Materias primas clave para a produción de semicondutores: tipos de substratos de obleas

Substratos de obleas como materiais clave en dispositivos semicondutores

Os substratos de oblea son os soportes físicos dos dispositivos semicondutores e as súas propiedades materiais determinan directamente o rendemento, o custo e os campos de aplicación do dispositivo. A continuación móstranse os principais tipos de substratos de oblea xunto coas súas vantaxes e desvantaxes:

1.Silicio (Si)

• Cota de mercado:Representa máis do 95 % do mercado mundial de semicondutores.

• Vantaxes:

  • Baixo custo:Abundantes materias primas (dióxido de silicio), procesos de fabricación maduros e fortes economías de escala.

  • Alta compatibilidade de procesos:A tecnoloxía CMOS é moi madura e admite nodos avanzados (por exemplo, de 3 nm).

  • Excelente calidade cristalina:Pódense cultivar obleas de gran diámetro (principalmente de 12 polgadas, 18 polgadas en desenvolvemento) con baixa densidade de defectos.

  • Propiedades mecánicas estables:Fácil de cortar, pulir e manexar.

• Desvantaxes:

  • Banda prohibida estreita (1,12 eV):Corrente de fuga elevada a temperaturas elevadas, o que limita a eficiencia do dispositivo de alimentación.

  • Banda prohibida indirecta:Eficiencia de emisión de luz moi baixa, inadecuada para dispositivos optoelectrónicos como LED e láseres.

  • Mobilidade electrónica limitada:Rendemento de alta frecuencia inferior en comparación cos semicondutores compostos.
    

2.Arseniuro de galio (GaAs)

• Aplicacións:Dispositivos de radiofrecuencia de alta frecuencia (5G/6G), dispositivos optoelectrónicos (láseres, células solares).

• Vantaxes:

  • Alta mobilidade electrónica (5–6× a do silicio):Adecuado para aplicacións de alta velocidade e alta frecuencia, como a comunicación por ondas milimétricas.

  • Banda prohibida directa (1,42 eV):Conversión fotoeléctrica de alta eficiencia, a base dos láseres infravermellos e os LED.

  • Resistencia a altas temperaturas e á radiación:Apto para a industria aeroespacial e ambientes hostiles.

• Desvantaxes:

  • Custo elevado:Material escaso, crecemento cristalino difícil (propenso a dislocacións), tamaño de oblea limitado (principalmente de 6 polgadas).

  • Mecánica fráxil:Propenso a fracturas, o que resulta nun baixo rendemento de procesamento.

  • Toxicidade:O arsénico require unha manipulación e controis ambientais rigorosos.

3. Carburo de silicio (SiC)

• Aplicacións:Dispositivos de alimentación de alta temperatura e alta tensión (inversores para vehículos eléctricos, estacións de carga), aeroespacial.

• Vantaxes:

  • Banda prohibida ampla (3,26 eV):Alta resistencia á ruptura (10 veces a do silicio), tolerancia a altas temperaturas (temperatura de funcionamento >200 °C).

  • Alta condutividade térmica (≈3× silicio):Excelente disipación da calor, o que permite unha maior densidade de potencia do sistema.

  • Perda de conmutación baixa:Mellora a eficiencia da conversión de enerxía.

• Desvantaxes:

  • Preparación complexa do substrato:Crecemento cristalino lento (>1 semana), control de defectos difícil (microtubos, dislocacións), custo extremadamente alto (5–10× silicio).

  • Tamaño pequeno da oblea:Principalmente de 4 a 6 polgadas; o de 8 polgadas aínda está en desenvolvemento.

  • Difícil de procesar:Moi duro (Mohs 9,5), o que fai que cortar e pulir leve moito tempo.

4. Nitruro de galio (GaN)

• Aplicacións:Dispositivos de alimentación de alta frecuencia (carga rápida, estacións base 5G), LED/láseres azuis.

