Viktige råvarer for halvlederproduksjon: Typer av wafersubstrater

Wafersubstrater som nøkkelmaterialer i halvlederenheter

Wafersubstrater er de fysiske bærerne til halvlederkomponenter, og deres materialegenskaper bestemmer direkte enhetens ytelse, kostnad og bruksområder. Nedenfor er hovedtypene av wafersubstrater sammen med deres fordeler og ulemper:

1.Silisium (Si)

• Markedsandel:Står for mer enn 95 % av det globale halvledermarkedet.

• Fordeler:

  • Lav kostnad:Rikelig med råvarer (silisiumdioksid), modne produksjonsprosesser og sterke stordriftsfordeler.

  • Høy prosesskompatibilitet:CMOS-teknologien er svært moden og støtter avanserte noder (f.eks. 3nm).

  • Utmerket krystallkvalitet:Wafere med stor diameter (hovedsakelig 12-tommers, 18-tommers under utvikling) med lav defekttetthet kan dyrkes.

  • Stabile mekaniske egenskaper:Lett å skjære, polere og håndtere.

• Ulemper:

  • Smalt båndgap (1,12 eV):Høy lekkasjestrøm ved høye temperaturer, noe som begrenser strømforsyningens effektivitet.

  • Indirekte båndgap:Svært lav lysutslippseffektivitet, uegnet for optoelektroniske enheter som LED-er og lasere.

  • Begrenset elektronmobilitet:Dårligere høyfrekvensytelse sammenlignet med sammensatte halvledere.
    

2.Galliumarsenid (GaAs)

• Bruksområder:Høyfrekvente RF-enheter (5G/6G), optoelektroniske enheter (lasere, solceller).

• Fordeler:

  • Høy elektronmobilitet (5–6 ganger så høy som silisium):Egnet for høyhastighets- og høyfrekvente applikasjoner, som millimeterbølgekommunikasjon.

  • Direkte båndgap (1,42 eV):Høyeffektiv fotoelektrisk konvertering, grunnlaget for infrarøde lasere og LED-er.

  • Høy temperatur- og strålingsmotstand:Egnet for luftfart og tøffe miljøer.

• Ulemper:

  • Høye kostnader:Knappe materialer, vanskelig krystallvekst (utsatt for dislokasjoner), begrenset waferstørrelse (hovedsakelig 6-tommer).

  • Sprø mekanikk:Utsatt for brudd, noe som resulterer i lavt prosesseringsutbytte.

  • Toksisitet:Arsenikk krever streng håndtering og miljøkontroller.

3. Silisiumkarbid (SiC)

• Bruksområder:Høytemperatur- og høyspenningsenheter (EV-omformere, ladestasjoner), luftfart.

• Fordeler:

  • Bredt båndgap (3,26 eV):Høy gjennombruddsstyrke (10 ganger silisiums), høy temperaturtoleranse (driftstemperatur >200 °C).

  • Høy varmeledningsevne (≈3× silisium):Utmerket varmeavledning, noe som muliggjør høyere systemeffekttetthet.

  • Lavt koblingstap:Forbedrer effektiviteten av kraftomformingen.

• Ulemper:

  • Krevende forberedelse av underlaget:Langsom krystallvekst (>1 uke), vanskelig defektkontroll (mikrorør, dislokasjoner), ekstremt høy kostnad (5–10× silisium).

  • Liten waferstørrelse:Hovedsakelig 4–6 tommer; 8-tommer er fortsatt under utvikling.

  • Vanskelig å bearbeide:Svært hard (Mohs 9,5), noe som gjør skjæring og polering tidkrevende.

4. Galliumnitrid (GaN)

• Bruksområder:Høyfrekvente strømforsyningsenheter (hurtiglading, 5G-basestasjoner), blå LED-lys/lasere.

• Fordeler:

  • Ultrahøy elektronmobilitet + bredt båndgap (3,4 eV):Kombinerer høyfrekvent (>100 GHz) og høyspenningsytelse.

