Materie prime chjave per a pruduzzione di semiconduttori: Tipi di substrati di wafer

Substrati di wafer cum'è materiali chjave in i dispositivi semiconduttori

I substrati di wafer sò i supporti fisichi di i dispositivi semiconduttori, è e so proprietà di materiale determinanu direttamente e prestazioni di u dispositivu, u costu è i campi d'applicazione. Quì sottu sò i principali tipi di substrati di wafer cù i so vantaghji è svantaghji:

1.Siliciu (Si)

• Quota di Mercatu:Rapprisenta più di u 95% di u mercatu mundiale di semiconduttori.

• Vantaghji:

  • Costu bassu:Materie prime abbundanti (diossidu di siliciu), prucessi di fabricazione maturi è forti economie di scala.

  • Alta cumpatibilità di prucessu:A tecnulugia CMOS hè assai matura, supportendu nodi avanzati (per esempiu, 3 nm).

  • Eccellente qualità di cristallu:Si ponu cultivà wafer di grande diametru (principalmente 12 pollici, 18 pollici in sviluppu) cù una bassa densità di difetti.

  • Proprietà meccaniche stabili:Facile da taglià, lucidà è manipulà.

• Svantaghji:

  • Banda proibita stretta (1,12 eV):Alta corrente di dispersione à temperature elevate, chì limita l'efficienza di u dispusitivu di putenza.

  • Banda proibita indiretta:Efficienza di emissione luminosa assai bassa, inadatta per dispositivi optoelettronici cum'è LED è laser.

  • Mobilità elettronica limitata:Prestazioni d'alta frequenza inferiori paragunate à i semiconduttori cumposti.
    

2.Arsenuru di galliu (GaAs)

• Applicazioni:Dispositivi RF d'alta frequenza (5G/6G), dispositivi optoelettronici (laser, celle solari).

• Vantaghji:

  • Alta mobilità elettronica (5-6× quella di u siliciu):Adattu per applicazioni à alta velocità è alta frequenza cum'è a cumunicazione à onde millimetriche.

  • Banda proibita diretta (1,42 eV):Cunversione fotoelettrica à alta efficienza, a basa di i laser infrarossi è di i LED.

  • Resistenza à alta temperatura è radiazioni:Adattu per l'aerospaziale è l'ambienti difficili.

• Svantaghji:

  • Costu elevatu:Materiale scarsu, crescita cristallina difficiule (propensa à dislocazioni), dimensione limitata di a cialda (principalmente 6 pollici).

  • Meccanica fragile:Propensu à a frattura, risultendu in un bassu rendimentu di trasfurmazione.

  • Tossicità:L'arsenicu richiede una manipulazione stretta è cuntrolli ambientali.

3. Carburu di Siliciu (SiC)

• Applicazioni:Dispositivi di putenza à alta temperatura è alta tensione (inverter EV, stazioni di ricarica), aerospaziale.

• Vantaghji:

  • Banda proibita larga (3,26 eV):Alta resistenza à a rottura (10 × quella di u siliciu), tolleranza à alta temperatura (temperatura di funziunamentu > 200 °C).

  • Alta conducibilità termica (≈3 × siliciu):Eccellente dissipazione di u calore, chì permette una più alta densità di putenza di u sistema.

  • Perdita di commutazione bassa:Migliora l'efficienza di cunversione di putenza.

• Svantaghji:

  • Preparazione di u sustratu difficiule:Crescita lenta di i cristalli (> 1 settimana), cuntrollu difficiule di i difetti (microtubi, dislocazioni), costu estremamente altu (5-10× siliciu).

  • Piccula dimensione di a cialda:Principalmente 4-6 pollici; 8 pollici hè sempre in sviluppu.

  • Difficile à trattà:Assai duru (Mohs 9.5), ciò chì rende u tagliu è a lucidatura assai longhi.

4. Nitruru di galliu (GaN)

• Applicazioni:Dispositivi di putenza à alta frequenza (carica rapida, stazioni base 5G), LED/laser blu.

