસ્ટ્રેટ પસંદગી માટેના મુખ્ય પરિબળો

• કામગીરીની આવશ્યકતાઓ:ઉચ્ચ-આવર્તન માટે GaAs/InP; ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ, ઉચ્ચ-તાપમાન માટે SiC; ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક્સ માટે GaAs/InP/GaN.

• ખર્ચ મર્યાદાઓ:કન્ઝ્યુમર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સિલિકોનને પસંદ કરે છે; ઉચ્ચ-સ્તરીય ક્ષેત્રો SiC/GaN પ્રીમિયમને યોગ્ય ઠેરવી શકે છે.

• એકીકરણ જટિલતા:CMOS સુસંગતતા માટે સિલિકોન અનિવાર્ય રહે છે.

• થર્મલ મેનેજમેન્ટ:ઉચ્ચ-શક્તિવાળા એપ્લિકેશનો SiC અથવા હીરા-આધારિત GaN પસંદ કરે છે.

• સપ્લાય ચેઇન પરિપક્વતા:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

ભવિષ્યનો ટ્રેન્ડ

વિજાતીય એકીકરણ (દા.ત., GaN-on-Si, GaN-on-SiC) કામગીરી અને ખર્ચને સંતુલિત કરશે, 5G, ઇલેક્ટ્રિક વાહનો અને ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગમાં પ્રગતિને આગળ ધપાવશે.