  • Lav på-motstand:Reduserer strømtap på enheten.

  • Kompatibel med heteroepitaksi:Vanligvis dyrket på silisium-, safir- eller SiC-substrater, noe som reduserer kostnadene.

• Ulemper:

  • Vanskelig med bulkvekst av enkeltkrystaller:Heteroepitaxi er vanlig, men gittermismatch introduserer defekter.

  • Høye kostnader:Naturlige GaN-substrater er veldig dyre (en 2-tommers wafer kan koste flere tusen dollar).

  • Utfordringer med pålitelighet:Fenomener som strømkollaps krever optimalisering.

5. Indiumfosfid (InP)

• Bruksområder:Høyhastighetsoptisk kommunikasjon (lasere, fotodetektorer), terahertz-enheter.

• Fordeler:

  • Ultrahøy elektronmobilitet:Støtter drift på >100 GHz, og yter bedre enn GaAs.

  • Direkte båndgap med bølgelengdetilpasning:Kjernemateriale for 1,3–1,55 μm optisk fiberkommunikasjon.

• Ulemper:

  • Sprø og veldig dyr:Substratkostnaden overstiger 100× silisium, begrensede waferstørrelser (4–6 tommer).

6. Safir (Al₂O₃)

• Bruksområder:LED-belysning (GaN epitaksialt substrat), dekselglass for forbrukerelektronikk.

• Fordeler:

  • Lav kostnad:Mye billigere enn SiC/GaN-substrater.

  • Utmerket kjemisk stabilitet:Korrosjonsbestandig, svært isolerende.

  • Åpenhet:Passer for vertikale LED-strukturer.

• Ulemper:

  • Stor gitteravvik med GaN (>13%):Forårsaker høy defekttetthet, noe som krever bufferlag.

  • Dårlig varmeledningsevne (~1/20 av silisium):Begrenser ytelsen til høyeffekts-LED-er.

7. Keramiske substrater (AlN, BeO, etc.)

• Bruksområder:Varmespredere for høyeffektsmoduler.

• Fordeler:

  • Isolerende + høy varmeledningsevne (AlN: 170–230 W/m·K):Egnet for emballasje med høy tetthet.

• Ulemper:

  • Ikke-enkeltkrystall:Kan ikke direkte støtte enhetsvekst, brukes kun som emballasjesubstrater.

8. Spesielle underlag

• SOI (silisium på isolator):

  • Struktur:Silisium/SiO₂/silisium-sandwich.

  • Fordeler:Reduserer parasittisk kapasitans, strålingsherdet, lekkasjeundertrykkelse (brukes i RF, MEMS).

  • Ulemper:30–50 % dyrere enn silisium i bulk.

• Kvarts (SiO₂):Brukes i fotomasker og MEMS; høytemperaturbestandig, men svært sprø.

• Diamant:Substrat med høyest varmeledningsevne (>2000 W/m·K), under forskning og utvikling for ekstrem varmespredning.

Sammenlignende sammendragstabell

Viktige faktorer for valg av substrat

• Ytelseskrav:GaAs/InP for høyfrekvens; SiC for høyspenning, høy temperatur; GaAs/InP/GaN for optoelektronikk.

• Kostnadsbegrensninger:Forbrukerelektronikk foretrekker silisium; high-end-felt kan rettferdiggjøre SiC/GaN-premier.

• Integrasjonskompleksitet:Silisium er fortsatt uerstattelig for CMOS-kompatibilitet.

• Termisk styring:Høyeffektapplikasjoner foretrekker SiC eller diamantbasert GaN.

• Modenhet i forsyningskjeden:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Fremtidig trend

Heterogen integrasjon (f.eks. GaN-på-Si, GaN-på-SiC) vil balansere ytelse og kostnader, og dermed drive frem fremskritt innen 5G, elbiler og kvantedatamaskiner.