Vigtige råmaterialer til halvlederproduktion: Typer af wafersubstrater

Wafersubstrater som nøglematerialer i halvlederkomponenter

Wafersubstrater er de fysiske bærere af halvlederkomponenter, og deres materialeegenskaber bestemmer direkte komponentens ydeevne, omkostninger og anvendelsesområder. Nedenfor er de vigtigste typer af wafersubstrater sammen med deres fordele og ulemper:

1.Silicium (Si)

• Markedsandel:Tegner sig for mere end 95% af det globale halvledermarked.

• Fordele:

  • Lav pris:Rigelige råvarer (siliciumdioxid), modne fremstillingsprocesser og stærke stordriftsfordele.

  • Høj proceskompatibilitet:CMOS-teknologi er meget moden og understøtter avancerede noder (f.eks. 3nm).

  • Fremragende krystalkvalitet:Wafere med stor diameter (primært 12 tommer, 18 tommer under udvikling) med lav defektdensitet kan dyrkes.

  • Stabile mekaniske egenskaber:Let at skære, polere og håndtere.

• Ulemper:

  • Smalt båndgab (1,12 eV):Høj lækstrøm ved forhøjede temperaturer, hvilket begrænser strømforsyningens effektivitet.

  • Indirekte båndgab:Meget lav lysudsendelseseffektivitet, uegnet til optoelektroniske enheder som LED'er og lasere.

  • Begrænset elektronmobilitet:Dårligere højfrekvensydeevne sammenlignet med sammensatte halvledere.
    

2.Galliumarsenid (GaAs)

• Anvendelser:Højfrekvente RF-enheder (5G/6G), optoelektroniske enheder (lasere, solceller).

• Fordele:

  • Høj elektronmobilitet (5-6 gange siliciums):Velegnet til højhastigheds- og højfrekvente applikationer såsom millimeterbølgekommunikation.

  • Direkte båndgab (1,42 eV):Højeffektiv fotoelektrisk konvertering, grundlaget for infrarøde lasere og LED'er.

  • Høj temperatur- og strålingsmodstand:Velegnet til luftfart og barske miljøer.

• Ulemper:

  • Høje omkostninger:Sparsomt materiale, vanskelig krystalvækst (tilbøjelig til dislokationer), begrænset waferstørrelse (primært 6 tommer).

  • Sprød mekanik:Tilbøjelig til at brække, hvilket resulterer i lavt forarbejdningsudbytte.

  • Toksicitet:Arsen kræver streng håndtering og miljøkontroller.

3. Siliciumcarbid (SiC)

• Anvendelser:Højtemperatur- og højspændingsenheder (EV-invertere, ladestationer), luftfart.

• Fordele:

  • Bredt båndgab (3,26 eV):Høj gennembrudsstyrke (10 gange siliciums), høj temperaturtolerance (driftstemperatur >200 °C).

  • Høj varmeledningsevne (≈3× silicium):Fremragende varmeafledning, hvilket muliggør højere systemeffekttæthed.

  • Lavt koblingstab:Forbedrer effektiviteten af ​​​​effektomdannelsen.

• Ulemper:

  • Udfordrende substratforberedelse:Langsom krystalvækst (>1 uge), vanskelig defektkontrol (mikrorør, dislokationer), ekstremt høje omkostninger (5-10× silicium).

  • Lille waferstørrelse:Primært 4-6 tommer; 8 tommer stadig under udvikling.

  • Vanskelig at bearbejde:Meget hård (Mohs 9,5), hvilket gør skæring og polering tidskrævende.

4. Galliumnitrid (GaN)

• Anvendelser:Højfrekvente strømforsyningsenheder (hurtigopladning, 5G-basestationer), blå LED'er/lasere.

• Fordele:

  • Ultrahøj elektronmobilitet + bredt båndgab (3,4 eV):Kombinerer højfrekvent (>100 GHz) og højspændingsydelse.

  • Lav tændingsmodstand:Reducerer enhedens strømtab.

  • Kompatibel med heteroepitaxi:Dyrkes almindeligvis på silicium-, safir- eller SiC-substrater, hvilket reducerer omkostningerne.

• Ulemper:

  • Vanskelig vækst af enkeltkrystaller i bulk:Heteroepitaxi er mainstream, men gittermismatch introducerer defekter.

  • Høje omkostninger:Native GaN-substrater er meget dyre (en 2-tommer wafer kan koste flere tusinde USD).

  • Udfordringer med pålidelighed:Fænomener som strømkollaps kræver optimering.

5. Indiumphosphid (InP)

• Anvendelser:Højhastighedsoptisk kommunikation (lasere, fotodetektorer), terahertz-enheder.

• Fordele:

  • Ultrahøj elektronmobilitet:Understøtter >100 GHz-drift og overgår GaAs.

  • Direkte båndgab med bølgelængdetilpasning:Kernemateriale til 1,3-1,55 μm optisk fiberkommunikation.

• Ulemper:

  • Skrøbelig og meget dyr:Substratprisen overstiger 100× silicium, begrænsede waferstørrelser (4-6 tommer).

6. Safir (Al₂O₃)

• Anvendelser:LED-belysning (GaN epitaksialt substrat), dækglas til forbrugerelektronik.

• Fordele:

  • Lav pris:Meget billigere end SiC/GaN-substrater.

  • Fremragende kemisk stabilitet:Korrosionsbestandig, højisolerende.

  • Gennemsigtighed:Velegnet til vertikale LED-strukturer.

• Ulemper:

  • Stor gitterafvigelse med GaN (>13%):Forårsager høj defekttæthed, hvilket kræver bufferlag.

  • Dårlig varmeledningsevne (~1/20 af silicium):Begrænser ydeevnen af ​​højtydende LED'er.

7. Keramiske substrater (AlN, BeO osv.)

• Anvendelser:Varmespredere til højeffektmoduler.

• Fordele:

  • Isolerende + høj varmeledningsevne (AlN: 170–230 W/m·K):Velegnet til emballage med høj densitet.

• Ulemper:

  • Ikke-enkeltkrystal:Kan ikke direkte understøtte enhedsvækst, bruges kun som emballagesubstrater.

8. Særlige substrater

• SOI (silicium på isolator):

  • Struktur:Silicium/SiO₂/silicium-sandwich.

  • Fordele:Reducerer parasitisk kapacitans, strålingshærdet, lækageundertrykkelse (anvendes i RF, MEMS).

  • Ulemper:30-50 % dyrere end silicium i løs vægt.

• Kvarts (SiO₂):Anvendes i fotomasker og MEMS; højtemperaturbestandig, men meget sprød.

• Diamant:Substrat med højeste varmeledningsevne (>2000 W/m·K), under forskning og udvikling for ekstrem varmeafledning.

Sammenlignende oversigtstabel

Nøglefaktorer for valg af substrat

• Ydeevnekrav:GaAs/InP til højfrekvens; SiC til højspænding og høj temperatur; GaAs/InP/GaN til optoelektronik.

• Omkostningsbegrænsninger:Forbrugerelektronik foretrækker silicium; high-end-felter kan retfærdiggøre SiC/GaN-præmier.

• Integrationskompleksitet:Silicium er fortsat uerstatteligt for CMOS-kompatibilitet.

• Termisk styring:Højeffektapplikationer foretrækker SiC eller diamantbaseret GaN.

• Modenhed i forsyningskæden:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Fremtidig tendens

Heterogen integration (f.eks. GaN-på-Si, GaN-på-SiC) vil balancere ydeevne og omkostninger og dermed drive fremskridt inden for 5G, elbiler og kvanteberegning.