ویفر بستر نیمه هادی: خواص مواد سیلیکون، GaAs، SiC و GaN

01. مبانیویفر بستر نیمه هادی

1.1 تعریف زیرلایه نیمه هادی

زیرلایه نیمه هادی به مواد اولیه ای اطلاق می شود که در ساخت دستگاه های نیمه هادی استفاده می شود، معمولاً مواد تک کریستالی یا پلی کریستالی که توسط فناوری رشد کریستال بسیار خالص سازی شده ساخته می شوند. ویفرهای بستر معمولاً سازه‌های ورقه‌ای نازک و جامد هستند که دستگاه‌ها و مدارهای نیمه‌رسانای مختلفی روی آن‌ها ساخته می‌شوند. خلوص و کیفیت زیرلایه به طور مستقیم بر عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه نیمه هادی نهایی تأثیر می گذارد.

1.2 نقش و زمینه کاربرد ویفرهای بستر

ویفرهای بستر نقش حیاتی در فرآیند تولید نیمه هادی ایفا می کنند. به عنوان اساس دستگاه ها و مدارها، ویفرهای بستر نه تنها از ساختار کل دستگاه پشتیبانی می کنند، بلکه پشتیبانی لازم را در جنبه های الکتریکی، حرارتی و مکانیکی نیز ارائه می دهند. توابع اصلی آن عبارتند از:

پشتیبانی مکانیکی: یک شالوده ساختاری پایدار برای پشتیبانی از مراحل ساخت بعدی فراهم کنید.

مدیریت حرارتی: کمک به دفع گرما برای جلوگیری از تاثیر گرمای بیش از حد بر عملکرد دستگاه.

مشخصات الکتریکی: بر خواص الکتریکی دستگاه مانند رسانایی، تحرک حامل و غیره تأثیر می گذارد.

از نظر زمینه های کاربردی، ویفرهای بستر به طور گسترده در موارد زیر استفاده می شوند:

دستگاه های میکروالکترونیک: مانند مدارهای مجتمع (IC)، ریزپردازنده ها و غیره.

دستگاه های الکترونیکی نوری: مانند ال ای دی، لیزر، آشکارسازهای نوری و غیره.

دستگاه های الکترونیکی با فرکانس بالا: مانند تقویت کننده های RF، دستگاه های مایکروویو و غیره.

دستگاه های الکترونیکی قدرت: مانند مبدل برق، اینورتر و غیره.

02. مواد نیمه رسانا و خواص آنها

بستر سیلیکون (Si).

· تفاوت بین سیلیکون تک کریستال و سیلیکون پلی کریستالی:

سیلیکون متداول ترین ماده نیمه هادی است که عمدتاً به شکل سیلیکون تک کریستال و سیلیکون پلی کریستال است. سیلیکون تک کریستال از یک ساختار کریستالی پیوسته، با خلوص بالا و ویژگی های بدون نقص تشکیل شده است که برای دستگاه های الکترونیکی با کارایی بالا بسیار مناسب است. سیلیکون پلی کریستالی از چندین دانه تشکیل شده است و مرزهای دانه ای بین دانه ها وجود دارد. اگرچه هزینه ساخت پایین است، اما عملکرد الکتریکی ضعیف است، بنابراین معمولاً در برخی از سناریوهای کاربردی با کارایی پایین یا مقیاس بزرگ مانند سلول های خورشیدی استفاده می شود.

·خواص الکترونیکی و مزایای زیرلایه سیلیکون:

زیرلایه سیلیکون دارای خواص الکترونیکی خوبی است، مانند تحرک حامل بالا و شکاف انرژی متوسط ​​(1.1 eV)، که سیلیکون را به یک ماده ایده آل برای ساخت اکثر دستگاه های نیمه هادی تبدیل می کند.

علاوه بر این، بسترهای سیلیکونی دارای مزایای زیر هستند:

خلوص بالا: از طریق تکنیک های پیشرفته خالص سازی و رشد می توان سیلیکون تک کریستال با خلوص بسیار بالا را بدست آورد.

مقرون به صرفه بودن: در مقایسه با سایر مواد نیمه هادی، سیلیکون دارای هزینه کم و فرآیند تولید بالغ است.

