Bahan Baku Utama untuk Produksi Semikonduktor: Jenis Substrat Wafer

Substrat Wafer sebagai Material Utama dalam Perangkat Semikonduktor

Substrat wafer adalah pembawa fisik perangkat semikonduktor, dan sifat materialnya secara langsung menentukan kinerja, biaya, dan bidang aplikasi perangkat. Berikut adalah jenis-jenis utama substrat wafer beserta kelebihan dan kekurangannya:

1.Silikon (Si)

• Pangsa Pasar:Menyumbang lebih dari 95% pasar semikonduktor global.

• Keuntungan:

  • Biaya rendah:Bahan baku yang melimpah (silikon dioksida), proses manufaktur yang matang, dan skala ekonomi yang kuat.

  • Kompatibilitas proses tinggi:Teknologi CMOS sangat matang dan mendukung node tingkat lanjut (misalnya, 3nm).

  • Kualitas kristal yang sangat baik:Wafer berdiameter besar (terutama 12 inci, 18 inci yang sedang dalam pengembangan) dengan kepadatan cacat rendah dapat ditumbuhkan.

  • Sifat mekanik yang stabil:Mudah dipotong, dipoles, dan ditangani.

• Kekurangan:

  • Celah pita sempit (1,12 eV):Arus bocor tinggi pada suhu tinggi, membatasi efisiensi perangkat listrik.

  • Celah pita tidak langsung:Efisiensi emisi cahaya sangat rendah, tidak cocok untuk perangkat optoelektronik seperti LED dan laser.

  • Mobilitas elektron terbatas:Kinerja frekuensi tinggi yang lebih rendah dibandingkan dengan semikonduktor majemuk.
    

2.Galium Arsenida (GaAs)

• Aplikasi:Perangkat RF frekuensi tinggi (5G/6G), perangkat optoelektronik (laser, sel surya).

• Keuntungan:

  • Mobilitas elektron tinggi (5–6× dari silikon):Cocok untuk aplikasi kecepatan tinggi dan frekuensi tinggi seperti komunikasi gelombang milimeter.

  • Celah pita langsung (1,42 eV):Konversi fotolistrik efisiensi tinggi, dasar dari laser inframerah dan LED.

  • Tahan terhadap suhu tinggi dan radiasi:Cocok untuk lingkungan luar angkasa dan lingkungan yang keras.

• Kekurangan:

  • Biaya tinggi:Bahan langka, pertumbuhan kristal sulit (rentan terhadap dislokasi), ukuran wafer terbatas (terutama 6 inci).

  • Mekanika getas:Rawan retak, sehingga hasil pemrosesan rendah.

  • Toksisitas:Arsenik memerlukan penanganan dan pengendalian lingkungan yang ketat.

3. Silikon Karbida (SiC)

• Aplikasi:Perangkat daya suhu tinggi dan tegangan tinggi (inverter EV, stasiun pengisian daya), kedirgantaraan.

• Keuntungan:

  • Celah pita lebar (3,26 eV):Kekuatan pemecahan tinggi (10× kekuatan silikon), toleransi suhu tinggi (suhu pengoperasian >200 °C).

  • Konduktivitas termal tinggi (≈3× silikon):Pembuangan panas yang sangat baik, memungkinkan kepadatan daya sistem yang lebih tinggi.

  • Kehilangan peralihan rendah:Meningkatkan efisiensi konversi daya.

• Kekurangan:

  • Persiapan substrat yang menantang:Pertumbuhan kristal lambat (>1 minggu), pengendalian cacat sulit (mikropipa, dislokasi), biaya sangat tinggi (silikon 5–10×).

  • Ukuran wafer kecil:Sebagian besar berukuran 4–6 inci; 8 inci masih dalam pengembangan.

  • Sulit untuk diproses:Sangat keras (Mohs 9,5), membuat pemotongan dan pemolesan memakan waktu lama.

4. Galium Nitrida (GaN)

• Aplikasi:Perangkat daya frekuensi tinggi (pengisian daya cepat, stasiun pangkalan 5G), LED/laser biru.

