Matèries primeres clau per a la producció de semiconductors: tipus de substrats de galeta

Substrats de galeta com a materials clau en dispositius semiconductors

Els substrats d'oblies són els portadors físics dels dispositius semiconductors, i les seves propietats materials determinen directament el rendiment, el cost i els camps d'aplicació del dispositiu. A continuació es mostren els principals tipus de substrats d'oblies juntament amb els seus avantatges i desavantatges:

1.Silici (Si)

• Quota de mercat:Representa més del 95% del mercat mundial de semiconductors.

• Avantatges:

  • Cost baix:Abundants matèries primeres (diòxid de silici), processos de fabricació madurs i fortes economies d'escala.

  • Alta compatibilitat de processos:La tecnologia CMOS és molt madura i admet nodes avançats (per exemple, 3 nm).

  • Excel·lent qualitat cristal·lina:Es poden cultivar oblies de gran diàmetre (principalment de 12 polzades, 18 polzades en desenvolupament) amb baixa densitat de defectes.

  • Propietats mecàniques estables:Fàcil de tallar, polir i manipular.

• Desavantatges:

  • Banda prohibida estreta (1,12 eV):Corrent de fuita elevat a temperatures elevades, cosa que limita l'eficiència del dispositiu d'alimentació.

  • Banda prohibida indirecta:Eficiència d'emissió de llum molt baixa, inadequada per a dispositius optoelectrònics com ara LED i làsers.

  • Mobilitat electrònica limitada:Rendiment d'alta freqüència inferior en comparació amb els semiconductors compostos.
    

2.Arsenur de gal·li (GaAs)

• Aplicacions:Dispositius de radiofreqüència d'alta freqüència (5G/6G), dispositius optoelectrònics (làsers, cèl·lules solars).

• Avantatges:

  • Alta mobilitat d'electrons (5–6× la del silici):Apte per a aplicacions d'alta velocitat i alta freqüència, com ara la comunicació d'ones mil·limètriques.

  • Banda prohibida directa (1,42 eV):Conversió fotoelèctrica d'alta eficiència, la base dels làsers infrarojos i els LED.

  • Resistència a altes temperatures i radiacions:Apte per a entorns aeroespacials i durs.

• Desavantatges:

  • Cost elevat:Material escàs, creixement cristal·lí difícil (propens a dislocacions), mida limitada de l'oblia (principalment de 6 polzades).

  • Mecànica fràgil:Propens a fractures, la qual cosa resulta en un baix rendiment de processament.

  • Toxicitat:L'arsènic requereix una manipulació i uns controls ambientals estrictes.

3. Carbur de silici (SiC)

• Aplicacions:Dispositius d'alimentació d'alta temperatura i alta tensió (inversors de vehicles elèctrics, estacions de càrrega), aeroespacial.

• Avantatges:

  • Banda prohibida ampla (3,26 eV):Alta resistència a la ruptura (10 vegades la del silici), tolerància a altes temperatures (temperatura de funcionament > 200 °C).

  • Alta conductivitat tèrmica (≈3× silici):Excel·lent dissipació de calor, que permet una major densitat de potència del sistema.

  • Pèrdues de commutació baixes:Millora l'eficiència de la conversió d'energia.

• Desavantatges:

  • Preparació del substrat complexa:Creixement lent dels cristalls (>1 setmana), control de defectes difícil (microtubs, dislocacions), cost extremadament alt (5–10× silici).

  • Mida petita de l'oblea:Principalment de 4 a 6 polzades; 8 polzades encara en desenvolupament.

  • Difícil de processar:Molt dur (Mohs 9.5), cosa que fa que tallar i polir requereixi molt de temps.

4. Nitrur de gal·li (GaN)

• Aplicacions:Dispositius d'alimentació d'alta freqüència (càrrega ràpida, estacions base 5G), LED/làsers blaus.

