Belangrijkste grondstoffen voor de productie van halfgeleiders: soorten wafersubstraten

Wafersubstraten als sleutelmaterialen in halfgeleiderapparaten

Wafersubstraten zijn de fysieke dragers van halfgeleiderapparaten en hun materiaaleigenschappen bepalen direct de prestaties, kosten en toepassingsgebieden van het apparaat. Hieronder vindt u de belangrijkste soorten wafersubstraten, inclusief hun voor- en nadelen:

1.Silicium (Si)

• Marktaandeel:Is goed voor meer dan 95% van de wereldwijde halfgeleidermarkt.

• Voordelen:

  • Lage kosten:Grondstoffen (siliciumdioxide) zijn ruimschoots aanwezig, productieprocessen zijn geavanceerd en schaalvoordelen zijn groot.

  • Hoge procescompatibiliteit:CMOS-technologie is zeer volwassen en ondersteunt geavanceerde knooppunten (bijv. 3nm).

  • Uitstekende kristalkwaliteit:Er kunnen wafers met een grote diameter (voornamelijk 12 inch, 18 inch in ontwikkeling) met een lage defectdichtheid worden gekweekt.

  • Stabiele mechanische eigenschappen:Gemakkelijk te snijden, polijsten en verwerken.

• Nadelen:

  • Smalle bandkloof (1,12 eV):Hoge lekstroom bij hoge temperaturen, waardoor de efficiëntie van het apparaat wordt beperkt.

  • Indirecte bandgap:Zeer lage lichtemissie-efficiëntie, niet geschikt voor opto-elektronische apparaten zoals LED's en lasers.

  • Beperkte elektronenmobiliteit:Minder goede prestaties bij hoge frequenties vergeleken met samengestelde halfgeleiders.
    

2.Galliumarsenide (GaAs)

• Toepassingen:Hoogfrequente RF-apparaten (5G/6G), opto-elektronische apparaten (lasers, zonnecellen).

• Voordelen:

  • Hoge elektronenmobiliteit (5–6× die van silicium):Geschikt voor hogesnelheids- en hoogfrequentietoepassingen, zoals millimetergolfcommunicatie.

  • Directe bandgap (1,42 eV):Hoogefficiënte foto-elektrische conversie, de basis van infraroodlasers en LED's.

  • Hoge temperatuur- en stralingsbestendigheid:Geschikt voor de lucht- en ruimtevaart en zware omstandigheden.

• Nadelen:

  • Hoge kosten:Schaars materiaal, moeilijke kristalgroei (gevoelig voor verplaatsingen), beperkte wafergrootte (voornamelijk 6 inch).

  • Broze mechanica:Gevoelig voor breuk, wat resulteert in een lage verwerkingsopbrengst.

  • Toxiciteit:Arseen vereist strenge behandeling en milieucontroles.

3. Siliciumcarbide (SiC)

• Toepassingen:Hogetemperatuur- en hoogspanningsvoedingen (omvormers voor elektrische voertuigen, laadstations), lucht- en ruimtevaart.

• Voordelen:

  • Grote bandgap (3,26 eV):Hoge doorslagsterkte (10× die van silicium), hoge temperatuurtolerantie (bedrijfstemperatuur > 200 °C).

  • Hoge thermische geleidbaarheid (≈3× silicium):Uitstekende warmteafvoer, waardoor een hogere vermogensdichtheid van het systeem mogelijk is.

  • Laag schakelverlies:Verbetert de efficiëntie van de energieomzetting.

• Nadelen:

  • Uitdagende substraatvoorbereiding:Langzame kristalgroei (> 1 week), moeilijke defectcontrole (micropijpjes, dislocaties), extreem hoge kosten (5–10× silicium).

  • Klein waferformaat:Voornamelijk 4–6 inch; 8 inch nog in ontwikkeling.

  • Moeilijk te verwerken:Zeer hard (Mohs 9,5), waardoor het snijden en polijsten tijdrovend is.

4. Galliumnitride (GaN)

• Toepassingen:Hoogfrequente elektrische apparaten (snelladen, 5G-basisstations), blauwe leds/lasers.

• Voordelen:

  • Ultrahoge elektronenmobiliteit + brede bandkloof (3,4 eV):Combineert hoge frequentie- (>100 GHz) en hoogspanningsprestaties.

