Erdieroaleen ekoizpenerako lehengai nagusiak: oblea-substratuen motak

Oblea-substratuak erdieroaleen gailuetako material gako gisa

Oblea-substratuak erdieroale-gailuen euskarri fisikoak dira, eta haien materialen propietateek zuzenean zehazten dituzte gailuaren errendimendua, kostua eta aplikazio-eremuak. Jarraian, oblea-substratu mota nagusiak azaltzen dira, haien abantailak eta desabantailak barne:

1.Silizioa (Si)

• Merkatu-kuota:Munduko erdieroaleen merkatuaren % 95 baino gehiago hartzen du.

• Abantailak:

  • Kostu baxua:Lehengai ugari (silizio dioxidoa), fabrikazio-prozesu helduak eta eskala-ekonomia sendoak.

  • Prozesuen bateragarritasun handia:CMOS teknologia oso heldua da, nodo aurreratuak (adibidez, 3nm) onartzen ditu.

  • Kristalaren kalitate bikaina:Akats-dentsitate txikiko diametro handiko obleak (batez ere 12 hazbetekoak, 18 hazbetekoak garapen fasean) haz daitezke.

  • Ezaugarri mekaniko egonkorrak:Erraza moztu, leundu eta maneiatzeko.

• Desabantailak:

  • Banda-tarte estua (1,12 eV):Tenperatura altuetan ihes-korronte handia, potentzia-gailuen eraginkortasuna mugatuz.

  • Zeharkako banda-tartea:Argi-igorpenaren eraginkortasun oso baxua, desegokia LED eta laser bezalako gailu optoelektronikoetarako.

  • Elektroi-mugikortasun mugatua:Maiztasun handiko errendimendua erdieroale konposatuekin alderatuta.
    

2.Galio arseniuroa (GaAs)

• Aplikazioak:Maiztasun handiko RF gailuak (5G/6G), gailu optoelektronikoak (laserrak, eguzki-zelulak).

• Abantailak:

  • Elektroi-mugikortasun handia (silizioarena baino 5-6 aldiz handiagoa):Abiadura handiko eta maiztasun handiko aplikazioetarako egokia, hala nola milimetro-uhinen komunikaziorako.

  • Banda-tarte zuzena (1.42 eV):Eraginkortasun handiko bihurketa fotoelektrikoa, infragorri laserren eta LEDen oinarria.

  • Tenperatura altuarekiko eta erradiazioarekiko erresistentzia:Egokia aeroespazialerako eta ingurune gogorretarako.

• Desabantailak:

  • Kostu handia:Material urria, kristalen hazkuntza zaila (dislokazioetarako joera), oblearen tamaina mugatua (batez ere 6 hazbetekoa).

  • Mekanika hauskorra:Haustura-joera du, eta ondorioz prozesatzeko etekin txikia du.

  • Toxikotasuna:Artsenikoak manipulazio zorrotza eta ingurumen-kontrolak behar ditu.

3. Silizio karburoa (SiC)

• Aplikazioak:Tenperatura altuko eta tentsio altuko potentzia-gailuak (ibilgailu elektrikoen inbertsoreak, kargatzeko estazioak), aeroespaziala.

• Abantailak:

  • Banda-tarte zabala (3,26 eV):Matxura-erresistentzia handia (silizioarena baino 10 aldiz handiagoa), tenperatura altuko tolerantzia (funtzionamendu-tenperatura >200 °C).

  • Eroankortasun termiko handia (≈3× silizioa):Beroa xahutzeko aukera bikaina, sistemaren potentzia-dentsitate handiagoa ahalbidetuz.

  • Kommutazio-galera txikia:Energia-bihurketaren eraginkortasuna hobetzen du.

• Desabantailak:

  • Substratuaren prestaketa zaila:Kristalen hazkunde motela (>1 aste), akatsen kontrol zaila (mikrohodiak, dislokazioak), kostu oso altua (5-10× silizioa).

  • Oblea txikiaren tamaina:Batez ere 4-6 hazbetekoa; 8 hazbetekoa oraindik garapen fasean dago.

  • Zaila prozesatzea:Oso gogorra (Mohs 9.5), eta horrek mozketa eta leuntzea denbora asko eskatzen du.

4. Galio nitruroa (GaN)

• Aplikazioak:Maiztasun handiko potentzia gailuak (kargatze azkarra, 5G oinarrizko estazioak), LED/laser urdinak.

