Materia prima clave en la fabricación de semiconductores: tipos de sustratos de obleas

Los sustratos de obleas sirven como portadores físicos de dispositivos semiconductores, con sus propiedades materiales que influyen directamente en el rendimiento, el costo y el alcance de aplicación del dispositivo.A continuación se presentan los principales tipos de sustratos de obleas y sus respectivas ventajas y desventajas:

1. Silicio (Si)

Cuota de mercado: domina más del 95% del mercado mundial de semiconductores.

Ventajas:

• Bajo coste: las abundantes materias primas (dióxido de silicio) y los procesos de fabricación maduros permiten economías de escala significativas.
• Alta compatibilidad de procesos: la tecnología CMOS altamente madura admite la fabricación a nanoescala (por ejemplo, nodos de 3 nm).
• Excelente calidad de cristal: capaz de producir cristales individuales de gran tamaño (12-inch primario, 18-inch en desarrollo) con bajos defectos.
• Propiedades mecánicas estables: fácil de cortar, pulir y procesar.

- ¿ Qué?

Desventajas:

• Intervalo de banda estrecho (1.12 eV): alta corriente de fuga a temperaturas elevadas, lo que limita la eficiencia de los dispositivos de potencia.
• Bandgap indirecto: Eficiencia de emisión de luz extremadamente baja, no adecuada para dispositivos optoelectrónicos (por ejemplo, LED, láseres).
• Movilidad electrónica limitada: Rendimiento de alta frecuencia inferior en comparación con los semiconductores compuestos.

- ¿ Qué?

Las obleas de silicio de ZMSH

2Arsenuro de galio (GaAs)

Aplicaciones: dispositivos de RF de alta frecuencia (5G/6G), dispositivos optoelectrónicos (láseres, células solares).

Ventajas:

• Alta movilidad de electrones (56× la del silicio): ideal para aplicaciones de alta velocidad y alta frecuencia (comunicaciones en mmWave).
• Bandgap directo (1.42 eV): conversión fotoeléctrica eficiente, que forma la base de los láseres infrarrojos y los LED.
• Resistencia térmica/radiación: adecuado para el sector aeroespacial y los ambientes de altas temperaturas.

Desventajas:

• Alto costo: material escaso con crecimiento de cristales complejos (propenso a dislocaciones); los tamaños de las obleas son pequeños (6 pulgadas primarias).
• Fragilidad mecánica: propensa a la fragmentación, lo que resulta en bajos rendimientos de procesamiento.
• Toxicidad: se requiere un control estricto para el manejo del arsénico.

- ¿ Qué?

Las obleas de GaAs de ZMSH

3. Carburo de silicio (SiC)

Aplicaciones: Dispositivos de energía de alta temperatura/alta tensión (inversores de vehículos eléctricos, pilas de carga), aeroespacial.

Ventajas:

• Amplia banda (3,26 eV): soporta altos voltajes (intensidad del campo de descomposición 10 veces la del silicio) y funciona a > 200 °C.
• Alta conductividad térmica (3 veces la del silicio): una disipación de calor eficiente mejora la densidad de potencia del sistema.
• Bajas pérdidas de conmutación: mejora la eficiencia de conversión de energía.

Desventajas:

• Preparación de sustrato desafiante: crecimiento lento de los cristales (> 1 semana) y difícil control de defectos (microtubos, dislocaciones); cuesta 5×10 veces el del silicio.
• Tamaños de obleas pequeñas: 4 ′′ 6 pulgadas; desarrollo de 8 pulgadas en curso.
• Procesamiento difícil: La alta dureza (Mohs 9.5) hace que el corte y el pulido consuman mucho tiempo.

- ¿ Qué?

Las obleas de SiC de ZMSH

4Nitruro de galio (GaN)

Aplicaciones: dispositivos de energía de alta frecuencia (cargadores rápidos, estaciones base 5G), LED/láseres azules.

Ventajas:

• "Movilidad de electrones ultra-alta + amplio intervalo de banda (3,4 eV) ": Combina características de alta frecuencia (> 100 GHz) y alta tensión.
• Baja resistencia de encendido: reduce el consumo de energía del dispositivo.
• Compatibilidad epitaxial heterogénea: A menudo se cultiva en sustratos de silicio, zafiro o SiC para reducir los costos.

- ¿ Qué?

