Materie prime chiave nella produzione di semiconduttori: tipi di substrati di wafer

I substrati di wafer servono come portatori fisici di dispositivi semiconduttori, con le loro proprietà materiali che influenzano direttamente le prestazioni, il costo e la portata dell'applicazione del dispositivo.Di seguito sono riportati i principali tipi di substrati a wafer e i loro rispettivi vantaggi e svantaggi:

1. silicio (Si)

Parte di mercato: domina oltre il 95% del mercato mondiale dei semiconduttori.

Vantaggi:

• Basso costo: l'abbondanza di materie prime (diossido di silicio) e i processi di fabbricazione maturi consentono notevoli economie di scala.
• Alta compatibilità dei processi: la tecnologia CMOS altamente matura supporta la fabbricazione su scala nanometrica (ad esempio, nodi a 3 nm).
• Qualità cristallina eccellente: in grado di produrre singoli cristalli a basso difetto di grandi dimensioni (12-inch primary, 18-inch under development).
• Proprietà meccaniche stabili: facile da tagliare, lucidare e trasformare.

- Sì.

Svantaggi:

• Distanza di banda stretta (1,12 eV): corrente di perdita elevata a temperature elevate, che limita l'efficienza dei dispositivi di potenza.
• Indirect Bandgap : Eficienza di emissione luminosa estremamente bassa, non adatta per dispositivi optoelettronici (ad esempio, LED, laser).
• Mobilità elettronica limitata: prestazioni ad alta frequenza inferiori rispetto ai semiconduttori composti.

- Sì.

Wafer di silicio della ZMSH

2Arsenuro di gallio (GaAs)

Applicazioni: dispositivi RF ad alta frequenza (5G/6G), dispositivi optoelettronici (laser, celle solari).

Vantaggi:

• Alta mobilità elettronica (5 ‰ 6 × quella del silicio): ideale per applicazioni ad alta velocità e ad alta frequenza (comunicazioni in mmWave).
• Direct Bandgap (1,42 eV): conversione fotoelettrica efficiente, che costituisce la base dei laser a infrarossi e dei LED.
• Resistenza termica/radiazionale: adatta per ambienti aerospaziali e ad alte temperature.

Svantaggi:

• Costi elevati: materiale scarsamente disponibile con una crescita cristallina complessa (incline alle lussazioni); le dimensioni dei wafer sono piccole (6 pollici primari).
• Fragilità meccanica: soggetta a frammentazione, con conseguente bassa resa di lavorazione.
• Toxicità: è necessario un controllo rigoroso per la manipolazione dell'arsenico.

- Sì.

Wafer GaAs di ZMSH

3Carburo di silicio (SiC)

Applicazioni: dispositivi di alimentazione ad alta temperatura/alta tensione (inverter EV, pile di ricarica), aerospaziale.

Vantaggi:

• Largo intervallo di banda (3,26 eV): resiste ad elevate tensioni (intensità di campo di degradazione 10 volte quella del silicio) e funziona a > 200 °C.
• Alta conduttività termica (3 volte quella del silicio): una dissipazione del calore efficiente aumenta la densità di potenza del sistema.
• Basse perdite di commutazione: migliora l'efficienza di conversione di potenza.

Svantaggi:

• Preparazione del substrato difficile: crescita cristallina lenta (> 1 settimana) e controllo diffi­cile dei difetti (microtubes, lussazioni); costi 5×10 volte quelli del silicio.
• Dimensioni di Wafer Piccole: Mainstream 4 ′′ 6 pollici; lo sviluppo di 8 pollici è in corso.
• Difficile di lavorazione: la sua alta durezza (Mohs 9.5) rende il taglio e la lucidatura molto dispendiosi.

- Sì.

Wafer SiC di ZMSH

4. Nitruro di gallio (GaN)

Applicazioni: dispositivi di alimentazione ad alta frequenza (caricabatterie veloci, stazioni base 5G), LED/laser blu.

Vantaggi:

• b. "tecnologia" per l'elaborazione, la produzione e la distribuzione di dati e/o dati, compresa l'elaborazione e la distribuzione di dati e/o dati;
• Bassa resistenza: riduce il consumo di energia del dispositivo.
• Compatibilità eterogenea dell'epitaxia: spesso coltivata su substrati di silicio, zaffiro o SiC per ridurre i costi.