• Abantailak:

  • Elektroi-mugikortasun ultra-handia + banda-tarte zabala (3,4 eV):Maiztasun handiko (>100 GHz) eta tentsio handiko errendimendua konbinatzen ditu.

  • Erresistentzia baxua:Gailuaren energia-galera murrizten du.

  • Heteroepitaxia bateragarria:Siliziozko, zafirozko edo SiC substratuetan hazten da normalean, kostua murriztuz.

• Desabantailak:

  • Kristal bakarreko hazkunde masiboa zaila:Heteroepitaxia ohikoa da, baina sare-desadostasunak akatsak dakartza.

  • Kostu handia:GaN substratu natiboak oso garestiak dira (2 hazbeteko oblea batek milaka dolar balio dezake).

  • Fidagarritasun erronkak:Uneko kolapsoa bezalako fenomenoek optimizazioa behar dute.

5. Indio fosfuroa (InP)

• Aplikazioak:Abiadura handiko komunikazio optikoak (laserrak, fotodetektagailuak), terahertzeko gailuak.

• Abantailak:

  • Elektroi-mugikortasun ultra-handia:100 GHz baino gehiagoko funtzionamendua onartzen du, GaAs baino errendimendu hobea lortuz.

  • Uhin-luzeraren egokitzapenarekin banda-tarte zuzena:1,3–1,55 μm-ko zuntz optikozko komunikazioetarako nukleo-materiala.

• Desabantailak:

  • Hauskorra eta oso garestia:Substratuaren kostua silizioa baino 100 aldiz handiagoa da, obleen tamaina mugatua (4-6 hazbete).

6. Zafiroa (Al₂O₃)

• Aplikazioak:LED argiztapena (GaN epitaxial substratua), kontsumo elektronikako estalki beira.

• Abantailak:

  • Kostu baxua:SiC/GaN substratuak baino askoz merkeagoa.

  • Egonkortasun kimiko bikaina:Korrosioarekiko erresistentea, isolatzaile handia.

  • Gardentasuna:LED egitura bertikaletarako egokia.

• Desabantailak:

  • GaN-rekin sare-desadostasun handia (>% 13):Akatsen dentsitate handia eragiten du, eta buffer geruzak behar ditu.

  • Eroankortasun termiko eskasa (silizioaren ~1/20):Potentzia handiko LEDen errendimendua mugatzen du.

7. Zeramikazko substratuak (AlN, BeO, etab.)

• Aplikazioak:Potentzia handiko moduluetarako bero-hedagailuak.

• Abantailak:

  • Isolatzailea + eroankortasun termiko handia (AlN: 170–230 W/m·K):Dentsitate handiko ontziratzeko egokia.

• Desabantailak:

  • Kristal bakarrekoak ez direnak:Ezin du gailuen hazkundea zuzenean lagundu, ontziratzeko substratu gisa soilik erabiltzen da.

8. Substratu bereziak

• SOI (Silizioa Isolatzaile gainean):

  • Egitura:Silizio/SiO₂/silizio ogitartekoa.

  • Abantailak:Kapazitantzia parasitoa murrizten du, erradiazioarekiko gogortua, ihesak kentzen ditu (RF, MEMS-etan erabiltzen da).

  • Desabantailak:Silizio masiboa baino % 30-50 garestiagoa.

• Kuartzoa (SiO₂):Fotomaskaretan eta MEMSetan erabiltzen da; tenperatura altuko erresistentzia baina oso hauskorra.

• Diamantea:Eroankortasun termiko handiko substratua (>2000 W/m·K), I+G fasean beroa xahutzeko.

Laburpen-taula konparatiboa

Substratua hautatzeko faktore nagusiak

• Errendimendu-eskakizunak:GaAs/InP maiztasun handikoetarako; SiC tentsio handiko eta tenperatura handikoetarako; GaAs/InP/GaN optoelektronikarako.

• Kostu mugak:Kontsumo-elektronikakoek silizioa nahiago dute; goi-mailako eremuek SiC/GaN primak justifika ditzakete.

• Integrazioaren konplexutasuna:Silizioa ordezkaezina da CMOS bateragarritasunerako.

• Kudeaketa termikoa:Potentzia handiko aplikazioek SiC edo diamantean oinarritutako GaN nahiago dituzte.

• Hornikuntza-katearen heldutasuna:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Etorkizuneko joera

Integrazio heterogeneoak (adibidez, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) errendimendua eta kostua orekatuko ditu, 5G, ibilgailu elektriko eta konputazio kuantikoan aurrerapenak bultzatuz.