Yarı İletken Üretiminde Temel Hammaddeler: Yonga Alt Katmanlarının Türleri

Yonga alt katmanları, yarı iletken cihazların fiziksel taşıyıcıları olarak hizmet eder ve malzeme özellikleri doğrudan cihaz performansını, maliyetini ve uygulama kapsamını etkiler. Aşağıda, başlıca yonga alt katman türleri ve bunların avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır:

1. Silisyum (Si)

Pazar Payı: Küresel yarı iletken pazarının %95'inden fazlasına hakimdir.

Avantajları:

• Düşük Maliyet: Bol miktarda hammadde (silisyum dioksit) ve olgun üretim süreçleri, önemli ölçek ekonomileri sağlar.
• Yüksek İşlem Uyumluluğu: Son derece olgun CMOS teknolojisi, nanometre ölçekli imalatı (örneğin, 3nm düğümleri) destekler.
• Mükemmel Kristal Kalitesi: Büyük boyutlu (birincil 12 inç, geliştirme aşamasında 18 inç) düşük kusurlu tek kristaller üretebilir.
• Kararlı Mekanik Özellikler: Kesilmesi, parlatılması ve işlenmesi kolaydır.

Dezavantajları:

• Dar Bant Aralığı (1.12 eV): Yüksek sıcaklıklarda yüksek kaçak akım, güç cihazlarında verimliliği sınırlar.
• Dolaylı Bant Aralığı: Son derece düşük ışık emisyon verimliliği, optoelektronik cihazlar (örneğin, LED'ler, lazerler) için uygun değildir.
• Sınırlı Elektron Hareketliliği: Bileşik yarı iletkenlere kıyasla daha düşük yüksek frekans performansı.

ZMSH'nin silisyum yongaları

2. Galyum Arsenit (GaAs)

Uygulamalar: Yüksek frekanslı RF cihazları (5G/6G), optoelektronik cihazlar (lazerler, güneş pilleri).

Avantajları:

• Yüksek Elektron Hareketliliği (silisyumun 5–6×'si): Yüksek hızlı, yüksek frekanslı uygulamalar (mmWave iletişim) için idealdir.
• Doğrudan Bant Aralığı (1.42 eV): Verimli fotoelektrik dönüşüm, kızılötesi lazerlerin ve LED'lerin temelini oluşturur.
• Termal/Radyasyon Direnci: Havacılık ve yüksek sıcaklık ortamları için uygundur.

Dezavantajları:

• Yüksek Maliyet: Nadir malzeme, karmaşık kristal büyümesi (dislokasyonlara eğilimli); yonga boyutları küçüktür (birincil 6 inç).
• Mekanik Kırılganlık: Parçalanmaya eğilimli, düşük işleme verimi ile sonuçlanır.
• Toksisite: Arsenik kullanımı için sıkı kontrol gereklidir.

ZMSH'nin GaAs yongaları

3. Silisyum Karbür (SiC)

Uygulamalar: Yüksek sıcaklık/yüksek voltajlı güç cihazları (EV invertörleri, şarj yığınları), havacılık.

Avantajları:

• Geniş Bant Aralığı (3.26 eV): Yüksek voltajlara dayanır (bozunum alan gücü silisyumun 10×'i) ve >200°C'de çalışır.
• Yüksek Termal İletkenlik (silisyumun 3×'ü): Verimli ısı dağılımı, sistem güç yoğunluğunu artırır.
• Düşük Anahtarlama Kayıpları: Güç dönüşüm verimliliğini artırır.

Dezavantajları:

• Zorlu Alt Katman Hazırlığı: Yavaş kristal büyümesi (>1 hafta) ve zor kusur kontrolü (mikro tüpler, dislokasyonlar); maliyetler silisyumun 5–10×'i.
• Küçük Yonga Boyutları: Ana akım 4–6 inç; 8 inç geliştirme devam ediyor.
• Zor İşleme: Yüksek sertlik (Mohs 9.5), kesme ve parlatmayı zaman alıcı hale getirir.

ZMSH'nin SiC yongaları

4. Galyum Nitrür (GaN)

Uygulamalar: Yüksek frekanslı güç cihazları (hızlı şarj cihazları, 5G baz istasyonları), mavi LED'ler/lazerler.

Avantajları:

• Ultra Yüksek Elektron Hareketliliği + Geniş Bant Aralığı (3.4 eV): Yüksek frekanslı (>100 GHz) ve yüksek voltaj özelliklerini birleştirir.
• Düşük Açık Direnç: Cihaz güç tüketimini azaltır.
• Heterojen Epitaksi Uyumluluğu: Maliyetleri düşürmek için genellikle silisyum, safir veya SiC alt katmanlar üzerinde büyütülür.

Dezavantajları:

• Toplu Kristal Büyümesinde Zorluk: Ana akım, kafes uyumsuzluğundan kaynaklanan kusurlarla heterojen epitaksiye dayanır.
• Yüksek Maliyet: Kendinden destekli GaN alt katmanları pahalıdır (2 inç yongalar binlerce dolara mal olabilir).
• Güvenilirlik Zorlukları: Mevcut çökme etkisi optimizasyon gerektirir.

