അടുത്ത തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ: സഫയർ, സിലിക്കൺ, സിലിക്കൺ കാർബൈഡ്

സെമികണ്ടക്ടർ വ്യവസായത്തിൽ, ഉപകരണ പ്രകടനം ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്ന അടിസ്ഥാന വസ്തുവാണ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ. അവയുടെ ഭൗതിക, താപ, വൈദ്യുത ഗുണങ്ങൾ കാര്യക്ഷമത, വിശ്വാസ്യത, പ്രയോഗ വ്യാപ്തി എന്നിവയെ നേരിട്ട് ബാധിക്കുന്നു. എല്ലാ ഓപ്ഷനുകളിലും, നീലക്കല്ല് (Al₂O₃), സിലിക്കൺ (Si), സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് (SiC) എന്നിവ ഏറ്റവും വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളായി മാറിയിരിക്കുന്നു, ഓരോന്നും വ്യത്യസ്ത സാങ്കേതിക മേഖലകളിൽ മികവ് പുലർത്തുന്നു. ഈ ലേഖനം അവയുടെ മെറ്റീരിയൽ സവിശേഷതകൾ, ആപ്ലിക്കേഷൻ ലാൻഡ്‌സ്കേപ്പുകൾ, ഭാവി വികസന പ്രവണതകൾ എന്നിവ പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യുന്നു.

നീലക്കല്ല്: ഒപ്റ്റിക്കൽ വർക്ക്‌ഹോഴ്‌സ്

ഷഡ്ഭുജാകൃതിയിലുള്ള ലാറ്റിസുള്ള അലുമിനിയം ഓക്സൈഡിന്റെ ഒരു ഏക-സ്ഫടിക രൂപമാണ് നീലക്കല്ല്. അസാധാരണമായ കാഠിന്യം (മോഹ്സ് കാഠിന്യം 9), അൾട്രാവയലറ്റ് മുതൽ ഇൻഫ്രാറെഡ് വരെയുള്ള വിശാലമായ ഒപ്റ്റിക്കൽ സുതാര്യത, ശക്തമായ രാസ പ്രതിരോധം എന്നിവയാണ് ഇതിന്റെ പ്രധാന ഗുണങ്ങൾ, ഇത് ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾക്കും കഠിനമായ പരിതസ്ഥിതികൾക്കും അനുയോജ്യമാക്കുന്നു. ഹീറ്റ് എക്സ്ചേഞ്ച് രീതി, കൈറോപൗലോസ് രീതി തുടങ്ങിയ നൂതന വളർച്ചാ സാങ്കേതിക വിദ്യകൾ കെമിക്കൽ-മെക്കാനിക്കൽ പോളിഷിംഗുമായി (CMP) സംയോജിപ്പിച്ച്, സബ്-നാനോമീറ്റർ ഉപരിതല പരുക്കനോടുകൂടിയ വേഫറുകൾ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു.

LED-കളിലും മൈക്രോ-LED-കളിലും GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളികളായി നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങൾ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു, ഇവിടെ പാറ്റേൺ ചെയ്ത നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങൾ (PSS) പ്രകാശ വേർതിരിച്ചെടുക്കൽ കാര്യക്ഷമത മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നു. ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി RF ഉപകരണങ്ങളിലും അവയുടെ വൈദ്യുത ഇൻസുലേഷൻ ഗുണങ്ങൾ കാരണം അവ ഉപയോഗിക്കുന്നു, കൂടാതെ ഉപഭോക്തൃ ഇലക്ട്രോണിക്സ്, എയ്‌റോസ്‌പേസ് ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ സംരക്ഷണ വിൻഡോകളായും സെൻസർ കവറായും ഉപയോഗിക്കുന്നു. പരിമിതികളിൽ താരതമ്യേന കുറഞ്ഞ താപ ചാലകത (35–42 W/m·K), GaN-മായി ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട് എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്നു, ഇതിന് വൈകല്യങ്ങൾ കുറയ്ക്കുന്നതിന് ബഫർ പാളികൾ ആവശ്യമാണ്.

സിലിക്കൺ: മൈക്രോഇലക്ട്രോണിക്സ് ഫൗണ്ടേഷൻ

പക്വമായ വ്യാവസായിക ആവാസവ്യവസ്ഥ, ഡോപ്പിംഗ് വഴി ക്രമീകരിക്കാവുന്ന വൈദ്യുതചാലകത, മിതമായ താപ ഗുണങ്ങൾ (താപചാലകത ~150 W/m·K, ദ്രവണാങ്കം 1410°C) എന്നിവ കാരണം സിലിക്കൺ പരമ്പരാഗത ഇലക്ട്രോണിക്സിന്റെ നട്ടെല്ലായി തുടരുന്നു. CPU-കൾ, മെമ്മറി, ലോജിക് ഉപകരണങ്ങൾ എന്നിവയുൾപ്പെടെ 90%-ത്തിലധികം ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകളും സിലിക്കൺ വേഫറുകളിലാണ് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്. ഫോട്ടോവോൾട്ടെയ്ക് സെല്ലുകളിലും സിലിക്കൺ ആധിപത്യം പുലർത്തുന്നു, കൂടാതെ IGBT-കൾ, MOSFET-കൾ പോലുള്ള താഴ്ന്ന മുതൽ ഇടത്തരം പവർ ഉപകരണങ്ങളിൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.