تشکیل اکسید: سیلیکون به طور طبیعی می تواند لایه ای از دی اکسید سیلیکون (SiO2) را تشکیل دهد که می تواند به عنوان یک لایه عایق خوب در ساخت دستگاه عمل کند.

بستر آرسنید گالیم (GaAs).

· ویژگی های فرکانس بالا GaAs:

آرسنید گالیم یک نیمه هادی مرکب است که به دلیل تحرک الکترون بالا و گپ باند وسیع، به ویژه برای دستگاه های الکترونیکی با فرکانس بالا و سرعت بالا مناسب است. دستگاه های GaAs می توانند در فرکانس های بالاتر با راندمان بالاتر و سطوح نویز کمتر کار کنند. این باعث می شود GaAs یک ماده مهم در کاربردهای امواج مایکروویو و میلی متری باشد.

· کاربرد GaAs در اپتوالکترونیک و دستگاه های الکترونیکی با فرکانس بالا:

GaAs به دلیل باند گپ مستقیم آن به طور گسترده در دستگاه های الکترونیک نوری نیز استفاده می شود. به عنوان مثال، مواد GaAs به طور گسترده در ساخت LED و لیزر استفاده می شود. علاوه بر این، تحرک بالای الکترون GaAs باعث می شود در تقویت کننده های RF، دستگاه های مایکروویو و تجهیزات ارتباطی ماهواره ای عملکرد خوبی داشته باشد.

بستر کاربید سیلیکون (SiC).

· خاصیت هدایت حرارتی و قدرت بالای SiC:

کاربید سیلیکون یک نیمه هادی با فاصله باند وسیع با هدایت حرارتی عالی و میدان الکتریکی با شکست زیاد است. این ویژگی ها SiC را برای کاربردهای با قدرت و دمای بالا بسیار مناسب می کند. دستگاه های SiC می توانند در ولتاژها و دمای چندین برابر بیشتر از دستگاه های سیلیکونی به طور پایدار کار کنند.

· مزایای SiC در دستگاه های الکترونیکی قدرت:

بسترهای SiC مزایای قابل توجهی در دستگاه های الکترونیکی قدرت نشان می دهند، مانند تلفات سوئیچینگ کمتر و راندمان بالاتر. این باعث می شود SiC در کاربردهای تبدیل توان بالا مانند وسایل نقلیه الکتریکی، اینورترهای بادی و خورشیدی محبوبیت فزاینده ای پیدا کند. علاوه بر این، SiC به دلیل مقاومت در برابر دمای بالا به طور گسترده ای در کنترل هوافضا و صنعتی استفاده می شود.

زیرلایه نیترید گالیم (GaN).

· تحرک الکترون بالا و خواص نوری GaN:

نیترید گالیم یکی دیگر از نیمه هادی های پهن باند با تحرک الکترون بسیار بالا و خواص نوری قوی است. تحرک بالای الکترون GaN آن را در کاربردهای فرکانس بالا و توان بالا بسیار کارآمد می کند. در همان زمان، GaN می تواند نور را در محدوده فرابنفش تا مرئی ساطع کند که برای انواع دستگاه های الکترونیک نوری مناسب است.

· کاربرد GaN در دستگاه های برق و نوری:

در زمینه الکترونیک قدرت، دستگاه‌های GaN در منابع تغذیه سوئیچینگ و تقویت‌کننده‌های RF به دلیل میدان الکتریکی شکستگی زیاد و مقاومت کم در هنگام روشن شدن، برتری دارند. در عین حال، GaN همچنین نقش مهمی در دستگاه های الکترونیکی نوری، به ویژه در ساخت LED ها و دیودهای لیزری ایفا می کند و باعث پیشرفت فناوری های روشنایی و نمایشگر می شود.

· پتانسیل مواد در حال ظهور در نیمه هادی ها:

با توسعه علم و فناوری، مواد نیمه رسانای نوظهور مانند اکسید گالیوم (Ga2O3) و الماس پتانسیل زیادی از خود نشان داده اند. اکسید گالیوم دارای یک باند گپ فوق عریض (4.9 eV) است و برای دستگاه های الکترونیکی پرقدرت بسیار مناسب است، در حالی که الماس به دلیل حرارتی عالی، ماده ایده آلی برای نسل بعدی کاربردهای پرقدرت و فرکانس بالا محسوب می شود. رسانایی و تحرک حامل بسیار بالا. انتظار می‌رود این مواد جدید نقش مهمی در دستگاه‌های الکترونیکی و الکترونیکی آینده داشته باشند.