ZMSH'nin GaN yongaları

5. Fosfor-İndiyum (InP)

Uygulamalar: Yüksek hızlı optoelektronik (lazerler, dedektörler), terahertz cihazları.

Avantajları:

• Ultra Yüksek Elektron Hareketliliği: >100 GHz yüksek frekanslı çalışmayı destekler (GaAs'tan üstün).
• Dalga Boyu Eşleşmesi ile Doğrudan Bant Aralığı: 1.3–1.55μm fiber optik iletişim için kritik öneme sahiptir.

Dezavantajları:

• Kırılganlık ve Yüksek Maliyet: Alt katman fiyatları silisyumun 100×'inden fazladır; yonga boyutları küçüktür (4–6 inç).

ZMSH'nin InP yongaları

6. Safir (Al₂O₃)

Uygulamalar: LED aydınlatma (GaN epitaksiyel alt katmanlar), tüketici elektroniği kapakları.

Avantajları:

• Düşük Maliyet: SiC/GaN alt katmanlarından daha ucuzdur.
• Kimyasal Kararlılık: Korozyona dayanıklı ve yalıtkandır.
• Şeffaflık: Dikey yapılı LED'ler için uygundur.

Dezavantajları:

• GaN ile Kafes Uyumsuzluğu (>%13): Epitaksiyel kusurları azaltmak için tampon katmanlar gerektirir.
• Zayıf Termal İletkenlik (≈silisyumun 1/20'si): Yüksek güçlü LED'lerde performansı sınırlar.

ZMSH'nin safir yongaları

7. Alüminyum Oksit/Seramik Alt Katmanlar (örneğin, AlN, BeO)

Uygulamalar: Yüksek güçlü modüller için ısı dağılımı alt katmanları.

Avantajları:

• Yalıtım + Yüksek Termal İletkenlik (AlN: 170–230 W/m·K): Yüksek yoğunluklu paketleme için idealdir.

Dezavantajları:

• Tek Kristal Olmayan: Doğrudan cihaz büyütülemez; yalnızca paketleme alt katmanları olarak kullanılır.

 ZMSH'nin Alümina seramik alt tabakası

8. Özel Alt Katmanlar

• SOI (Yalıtkanda Silisyum):

1. Yapı: Silisyum/silisyum dioksit/silisyum sandviç.
2. Avantajları: Parazitik kapasitansı, radyasyon sertliğini ve kaçak akımı azaltır (RF, MEMS'te kullanılır).
3. Dezavantajları: Toplu silisyuma göre %30–50 daha yüksek maliyet.

• Kuvars (SiO₂):Foto maskelerde, MEMS'te kullanılır; ısıya dayanıklıdır ancak kırılgandır.
• Elmas:En yüksek termal iletkenlik (>2000 W/m·K) aşırı ısı dağılımı için geliştirme aşamasındadır.

ZMSH'nin SOI yongası, Kuvars yongası, Elmas alt tabakası

Özet Karşılaştırma Tablosu

Seçim İçin Temel Faktörler

1. Performans Gereksinimleri: Yüksek frekanslı uygulamalar GaAs/InP'yi tercih eder; yüksek voltaj/yüksek sıcaklık uygulamaları SiC gerektirir; optoelektronik GaAs/InP/GaN'i tercih eder.
2. Maliyet Kısıtlamaları: Tüketici elektroniği silisyumu önceliklendirir; üst düzey alanlar SiC/GaN için premium fiyatlandırmayı kabul eder.
3. Entegrasyon Karmaşıklığı: Silisyum CMOS uyumluluğu rakipsiz kalır.
4. Termal Yönetim: Yüksek güçlü cihazlar SiC veya elmas bazlı GaN'i önceliklendirir.
5. Tedarik Zinciri Olgunluğu: Silisyum > Safir > GaAs > SiC > GaN > InP.

Gelecek Trendleri

Heterojen entegrasyon (örneğin, silisyum üzerinde GaN, GaN üzerinde SiC), performansı ve maliyeti dengeleyecek, 5G, elektrikli araçlar ve kuantum hesaplamada ilerlemeleri sağlayacaktır.

ZMSH'nin Hizmetleri

Entegre bir üretim ve ticaret yarı iletken malzemeleri kapsamlı hizmet sağlayıcısı olarak, yonga alt katmanlarından (Si/GaAs/SiC/GaN, vb.) fotoresistlere ve CMP parlatma malzemelerine kadar tam zincir ürün tedarik zinciri çözümleri sunuyoruz. Kendi geliştirdiği üretim üslerinden ve küreselleşmiş bir tedarik zinciri ağından yararlanarak, hızlı yanıt verme yeteneklerini profesyonel teknik destekle birleştirerek, müşterilerimizi istikrarlı tedarik zinciri operasyonları ve teknolojik inovasyon kazan-kazan sonuçları elde etmeleri için güçlendiriyoruz.