• Vantaxes:

  • Mobilidade electrónica ultraalta + amplo intervalo de banda (3,4 eV):Combina rendemento de alta frecuencia (>100 GHz) e alta tensión.

  • Baixa resistencia:Reduce a perda de enerxía do dispositivo.

  • Compatible con heteroepitaxia:Normalmente cultívase en substratos de silicio, zafiro ou SiC, o que reduce o custo.

• Desvantaxes:

  • Dificultade no crecemento de monocristais a granel:A heteroepitaxia é a habitual, pero a desaxuste da rede introduce defectos.

  • Custo elevado:Os substratos de GaN nativos son moi caros (unha oblea de 2 polgadas pode custar varios miles de dólares).

  • Desafíos de fiabilidade:Fenómenos como o colapso actual requiren optimización.

5. Fosfuro de indio (InP)

• Aplicacións:Comunicacións ópticas de alta velocidade (láseres, fotodetectores), dispositivos de terahercios.

• Vantaxes:

  • Mobilidade electrónica ultraelevada:Admite un funcionamento de >100 GHz, superando o GaAs.

  • Banda prohibida directa con adaptación de lonxitudes de onda:Material central para comunicacións de fibra óptica de 1,3–1,55 μm.

• Desvantaxes:

  • Fráxil e moi caro:O custo do substrato supera as 100 veces o silicio, tamaños de oblea limitados (4–6 polgadas).

6. Zafiro (Al₂O₃)

• Aplicacións:Iluminación LED (substrato epitaxial de GaN), vidro de cobertura para electrónica de consumo.

• Vantaxes:

  • Baixo custo:Moito máis barato que os substratos de SiC/GaN.

  • Excelente estabilidade química:Resistente á corrosión, altamente illante.

  • Transparencia:Apto para estruturas LED verticais.

• Desvantaxes:

  • Gran desaxuste de rede con GaN (>13%):Provoca unha alta densidade de defectos, o que require capas de protección.

  • Mala condutividade térmica (~1/20 de silicio):Limita o rendemento dos LED de alta potencia.

7. Substratos cerámicos (AlN, BeO, etc.)

• Aplicacións:Disipadores de calor para módulos de alta potencia.

• Vantaxes:

  • Illante + alta condutividade térmica (AlN: 170–230 W/m·K):Apto para envases de alta densidade.

• Desvantaxes:

  • Non monocristalino:Non poden soportar directamente o crecemento de dispositivos, úsanse só como substratos de empaquetado.

8. substratos especiais

• SOI (silicio sobre illante):

  • Estrutura:Sándwich de silicio/SiO₂/silicio.

  • Vantaxes:Reduce a capacitancia parasitaria, endurece a radiación, suprime as fugas (usado en RF, MEMS).

  • Desvantaxes:Un 30–50 % máis caro que o silicio a granel.

• Cuarzo (SiO₂):Usado en fotomáscaras e MEMS; resistencia a altas temperaturas pero moi fráxil.

• Diamante:Substrato de maior condutividade térmica (>2000 W/m·K), en I+D para unha disipación extrema da calor.

Táboa resumida comparativa

Factores clave para a selección do substrato

• Requisitos de rendemento:GaAs/InP para alta frecuencia; SiC para alta tensión e alta temperatura; GaAs/InP/GaN para optoelectrónica.

• Restricións de custos:A electrónica de consumo prefire o silicio; os campos de gama alta poden xustificar as primas en SiC/GaN.

• Complexidade da integración:O silicio segue sendo irremplazable para a compatibilidade CMOS.

• Xestión térmica:As aplicacións de alta potencia prefiren SiC ou GaN baseado en diamante.

• Madurez da cadea de subministración:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tendencia futura

A integración heteroxénea (por exemplo, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) equilibrará o rendemento e o custo, impulsando os avances no 5G, os vehículos eléctricos e a computación cuántica.