সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদনের মূল কাঁচামাল: ওয়েফার সাবস্ট্রেটের প্রকারভেদ

সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসে মূল উপকরণ হিসেবে ওয়েফার সাবস্ট্রেট

ওয়েফার সাবস্ট্রেটগুলি সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসের ভৌত বাহক, এবং তাদের উপাদানগত বৈশিষ্ট্যগুলি সরাসরি ডিভাইসের কর্মক্ষমতা, খরচ এবং প্রয়োগ ক্ষেত্র নির্ধারণ করে। নীচে ওয়েফার সাবস্ট্রেটের প্রধান প্রকারগুলি তাদের সুবিধা এবং অসুবিধাগুলির সাথে দেওয়া হল:

1.সিলিকন (Si)

• বাজার শেয়ার:বিশ্বব্যাপী সেমিকন্ডাক্টর বাজারের ৯৫% এরও বেশি অংশ দখল করে।

• সুবিধাদি:

  • কম খরচ:প্রচুর কাঁচামাল (সিলিকন ডাই অক্সাইড), পরিপক্ক উৎপাদন প্রক্রিয়া এবং শক্তিশালী অর্থনীতি।

  • উচ্চ প্রক্রিয়া সামঞ্জস্য:CMOS প্রযুক্তি অত্যন্ত পরিপক্ক, উন্নত নোড (যেমন, 3nm) সমর্থন করে।

  • চমৎকার স্ফটিকের মান:কম ত্রুটি ঘনত্বের বৃহৎ ব্যাসের ওয়েফার (প্রধানত ১২ ইঞ্চি, ১৮ ইঞ্চি উন্নয়নাধীন) চাষ করা যেতে পারে।

  • স্থিতিশীল যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য:কাটা, পালিশ করা এবং পরিচালনা করা সহজ।

• অসুবিধা:

  • সংকীর্ণ ব্যান্ডগ্যাপ (১.১২ eV):উচ্চ তাপমাত্রায় উচ্চ লিকেজ কারেন্ট, যা পাওয়ার ডিভাইসের কার্যকারিতা সীমিত করে।

  • পরোক্ষ ব্যান্ডগ্যাপ:খুব কম আলো নির্গমন দক্ষতা, LED এবং লেজারের মতো অপটোইলেকট্রনিক ডিভাইসের জন্য অনুপযুক্ত।

  • সীমিত ইলেকট্রন গতিশীলতা:যৌগিক অর্ধপরিবাহীর তুলনায় নিম্নমানের উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি কর্মক্ষমতা।
    

2.গ্যালিয়াম আর্সেনাইড (GaAs)

• অ্যাপ্লিকেশন:উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি আরএফ ডিভাইস (5G/6G), অপটোইলেকট্রনিক ডিভাইস (লেজার, সৌর কোষ)।

• সুবিধাদি:

  • উচ্চ ইলেকট্রন গতিশীলতা (সিলিকনের গতিশীলতার ৫-৬×):মিলিমিটার-তরঙ্গ যোগাযোগের মতো উচ্চ-গতির, উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি অ্যাপ্লিকেশনের জন্য উপযুক্ত।

  • সরাসরি ব্যান্ডগ্যাপ (১.৪২ eV):উচ্চ-দক্ষ আলোক-বৈদ্যুতিক রূপান্তর, ইনফ্রারেড লেজার এবং LED এর ভিত্তি।

  • উচ্চ তাপমাত্রা এবং বিকিরণ প্রতিরোধ ক্ষমতা:মহাকাশ এবং কঠোর পরিবেশের জন্য উপযুক্ত।

• অসুবিধা:

  • উচ্চ খরচ:উপাদানের অভাব, স্ফটিকের বৃদ্ধি কঠিন (স্থানচ্যুতি প্রবণ), সীমিত ওয়েফার আকার (প্রধানত ৬-ইঞ্চি)।

  • ভঙ্গুর মেকানিক্স:ভাঙনের ঝুঁকিতে থাকে, ফলে প্রক্রিয়াজাতকরণের ফলন কম হয়।

  • বিষাক্ততা:আর্সেনিকের কঠোর ব্যবস্থাপনা এবং পরিবেশগত নিয়ন্ত্রণ প্রয়োজন।

3. সিলিকন কার্বাইড (SiC)