• Avantatges:

  • Mobilitat electrònica ultraalta + banda prohibida àmplia (3,4 eV):Combina el rendiment d'alta freqüència (>100 GHz) i alt voltatge.

  • Baixa resistència:Redueix la pèrdua de potència del dispositiu.

  • Compatible amb heteroepitaxia:Normalment es conrea sobre substrats de silici, safir o SiC, cosa que redueix el cost.

• Desavantatges:

  • Dificultat per al creixement de monocristalls a granel:L'heteroepitaxia és la principal, però el desajust de la xarxa introdueix defectes.

  • Cost elevat:Els substrats de GaN nadius són molt cars (una oblia de 2 polzades pot costar diversos milers de dòlars).

  • Reptes de fiabilitat:Fenòmens com el col·lapse actual requereixen optimització.

5. Fosfur d'indi (InP)

• Aplicacions:Comunicacions òptiques d'alta velocitat (làsers, fotodetectors), dispositius de terahertz.

• Avantatges:

  • Mobilitat electrònica ultraalta:Admet un funcionament de >100 GHz, superant el GaAs.

  • Banda prohibida directa amb adaptació de longitud d'ona:Material central per a comunicacions de fibra òptica d'1,3–1,55 μm.

• Desavantatges:

  • Fràgil i molt car:El cost del substrat supera les 100 vegades el silici, amb mides de les oblies limitades (4–6 polzades).

6. Safir (Al₂O₃)

• Aplicacions:Il·luminació LED (substrat epitaxial de GaN), vidre de cobertura per a electrònica de consum.

• Avantatges:

  • Cost baix:Molt més barat que els substrats de SiC/GaN.

  • Excel·lent estabilitat química:Resistent a la corrosió, altament aïllant.

  • Transparència:Apte per a estructures LED verticals.

• Desavantatges:

  • Gran desajust de xarxa amb GaN (>13%):Provoca una alta densitat de defectes, que requereix capes intermèdies.

  • Mala conductivitat tèrmica (~1/20 de silici):Limita el rendiment dels LED d'alta potència.

7. Substrats ceràmics (AlN, BeO, etc.)

• Aplicacions:Difusors de calor per a mòduls d'alta potència.

• Avantatges:

  • Aïllant + alta conductivitat tèrmica (AlN: 170–230 W/m·K):Apte per a envasos d'alta densitat.

• Desavantatges:

  • No monocristall:No pot donar suport directament al creixement de dispositius, només s'utilitzen com a substrats d'embalatge.

8. Substrats especials

• SOI (silici sobre aïllant):

  • Estructura:Sandvitx de silici/SiO₂/silici.

  • Avantatges:Redueix la capacitança paràsita, endurit per la radiació, supressió de fuites (utilitzat en RF, MEMS).

  • Desavantatges:Un 30–50% més car que el silici a granel.

• Quars (SiO₂):S'utilitza en fotomàscares i MEMS; resistència a altes temperatures però molt fràgil.

• Diamant:Substrat de conductivitat tèrmica més alta (>2000 W/m·K), en procés d'R+D per a una dissipació extrema de la calor.

Taula resum comparativa

Factors clau per a la selecció del substrat

• Requisits de rendiment:GaAs/InP per a alta freqüència; SiC per a alt voltatge i alta temperatura; GaAs/InP/GaN per a optoelectrònica.

• Restriccions de costos:L'electrònica de consum afavoreix el silici; els camps d'alta gamma poden justificar les primes de SiC/GaN.

• Complexitat d'integració:El silici continua sent irreemplaçable per a la compatibilitat CMOS.

• Gestió tèrmica:Les aplicacions d'alta potència prefereixen SiC o GaN basat en diamants.

• Maduresa de la cadena de subministrament:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tendència futura

La integració heterogènia (per exemple, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) equilibrarà el rendiment i el cost, impulsant els avenços en el 5G, els vehicles elèctrics i la computació quàntica.