Desventajas:

• Dificultad en el crecimiento de cristales a granel: la corriente principal se basa en la epitaxia heterogénea, con defectos inducidos por el desajuste de la red.
• Costo alto: Los sustratos de GaN autoportantes son caros (las obleas de 2 pulgadas pueden costar miles de dólares).
• Desafíos de confiabilidad: el efecto de colapso actual requiere optimización.

Las obleas de GaN de ZMSH

5. El fósforo-índio (InP)

Aplicaciones: optoelectrónica de alta velocidad (láseres, detectores), dispositivos de terahercios.

Ventajas:

• Mover electrones ultraaltos: admite una operación de alta frecuencia > 100 GHz (superior a la de GaAs).
• Intervalo de banda directo con coincidencia de longitud de onda: crítico para las comunicaciones de fibra óptica de 1,3 ∼ 1,55 μm.

Desventajas:

• Fragilidad y alto costo: los precios del sustrato son más de 100 veces los del silicio; los tamaños de las obleas son pequeños (4 ′′ 6 pulgadas).

- ¿ Qué?

El ZMSHEn el POferta

6. Zafiro (Al2O3)

Aplicaciones: iluminación LED (substrato epitaxial de GaN), cubiertas de electrónica de consumo.

Ventajas:

• Bajo coste: más barato que los sustratos de SiC/GaN.
• Estabilidad química: resistente a la corrosión y aislante.
• Transparencia: adecuado para LEDs de estructura vertical.

Desventajas:

• Desajuste de red con GaN (> 13%) : Requiere capas tampón para reducir los defectos epitaxiales.
• Mala conductividad térmica (≈1/20 de la del silicio): limita el rendimiento de los LED de alta potencia.

El ZMSHel zafiroOferta

7. Óxido de aluminio y sustratos cerámicos (por ejemplo, AlN, BeO)

Aplicaciones: sustratos de disipación de calor para módulos de alta potencia.

Ventajas:

• Aislamiento + alta conductividad térmica (AlN: 170 ∼ 230 W/m·K): ideal para envases de alta densidad.

Desventajas:

• Dispositivos no de cristal único: no pueden cultivarse directamente; se utilizan únicamente como sustratos de embalaje.

El sustrato cerámico de alumina de ZMSH

8. Substratos especializados

• Se trata de un sistema de control de la calidad de los materiales.

1. Estructura: Silicio/dióxido de silicio/sándwich de silicio.- ¿ Qué?
2. Ventajas: Reduce la capacidad parasitaria, la dureza de la radiación y la corriente de fuga (utilizada en RF, MEMS).
3. Desventajas: 30­50% más caro que el silicio a granel.

• Quarzo (SiO2):Se usa en las máscaras fotográficas, MEMS; resistente al calor pero quebradizo.
• Diamante:Conductividad térmica máxima (> 2000 W/m·K) en desarrollo para disipación de calor extrema.

Wafer de SOI de ZMSH, wafer de cuarzo, sustrato de diamante

Resumen de la tabla de comparación

Factores clave para la selección

1. Requisitos de rendimiento: las aplicaciones de alta frecuencia prefieren GaAs/InP; las aplicaciones de alto voltaje/alta temperatura requieren SiC; la optoelectrónica prefiere GaAs/InP/GaN.
2. Limitaciones de costes: los productos electrónicos de consumo dan prioridad al silicio; los campos de gama alta aceptan precios superiores para el SiC/GaN.
3. Complejidad de integración: la compatibilidad CMOS de silicio sigue siendo inigualable.
4. Gestión térmica: los dispositivos de alta potencia priorizan el SiC o el GaN basado en diamantes.
5. Madurez de la cadena de suministro: Silicio > Zafiro > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tendencias futuras

La integración heterogénea (por ejemplo, GaN en silicio, SiC en GaN) equilibrará el rendimiento y el costo, impulsando avances en 5G, vehículos eléctricos y computación cuántica.

Servicios de la ZMSH - ¿ Qué?

Como proveedor de servicios integrales de fabricación y comercio de materiales semiconductores, ofrecemos soluciones de cadena de suministro de productos de cadena completa a partir de sustratos de obleas (Si / GaAs / SiC / GaN, etc.) a los fotoresistentes y a los materiales de pulido CMP. Aprovechando las bases de producción auto-desarrolladas y una red de cadena de suministro globalizada,Combinamos capacidades de respuesta rápida con soporte técnico profesional para capacitar a los clientes para lograr operaciones estables de la cadena de suministro y resultados de innovación tecnológica mutuamente beneficiosos.- ¿ Por qué?