• Vantaghji:

  • Mobilità elettronica ultra-alta + banda proibita larga (3,4 eV):Combina prestazioni d'alta frequenza (>100 GHz) è d'alta tensione.

  • Resistenza bassa:Riduce a perdita di putenza di u dispusitivu.

  • Compatibile cù l'eteroepitaxia:Cresciutu cumunimenti nantu à substrati di siliciu, zaffiro o SiC, riducendu u costu.

• Svantaghji:

  • Crescita di monocristalli in massa difficiule:L'eteroepitassia hè mainstream, ma a disallineamentu di u reticolo introduce difetti.

  • Costu elevatu:I substrati di GaN nativi sò assai cari (una cialda di 2 pollici pò custà parechji millaie di dollari).

  • Sfide di affidabilità:Fenomeni cum'è u crollu attuale richiedenu ottimizazione.

5. Fosfuru d'indiu (InP)

• Applicazioni:Cumunicazioni ottiche à alta velocità (laser, fotodetettori), dispositivi terahertz.

• Vantaghji:

  • Mobilità elettronica ultra-alta:Supporta un funziunamentu >100 GHz, superendu GaAs.

  • Bandgap direttu cù adattazione di lunghezza d'onda:Materiale centrale per cumunicazioni in fibra ottica da 1,3–1,55 μm.

• Svantaghji:

  • Fragile è assai caru:U costu di u substratu supera 100 × siliciu, dimensioni di e wafer limitate (4-6 pollici).

6. Zaffiru (Al₂O₃)

• Applicazioni:Illuminazione LED (substratu epitassiale di GaN), vetru di copertura per l'elettronica di cunsumu.

• Vantaghji:

  • Costu bassu:Assai più economicu chè i substrati SiC/GaN.

  • Eccellente stabilità chimica:Resistente à a currusione, assai isolante.

  • Trasparenza:Adattu per strutture LED verticali.

• Svantaghji:

  • Grande discrepanza di reticolo cù GaN (> 13%):Provoca una alta densità di difetti, chì richiede strati buffer.

  • Scarsa conducibilità termica (~1/20 di siliciu):Limita e prestazioni di i LED di alta putenza.

7. Substrati ceramici (AlN, BeO, ecc.)

• Applicazioni:Diffusori di calore per moduli di alta putenza.

• Vantaghji:

  • Isolante + alta conducibilità termica (AlN: 170–230 W/m·K):Adattu per imballaggi ad alta densità.

• Svantaghji:

  • Micca monocristallinu:Ùn pò micca sustene direttamente a crescita di i dispusitivi, aduprati solu cum'è substrati d'imballaggio.

8. Substrati Speciali

• SOI (Siliciu nantu à Isolante):

  • Struttura:Sandwich di siliciu/SiO₂/siliciu.

  • Vantaghji:Riduce a capacità parassitaria, induritu da a radiazione, soppressione di e perdite (utilizatu in RF, MEMS).

  • Svantaghji:30-50% più caru chè u siliciu in massa.

• Quarzu (SiO₂):Adupratu in fotomaschere è MEMS; resistenza à alta temperatura ma assai fragile.

• Diamante:Sustratu di più alta conducibilità termica (>2000 W/m·K), in fase di R&S per una dissipazione estrema del calore.

Tavula di riassuntu cumparativu

Fattori chjave per a selezzione di u substratu

• Requisiti di prestazione:GaAs/InP per alta frequenza; SiC per alta tensione, alta temperatura; GaAs/InP/GaN per optoelettronica.

• Vincoli di costu:L'elettronica di cunsumu favurisce u siliciu; i campi di fascia alta ponu ghjustificà i premii SiC/GaN.

• Cumplessità di l'integrazione:U siliciu ferma insustituibile per a cumpatibilità CMOS.

• Gestione termica:L'applicazioni di alta putenza preferiscenu SiC o GaN à basa di diamanti.

• Maturità di a catena di furnimentu:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tendenza Futura

L'integrazione eterogenea (per esempiu, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) equilibrerà e prestazioni è u costu, stimulendu i progressi in u 5G, i veiculi elettrichi è l'informatica quantica.