03. فرآیند تولید ویفر

3.1 فناوری رشد ویفرهای بستر

3.1.1 روش Czochralski (روش CZ)

روش Czochralski متداول ترین روش برای ساخت ویفرهای سیلیکونی تک کریستال است. این کار با فرو بردن یک کریستال بذر در سیلیکون مذاب و سپس بیرون کشیدن آهسته آن انجام می شود، به طوری که سیلیکون مذاب روی کریستال دانه متبلور شده و به یک بلور تبدیل می شود. این روش می تواند سیلیکون تک کریستالی با اندازه بزرگ و با کیفیت بالا تولید کند که برای ساخت مدارهای مجتمع در مقیاس بزرگ بسیار مناسب است.

3.1.2 روش بریجمن

روش بریگمن معمولاً برای رشد نیمه هادی های ترکیبی مانند آرسنید گالیم استفاده می شود. در این روش، مواد اولیه را تا حالت مذاب در یک بوته حرارت داده و سپس به آرامی سرد می‌کنند تا یک بلور تشکیل شود. روش بریگمن می تواند سرعت رشد و جهت کریستال را کنترل کند و برای تولید نیمه هادی های مرکب پیچیده مناسب است.

3.1.3 اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE)

اپیتاکسی پرتو مولکولی یک فناوری است که برای رشد لایه های نیمه هادی بسیار نازک بر روی بسترها استفاده می شود. با کنترل دقیق پرتوهای مولکولی عناصر مختلف در محیط خلاء فوق العاده بالا و قرار دادن لایه به لایه آنها بر روی بستر، لایه های کریستالی با کیفیت بالا را تشکیل می دهد. فناوری MBE به ویژه برای ساخت نقاط کوانتومی با دقت بالا و ساختارهای نازک ناهمگونی مناسب است.

3.1.4 رسوب بخار شیمیایی (CVD)

رسوب بخار شیمیایی یک فناوری رسوب لایه نازک است که به طور گسترده در ساخت نیمه هادی ها و سایر مواد با کارایی بالا استفاده می شود. CVD پیش سازهای گازی را تجزیه می کند و آنها را روی سطح بستر رسوب می دهد تا یک فیلم جامد تشکیل دهد. فناوری CVD می تواند فیلم هایی با ضخامت و ترکیب بسیار کنترل شده تولید کند که برای ساخت دستگاه های پیچیده بسیار مناسب است.

3.2 برش و پرداخت ویفر

3.2.1 تکنولوژی برش ویفر سیلیکونی

پس از تکمیل رشد کریستال، کریستال بزرگ به برش های نازک بریده می شود تا به ویفر تبدیل شود. برش ویفر سیلیکونی معمولاً از تیغه های اره الماسی یا فناوری اره سیمی برای اطمینان از دقت برش و کاهش تلفات مواد استفاده می کند. فرآیند برش باید دقیقاً کنترل شود تا اطمینان حاصل شود که ضخامت و صافی سطح ویفر مطابق با الزامات است.

------------------------------------------------ ------------------------------------------------ ------------------------------------------------ ------------------------------------------------ ------------------------------------------------ ----------------------------------------

VeTek Semiconductor یک تولید کننده حرفه ای چینی استویفر SiC نوع p با محور 4 درجه خاموش, بستر SiC نوع 4H N، وزیرلایه SiC از نوع نیمه عایق 4H.  VeTek Semiconductor متعهد به ارائه راه حل های پیشرفته برای موارد مختلف استویفر SiCمحصولات برای صنعت نیمه هادی. 

اگر علاقه مند هستیدویفر بستر نیمه هادیs، لطفاً مستقیماً با ما تماس بگیرید.

موب: +86-180 6922 0752

Whatsapp: +86 180 6922 0752

ایمیل: anny@veteksemi.com