- Sì.

Svantaggi:

• Difficoltà nella crescita dei cristalli in massa: il mainstream si basa sull'epitaxia eterogenea, con difetti indotti da disallineamento del reticolo.
• Costi elevati: i substrati GaN autosostenibili sono costosi (i wafer da 2 pollici possono costare migliaia di dollari).
• Sfide di affidabilità: l'effetto di collasso corrente richiede ottimizzazione.

Wafer GaN di ZMSH

5. Fosforo-indio (InP)

Applicazioni: optoelettronica ad alta velocità (laser, rilevatori), dispositivi terahertz.

Vantaggi:

• b. sistemi di controllo di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità di velocità.
• Diretto bandgap con corrispondenza di lunghezza d'onda: critico per le comunicazioni in fibra ottica da 1,3 a 1,55 μm.

Svantaggi:

• Fragilità e alto costo: i prezzi del substrato sono più di 100 volte quelli del silicio; le dimensioni dei wafer sono piccole (4 ′′ 6 pollici).

- Sì.

ZMSHInPOfrelle

6Zaffiro (Al2O3)

Applicazioni: illuminazione a LED (sottostati epitaxiali GaN), rivestimenti per elettronica di consumo.

Vantaggi:

• Basso costo: più economico dei substrati SiC/GaN.
• Stabilità chimica: resistente alla corrosione e isolante.
• Trasparenza: adatto ai LED a struttura verticale.

Svantaggi:

• Disadattamento del reticolo con GaN (> 13%) : richiede strati tampone per ridurre i difetti epitaxiali.
• Scarsa conduttività termica (≈1/20 di quella del silicio): limita le prestazioni dei LED ad alta potenza.

ZMSHgialloOfrelle

7. Ossido di alluminio/sottostrati ceramici (ad esempio, AlN, BeO)

Applicazioni: substrati di dissipazione del calore per moduli ad alta potenza.

Vantaggi:

• Isolamento + elevata conduttività termica (AlN: 170 ̊230 W/m·K): ideale per imballaggi ad alta densità.

Svantaggi:

• Dispositivi non monocristallini: non possono essere utilizzati per la coltivazione diretta; utilizzati esclusivamente come substrati di imballaggio.

Substrato in ceramica di allumina di ZMSH

8. Substrati specializzati

• SOI (silicone su isolante):

1. Struttura: silicio/diossido di silicio/sandwich di silicio.- Sì.
2. Vantaggi: riduce la capacità parassitaria, la durezza delle radiazioni e la corrente di fuga (utilizzata in RF, MEMS).
3. Svantaggi: costo superiore del 30­50% rispetto al silicio sfuso.

• Quarzo (SiO2):Utilizzato in foto-maschere, MEMS; resistente al calore ma fragile.
• Diamante:Conducibilità termica massima (> 2000 W/m·K) in fase di sviluppo per dissipazione termica estrema.

Wafer SOI di ZMSH, wafer di quarzo, substrato di diamanti

Riassunto della tabella di confronto

Fattori chiave per la selezione

1. Requisiti di prestazione: le applicazioni ad alta frequenza preferiscono GaAs/InP; le applicazioni ad alta tensione/alta temperatura richiedono SiC; l'optoelettronica preferisce GaAs/InP/GaN.
2. Limiti dei costi: l'elettronica di consumo dà la priorità al silicio; i settori di fascia alta accettano prezzi premium per il SiC/GaN.
3. Complessità di integrazione: la compatibilità CMOS in silicio rimane senza rivali.
4. Gestione termica: i dispositivi ad alta potenza danno la priorità al SiC o al GaN a base di diamanti.
5. Maturità della catena di approvvigionamento: silicio > zaffiro > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tendenze future

L'integrazione eterogenea (ad esempio, GaN sul silicio, SiC sul GaN) bilancerà prestazioni e costi, guidando i progressi nel 5G, veicoli elettrici e calcolo quantistico.

Servizi della ZMSH - Sì.

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