  • Lage weerstand:Vermindert het stroomverlies van het apparaat.

  • Heteroepitaxie compatibel:Wordt meestal op silicium-, saffier- of SiC-substraten aangebracht, waardoor de kosten dalen.

• Nadelen:

  • Moeilijke bulkgroei van monokristallen:Heteroepitaxie is gangbaar, maar roostermismatches veroorzaken defecten.

  • Hoge kosten:Native GaN-substraten zijn erg duur (een 2-inch wafer kan enkele duizenden dollars kosten).

  • Betrouwbaarheidsuitdagingen:Verschijnselen zoals het instorten van de stroomkring vereisen optimalisatie.

5. Indiumfosfide (InP)

• Toepassingen:Hoge snelheid optische communicatie (lasers, fotodetectoren), terahertz-apparaten.

• Voordelen:

  • Ultrahoge elektronenmobiliteit:Ondersteunt >100 GHz-werking en presteert daarmee beter dan GaAs.

  • Directe bandgap met golflengteaanpassing:Kernmateriaal voor 1,3–1,55 μm optische vezelcommunicatie.

• Nadelen:

  • Broos en erg duur:De substraatkosten bedragen meer dan 100× silicium, beperkte wafergroottes (4–6 inch).

6. Saffier (Al₂O₃)

• Toepassingen:LED-verlichting (GaN epitaxiaal substraat), afdekglas voor consumentenelektronica.

• Voordelen:

  • Lage kosten:Veel goedkoper dan SiC/GaN-substraten.

  • Uitstekende chemische stabiliteit:Corrosiebestendig, hoge isolatie.

  • Transparantie:Geschikt voor verticale LED-structuren.

• Nadelen:

  • Grote roostermismatch met GaN (>13%):Veroorzaakt een hoge defectdichtheid, waardoor bufferlagen nodig zijn.

  • Slechte thermische geleidbaarheid (~1/20 van silicium):Beperkt de prestaties van krachtige LED's.

7. Keramische substraten (AlN, BeO, enz.)

• Toepassingen:Warmteverspreiders voor hoogvermogenmodules.

• Voordelen:

  • Isolerend + hoge thermische geleidbaarheid (AlN: 170–230 W/m·K):Geschikt voor verpakkingen met een hoge dichtheid.

• Nadelen:

  • Niet-enkelkristal:Kan de groei van het apparaat niet rechtstreeks ondersteunen, wordt alleen gebruikt als verpakkingssubstraat.

8. Speciale substraten

• SOI (Silicium op Isolator):

  • Structuur:Silicium/SiO₂/silicium sandwich.

  • Voordelen:Vermindert parasitaire capaciteit, stralingsbestendig, onderdrukking van lekkage (gebruikt in RF, MEMS).

  • Nadelen:30–50% duurder dan bulksilicium.

• Kwarts (SiO₂):Wordt gebruikt in fotomaskers en MEMS; bestand tegen hoge temperaturen, maar zeer broos.

• Diamant:Substraat met de hoogste thermische geleidbaarheid (>2000 W/m·K), in onderzoek en ontwikkeling voor extreme warmteafvoer.

Vergelijkende samenvattingstabel

Belangrijkste factoren voor substraatselectie

• Prestatievereisten:GaAs/InP voor hoge frequenties; SiC voor hoge spanning en hoge temperatuur; GaAs/InP/GaN voor opto-elektronica.

• Kostenbeperkingen:Consumentenelektronica geeft de voorkeur aan silicium; high-end velden kunnen de meerprijs voor SiC/GaN rechtvaardigen.

• Integratiecomplexiteit:Silicium blijft onvervangbaar voor CMOS-compatibiliteit.

• Thermisch beheer:Voor toepassingen met hoog vermogen is SiC of GaN op diamantbasis de voorkeur.

• Volwassenheid van de toeleveringsketen:Si > Saffier > GaAs > SiC > GaN > InP.

Toekomstige trend

Heterogene integratie (bijvoorbeeld GaN-op-Si, GaN-op-SiC) zorgt voor een evenwicht tussen prestaties en kosten, wat leidt tot vooruitgang op het gebied van 5G, elektrische voertuigen en quantumcomputing.