• অ্যাপ্লিকেশন:উচ্চ-তাপমাত্রা এবং উচ্চ-ভোল্টেজ পাওয়ার ডিভাইস (ইভি ইনভার্টার, চার্জিং স্টেশন), মহাকাশ।

• সুবিধাদি:

  • প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ (৩.২৬ eV):উচ্চ ভাঙ্গন শক্তি (সিলিকনের তুলনায় ১০×), উচ্চ-তাপমাত্রা সহনশীলতা (অপারেটিং তাপমাত্রা >২০০ °সে)।

  • উচ্চ তাপ পরিবাহিতা (≈3× সিলিকন):চমৎকার তাপ অপচয়, উচ্চতর সিস্টেম পাওয়ার ঘনত্ব সক্ষম করে।

  • কম স্যুইচিং ক্ষতি:পাওয়ার রূপান্তর দক্ষতা উন্নত করে।

• অসুবিধা:

  • চ্যালেঞ্জিং সাবস্ট্রেট প্রস্তুতি:ধীর স্ফটিক বৃদ্ধি (> ১ সপ্তাহ), কঠিন ত্রুটি নিয়ন্ত্রণ (মাইক্রোপাইপ, স্থানচ্যুতি), অত্যন্ত উচ্চ খরচ (৫-১০× সিলিকন)।

  • ছোট ওয়েফারের আকার:মূলত ৪-৬ ইঞ্চি; ৮ ইঞ্চি এখনও উন্নয়নাধীন।

  • প্রক্রিয়া করা কঠিন:খুব শক্ত (মোহস ৯.৫), কাটা এবং পালিশ করতে সময় লাগে।

4. গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN)

• অ্যাপ্লিকেশন:উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি পাওয়ার ডিভাইস (দ্রুত চার্জিং, 5G বেস স্টেশন), নীল LED/লেজার।

• সুবিধাদি:

  • অতি-উচ্চ ইলেকট্রন গতিশীলতা + প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ (3.4 eV):উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি (>১০০ গিগাহার্জ) এবং উচ্চ-ভোল্টেজ কর্মক্ষমতা একত্রিত করে।

  • কম প্রতিরোধ ক্ষমতা:ডিভাইসের পাওয়ার লস কমায়।

  • হেটেরোএপিট্যাক্সি সামঞ্জস্যপূর্ণ:সাধারণত সিলিকন, নীলকান্তমণি, অথবা SiC সাবস্ট্রেটে চাষ করা হয়, যা খরচ কমায়।

• অসুবিধা:

  • একক-স্ফটিকের বাল্ক বৃদ্ধি কঠিন:হেটেরোএপিট্যাক্সি মূলধারার, কিন্তু জালির অমিল ত্রুটির পরিচয় দেয়।

  • উচ্চ খরচ:নেটিভ GaN সাবস্ট্রেটগুলি খুবই ব্যয়বহুল (একটি 2-ইঞ্চি ওয়েফারের দাম কয়েক হাজার মার্কিন ডলার হতে পারে)।

  • নির্ভরযোগ্যতার চ্যালেঞ্জ:বর্তমান ধসের মতো ঘটনার জন্য অপ্টিমাইজেশন প্রয়োজন।

5. ইন্ডিয়াম ফসফাইড (InP)

• অ্যাপ্লিকেশন:উচ্চ-গতির অপটিক্যাল যোগাযোগ (লেজার, ফটোডিটেক্টর), টেরাহার্টজ ডিভাইস।

• সুবিধাদি:

  • অতি-উচ্চ ইলেকট্রন গতিশীলতা:১০০ গিগাহার্জের বেশি অপারেশন সমর্থন করে, GaA গুলিকে ছাড়িয়ে যায়।

  • তরঙ্গদৈর্ঘ্যের মিল সহ সরাসরি ব্যান্ডগ্যাপ:১.৩–১.৫৫ মাইক্রোমিটার অপটিক্যাল ফাইবার যোগাযোগের জন্য মূল উপাদান।

• অসুবিধা:

  • ভঙ্গুর এবং খুব ব্যয়বহুল:সাবস্ট্রেটের দাম ১০০× সিলিকন ছাড়িয়ে গেছে, সীমিত ওয়েফারের আকার (৪-৬ ইঞ্চি)।

৬. নীলকান্তমণি (Al₂O₃)