എന്നിരുന്നാലും, പ്രകാശ ഉദ്‌വമന കാര്യക്ഷമതയെ പരിമിതപ്പെടുത്തുന്ന ഇടുങ്ങിയ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പും (1.12 eV) പരോക്ഷ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പും കാരണം ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ്, ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ സിലിക്കൺ വെല്ലുവിളികൾ നേരിടുന്നു.

സിലിക്കൺ കാർബൈഡ്: ഉയർന്ന ശക്തിയുള്ള നവീനൻ

വിശാലമായ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് (3.2 eV), ഉയർന്ന ബ്രേക്ക്ഡൗൺ വോൾട്ടേജ് (3 MV/cm), ഉയർന്ന താപ ചാലകത (~490 W/m·K), വേഗത്തിലുള്ള ഇലക്ട്രോൺ സാച്ചുറേഷൻ പ്രവേഗം (~2×10⁷ cm/s) എന്നിവയുള്ള മൂന്നാം തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ മെറ്റീരിയലാണ് SiC. ഈ സവിശേഷതകൾ ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ്, ഉയർന്ന പവർ, ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി ഉപകരണങ്ങൾക്ക് അനുയോജ്യമാക്കുന്നു. 2000°C കവിയുന്ന താപനിലയിൽ, സങ്കീർണ്ണവും കൃത്യവുമായ പ്രോസസ്സിംഗ് ആവശ്യകതകളോടെ, SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ സാധാരണയായി ഫിസിക്കൽ വേപ്പർ ട്രാൻസ്‌പോർട്ട് (PVT) വഴിയാണ് വളർത്തുന്നത്.

SiC MOSFET-കൾ ഇൻവെർട്ടർ കാര്യക്ഷമത 5–10% വരെ മെച്ചപ്പെടുത്തുന്ന ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങൾ, GaN RF ഉപകരണങ്ങൾക്കായി സെമി-ഇൻസുലേറ്റിംഗ് SiC ഉപയോഗിക്കുന്ന 5G ആശയവിനിമയ സംവിധാനങ്ങൾ, ഊർജ്ജ നഷ്ടം 30% വരെ കുറയ്ക്കുന്ന ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ് ഡയറക്ട് കറന്റ് (HVDC) ട്രാൻസ്മിഷനോടുകൂടിയ സ്മാർട്ട് ഗ്രിഡുകൾ എന്നിവ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ ഉൾപ്പെടുന്നു. ഉയർന്ന ചെലവുകൾ (6 ഇഞ്ച് വേഫറുകൾ സിലിക്കണിനേക്കാൾ 20–30 മടങ്ങ് വിലയേറിയതാണ്), അങ്ങേയറ്റത്തെ കാഠിന്യം മൂലമുള്ള പ്രോസസ്സിംഗ് വെല്ലുവിളികൾ എന്നിവയാണ് പരിമിതികൾ.

അനുബന്ധ റോളുകളും ഭാവി കാഴ്ചപ്പാടുകളും

സെമികണ്ടക്ടർ വ്യവസായത്തിൽ നീലക്കല്ല്, സിലിക്കൺ, SiC എന്നിവ ഒരു പൂരക സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് ആവാസവ്യവസ്ഥയാണ്. നീലക്കല്ല് ഒപ്റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക്‌സിൽ ആധിപത്യം പുലർത്തുന്നു, സിലിക്കൺ പരമ്പരാഗത മൈക്രോഇലക്‌ട്രോണിക്‌സിനെയും ലോ-ടു-മീഡിയം പവർ ഉപകരണങ്ങളെയും പിന്തുണയ്ക്കുന്നു, SiC ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ്, ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി, ഉയർന്ന കാര്യക്ഷമതയുള്ള പവർ ഇലക്ട്രോണിക്‌സിനെ നയിക്കുന്നു.

ഭാവിയിലെ വികസനങ്ങളിൽ ഡീപ്പ്-യുവി എൽഇഡികളിലും മൈക്രോ-എൽഇഡികളിലും സഫയർ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ വികസിപ്പിക്കൽ, ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്താൻ Si-അധിഷ്ഠിത GaN ഹെറ്ററോഎപിറ്റാക്സിയെ പ്രാപ്തമാക്കൽ, മെച്ചപ്പെട്ട വിളവും ചെലവ് കാര്യക്ഷമതയും ഉപയോഗിച്ച് SiC വേഫർ ഉൽ‌പാദനം 8 ഇഞ്ചായി ഉയർത്തൽ എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്നു. ഈ മെറ്റീരിയലുകൾ ഒരുമിച്ച്, 5G, AI, ഇലക്ട്രിക് മൊബിലിറ്റി എന്നിവയിലുടനീളം നവീകരണത്തെ നയിക്കുന്നു, അടുത്ത തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ സാങ്കേതികവിദ്യയെ രൂപപ്പെടുത്തുന്നു.