• Keuntungan:

  • Mobilitas elektron sangat tinggi + celah pita lebar (3,4 eV):Menggabungkan kinerja frekuensi tinggi (>100 GHz) dan tegangan tinggi.

  • Resistansi rendah:Mengurangi kehilangan daya perangkat.

  • Kompatibel dengan heteroepitaxy:Umumnya ditanam pada substrat silikon, safir, atau SiC, sehingga mengurangi biaya.

• Kekurangan:

  • Pertumbuhan kristal tunggal massal sulit:Heteroepitaxy merupakan hal yang umum, tetapi ketidaksesuaian kisi menimbulkan cacat.

  • Biaya tinggi:Substrat GaN asli sangat mahal (wafer 2 inci dapat berharga beberapa ribu USD).

  • Tantangan keandalan:Fenomena seperti keruntuhan arus memerlukan pengoptimalan.

5. Indium Fosfida (InP)

• Aplikasi:Komunikasi optik berkecepatan tinggi (laser, fotodetektor), perangkat terahertz.

• Keuntungan:

  • Mobilitas elektron ultra tinggi:Mendukung operasi >100 GHz, mengungguli GaAs.

  • Celah pita langsung dengan pencocokan panjang gelombang:Bahan inti untuk komunikasi serat optik 1,3–1,55 μm.

• Kekurangan:

  • Rapuh dan sangat mahal:Biaya substrat melebihi 100x silikon, ukuran wafer terbatas (4–6 inci).

6. Safir (Al₂O₃)

• Aplikasi:Pencahayaan LED (substrat epitaksial GaN), kaca penutup elektronik konsumen.

• Keuntungan:

  • Biaya rendah:Jauh lebih murah daripada substrat SiC/GaN.

  • Stabilitas kimia yang sangat baik:Tahan korosi, sangat isolasi.

  • Transparansi:Cocok untuk struktur LED vertikal.

• Kekurangan:

  • Ketidakcocokan kisi besar dengan GaN (>13%):Menyebabkan kepadatan cacat yang tinggi, sehingga memerlukan lapisan penyangga.

  • Konduktivitas termal yang buruk (~1/20 silikon):Membatasi kinerja LED daya tinggi.

7. Substrat Keramik (AlN, BeO, dll.)

• Aplikasi:Penyebar panas untuk modul daya tinggi.

• Keuntungan:

  • Isolasi + konduktivitas termal tinggi (AlN: 170–230 W/m·K):Cocok untuk pengemasan berdensitas tinggi.

• Kekurangan:

  • Non-kristal tunggal:Tidak dapat secara langsung mendukung pertumbuhan perangkat, hanya digunakan sebagai substrat pengemasan.

8. Substrat Khusus

• SOI (Silikon pada Isolator):

  • Struktur:Sandwich silikon/SiO₂/silikon.

  • Keuntungan:Mengurangi kapasitansi parasit, tahan radiasi, penekanan kebocoran (digunakan dalam RF, MEMS).

  • Kekurangan:30–50% lebih mahal daripada silikon curah.

• Kuarsa (SiO₂):Digunakan dalam fotomask dan MEMS; tahan suhu tinggi tetapi sangat rapuh.

• Berlian:Substrat dengan konduktivitas termal tertinggi (>2000 W/m·K), sedang dalam penelitian dan pengembangan untuk pembuangan panas ekstrem.

Tabel Ringkasan Perbandingan

Faktor Kunci untuk Pemilihan Substrat

• Persyaratan kinerja:GaAs/InP untuk frekuensi tinggi; SiC untuk tegangan tinggi, suhu tinggi; GaAs/InP/GaN untuk optoelektronik.

• Kendala biaya:Elektronik konsumen lebih menyukai silikon; bidang kelas atas dapat membenarkan premi SiC/GaN.

• Kompleksitas integrasi:Silikon tetap tak tergantikan untuk kompatibilitas CMOS.

• Manajemen termal:Aplikasi daya tinggi lebih menyukai SiC atau GaN berbasis berlian.

• Kematangan rantai pasokan:Si > Safir > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tren Masa Depan

Integrasi heterogen (misalnya, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) akan menyeimbangkan kinerja dan biaya, mendorong kemajuan dalam 5G, kendaraan listrik, dan komputasi kuantum.