Viktiga råvaror för halvledarproduktion: Typer av wafersubstrat

Wafersubstrat som viktiga material i halvledarkomponenter

Wafersubstrat är de fysiska bärarna i halvledarkomponenter, och deras materialegenskaper avgör direkt komponentens prestanda, kostnad och tillämpningsområden. Nedan följer de viktigaste typerna av wafersubstrat tillsammans med deras fördelar och nackdelar:

1.Kisel (Si)

• Marknadsandel:Står för mer än 95 % av den globala halvledarmarknaden.

• Fördelar:

  • Låg kostnad:Rikligt med råvaror (kiseldioxid), mogna tillverkningsprocesser och starka skalfördelar.

  • Hög processkompatibilitet:CMOS-tekniken är mycket mogen och stöder avancerade noder (t.ex. 3nm).

  • Utmärkt kristallkvalitet:Wafers med stor diameter (främst 12 tum, 18 tum under utveckling) med låg defektdensitet kan odlas.

  • Stabila mekaniska egenskaper:Lätt att skära, polera och hantera.

• Nackdelar:

  • Smalt bandgap (1,12 eV):Hög läckström vid förhöjda temperaturer, vilket begränsar strömförsörjningsenhetens effektivitet.

  • Indirekt bandgap:Mycket låg ljusemissionseffektivitet, olämplig för optoelektroniska enheter som lysdioder och lasrar.

  • Begränsad elektronmobilitet:Sämre högfrekvensprestanda jämfört med sammansatta halvledare.
    

2.Galliumarsenid (GaAs)

• Användningsområden:Högfrekventa RF-enheter (5G/6G), optoelektroniska enheter (lasrar, solceller).

• Fördelar:

  • Hög elektronmobilitet (5–6 gånger så stor som kisel):Lämplig för höghastighets- och högfrekventa applikationer, såsom millimetervågskommunikation.

  • Direkt bandgap (1,42 eV):Högeffektiv fotoelektrisk omvandling, grunden för infraröda lasrar och lysdioder.

  • Hög temperatur- och strålningsbeständighet:Lämplig för flyg- och rymdteknik och tuffa miljöer.

• Nackdelar:

  • Hög kostnad:Knappt material, svår kristalltillväxt (benägen för dislokationer), begränsad skivstorlek (främst 6 tum).

  • Spröd mekanik:Benägen att spricka, vilket resulterar i lågt bearbetningsutbyte.

  • Giftighet:Arsenik kräver strikt hantering och miljökontroller.

3. Kiselkarbid (SiC)

• Användningsområden:Högtemperatur- och högspänningsenheter (växelriktare för elbilar, laddningsstationer), flyg- och rymdfart.

• Fördelar:

  • Brett bandgap (3,26 eV):Hög genombrottshållfasthet (10 gånger kisels), hög temperaturtolerans (driftstemperatur >200 °C).

  • Hög värmeledningsförmåga (≈3× kisel):Utmärkt värmeavledning, vilket möjliggör högre systemeffektdensitet.

  • Låg brytförlust:Förbättrar effektiviteten i effektomvandlingen.

• Nackdelar:

  • Utmanande substratförberedelse:Långsam kristalltillväxt (>1 vecka), svår defektkontroll (mikrorör, dislokationer), extremt hög kostnad (5–10× kisel).

  • Liten skivstorlek:Främst 4–6 tum; 8-tums fortfarande under utveckling.

  • Svår att bearbeta:Mycket hård (Mohs 9,5), vilket gör skärning och polering tidskrävande.

4. Galliumnitrid (GaN)

• Användningsområden:Högfrekventa strömförsörjningsenheter (snabbladdning, 5G-basstationer), blå lysdioder/lasrar.

• Fördelar:

  • Ultrahög elektronmobilitet + brett bandgap (3,4 eV):Kombinerar högfrekvent (>100 GHz) och högspänningsprestanda.

  • Lågt påslagningsmotstånd:Minskar enhetens strömförlust.

  • Kompatibel med heteroepitaxi:Vanligtvis odlas på kisel-, safir- eller SiC-substrat, vilket minskar kostnaden.

• Nackdelar:

  • Svårt att få enkristalltillväxt i bulk:Heteroepitaxi är vanligt förekommande, men gittermissmatchning introducerar defekter.

  • Hög kostnad:Naturliga GaN-substrat är mycket dyra (en 2-tums wafer kan kosta flera tusen USD).

  • Tillförlitlighetsutmaningar:Fenomen som strömkollaps kräver optimering.

5. Indiumfosfid (InP)

• Användningsområden:Höghastighetsoptisk kommunikation (lasrar, fotodetektorer), terahertz-enheter.

• Fördelar:

  • Ultrahög elektronmobilitet:Stöder drift på >100 GHz, vilket överträffar GaAs.

  • Direkt bandgap med våglängdsmatchning:Kärnmaterial för 1,3–1,55 μm optisk fiberkommunikation.

• Nackdelar:

  • Sprött och mycket dyrt:Substratkostnaden överstiger 100× kisel, begränsade skivstorlekar (4–6 tum).

6. Safir (Al₂O₃)

• Användningsområden:LED-belysning (epitaxiellt GaN-substrat), täckglas för konsumentelektronik.

• Fördelar:

  • Låg kostnad:Mycket billigare än SiC/GaN-substrat.

  • Utmärkt kemisk stabilitet:Korrosionsbeständig, högisolerande.

  • Genomskinlighet:Lämplig för vertikala LED-strukturer.

• Nackdelar:

  • Stor gittermatchningsfel med GaN (>13%):Orsakar hög defektdensitet, vilket kräver buffertlager.

  • Dålig värmeledningsförmåga (~1/20 av kisel):Begränsar prestandan hos högeffekts-LED-lampor.

7. Keramiska substrat (AlN, BeO, etc.)

• Användningsområden:Värmespridare för högeffektsmoduler.

• Fördelar:

  • Isolerande + hög värmeledningsförmåga (AlN: 170–230 W/m·K):Lämplig för förpackningar med hög densitet.

• Nackdelar:

  • Icke-enkristall:Kan inte direkt stödja enhetstillväxt, används endast som förpackningssubstrat.

8. Speciella substrat

• SOI (kisel på isolator):

  • Strukturera:Kisel/SiO₂/kisel-sandwich.

  • Fördelar:Minskar parasitisk kapacitans, strålningshärdad, läckageundertryckning (används i RF, MEMS).

  • Nackdelar:30–50 % dyrare än kisel i lösvikt.

• Kvarts (SiO₂):Används i fotomasker och MEMS; högtemperaturbeständig men mycket spröd.

• Diamant:Substrat med högsta värmeledningsförmåga (>2000 W/m·K), under forskning och utveckling för extrem värmeavledning.

Jämförande sammanfattningstabell

Viktiga faktorer för substratval

• Prestandakrav:GaAs/InP för högfrekvens; SiC för högspänning, hög temperatur; GaAs/InP/GaN för optoelektronik.

• Kostnadsbegränsningar:Konsumentelektronik föredrar kisel; avancerade områden kan motivera SiC/GaN-premier.

• Integrationskomplexitet:Kisel är fortfarande oersättligt för CMOS-kompatibilitet.

• Termisk hantering:Högeffektsapplikationer föredrar SiC eller diamantbaserat GaN.

• Leveranskedjans mognad:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Framtida trend

Heterogen integration (t.ex. GaN-på-Si, GaN-på-SiC) kommer att balansera prestanda och kostnad, vilket driver framsteg inom 5G, elfordon och kvantberäkning.