• অ্যাপ্লিকেশন:LED আলো (GaN এপিট্যাক্সিয়াল সাবস্ট্রেট), কনজিউমার ইলেকট্রনিক্স কাচের আবরণ।

• সুবিধাদি:

  • কম খরচ:SiC/GaN সাবস্ট্রেটের তুলনায় অনেক সস্তা।

  • চমৎকার রাসায়নিক স্থিতিশীলতা:ক্ষয়-প্রতিরোধী, অত্যন্ত অন্তরক।

  • স্বচ্ছতা:উল্লম্ব LED কাঠামোর জন্য উপযুক্ত।

• অসুবিধা:

  • GaN (>13%) এর সাথে বৃহৎ জালির অমিল:উচ্চ ত্রুটি ঘনত্ব সৃষ্টি করে, যার জন্য বাফার স্তরের প্রয়োজন হয়।

  • দুর্বল তাপ পরিবাহিতা (~১/২০ সিলিকন):উচ্চ-ক্ষমতাসম্পন্ন LED-এর কর্মক্ষমতা সীমিত করে।

7. সিরামিক সাবস্ট্রেট (AlN, BeO, ইত্যাদি)

• অ্যাপ্লিকেশন:উচ্চ-ক্ষমতাসম্পন্ন মডিউলের জন্য তাপ স্প্রেডার।

• সুবিধাদি:

  • অন্তরক + উচ্চ তাপ পরিবাহিতা (AlN: 170–230 W/m·K):উচ্চ-ঘনত্বের প্যাকেজিংয়ের জন্য উপযুক্ত।

• অসুবিধা:

  • একক-স্ফটিকবিহীন:ডিভাইসের বৃদ্ধি সরাসরি সমর্থন করতে পারে না, শুধুমাত্র প্যাকেজিং সাবস্ট্রেট হিসেবে ব্যবহৃত হয়।

8. বিশেষ সাবস্ট্রেটস

• SOI (ইনসুলেটরে সিলিকন):

  • গঠন:সিলিকন/SiO₂/সিলিকন স্যান্ডউইচ।

  • সুবিধাদি:পরজীবী ক্যাপাসিট্যান্স, বিকিরণ-কঠিনতা, লিকেজ দমন (RF, MEMS-এ ব্যবহৃত) হ্রাস করে।

  • অসুবিধা:বাল্ক সিলিকনের তুলনায় ৩০-৫০% বেশি দামি।

• কোয়ার্টজ (SiO₂):ফটোমাস্ক এবং MEMS-এ ব্যবহৃত; উচ্চ-তাপমাত্রা প্রতিরোধী কিন্তু খুবই ভঙ্গুর।

• হীরা:সর্বোচ্চ তাপ পরিবাহিতা স্তর (>2000 ওয়াট/মিটার·কে), চরম তাপ অপচয়ের জন্য গবেষণা ও উন্নয়নের অধীনে।

তুলনামূলক সারাংশ সারণী

সাবস্ট্রেট নির্বাচনের মূল বিষয়গুলি

• কর্মক্ষমতা প্রয়োজনীয়তা:উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সির জন্য GaAs/InP; উচ্চ-ভোল্টেজ, উচ্চ-তাপমাত্রার জন্য SiC; অপটোইলেক্ট্রনিক্সের জন্য GaAs/InP/GaN।

• খরচের সীমাবদ্ধতা:কনজিউমার ইলেকট্রনিক্স সিলিকনকে প্রাধান্য দেয়; উচ্চমানের ক্ষেত্রগুলি SiC/GaN প্রিমিয়ামকে ন্যায্যতা দিতে পারে।

• ইন্টিগ্রেশন জটিলতা:সিএমওএস সামঞ্জস্যের জন্য সিলিকন অপূরণীয়।

• তাপ ব্যবস্থাপনা:উচ্চ-ক্ষমতাসম্পন্ন অ্যাপ্লিকেশনগুলি SiC বা হীরা-ভিত্তিক GaN পছন্দ করে।

• সরবরাহ শৃঙ্খলের পরিপক্কতা:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP।

ভবিষ্যতের ট্রেন্ড

ভিন্নধর্মী একীকরণ (যেমন, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) কর্মক্ষমতা এবং খরচের ভারসাম্য বজায় রাখবে, 5G, বৈদ্যুতিক যানবাহন এবং কোয়ান্টাম কম্পিউটিং-এ অগ্রগতিকে চালিত করবে।