Halvledarsubstratskiva: Materialegenskaper hos kisel, GaAs, SiC och GaN

01. Grunderna ihalvledarsubstratskiva

1.1 Definition av halvledarsubstrat

Halvledarsubstrat hänvisar till det grundläggande materialet som används vid tillverkning av halvledarenheter, vanligtvis enkristallina eller polykristallina material tillverkade av högrenad och kristalltillväxtteknologi. Substratskivor är vanligtvis tunna och solida arkstrukturer, på vilka olika halvledarenheter och kretsar tillverkas. Renheten och kvaliteten på substratet påverkar direkt prestandan och tillförlitligheten hos den slutliga halvledarenheten.

1.2 Substratwafers roll och användningsområde

Substratskivor spelar en viktig roll i halvledartillverkningsprocessen. Som bas för enheter och kretsar stödjer substratskivor inte bara strukturen av hela enheten, utan ger också nödvändigt stöd i elektriska, termiska och mekaniska aspekter. Dess huvudfunktioner inkluderar:

Mekaniskt stöd: Tillhandahålla en stabil strukturell grund för att stödja efterföljande tillverkningssteg.

Termisk hantering: Hjälp till att avleda värme för att förhindra att överhettning påverkar enhetens prestanda.

Elektriska egenskaper: Påverkar enhetens elektriska egenskaper, såsom ledningsförmåga, bärares rörlighet, etc.

När det gäller användningsområden används substratskivor i stor utsträckning i:

Mikroelektroniska enheter: såsom integrerade kretsar (IC), mikroprocessorer, etc.

Optoelektroniska enheter: såsom lysdioder, lasrar, fotodetektorer, etc.

Högfrekventa elektroniska enheter: som RF-förstärkare, mikrovågsenheter, etc.

Power elektroniska enheter: såsom effektomvandlare, växelriktare, etc.

02. Halvledarmaterial och deras egenskaper

Silikon (Si) substrat

· Skillnaden mellan enkristallint kisel och polykristallint kisel:

Kisel är det vanligaste halvledarmaterialet, främst i form av enkristallint kisel och polykristallint kisel. Enkristallkisel består av en kontinuerlig kristallstruktur, med hög renhet och defektfria egenskaper, vilket är mycket lämpligt för högpresterande elektroniska enheter. Polykristallint kisel är sammansatt av flera korn, och det finns korngränser mellan kornen. Även om tillverkningskostnaden är låg, är den elektriska prestandan dålig, så den används vanligtvis i vissa lågpresterande eller storskaliga tillämpningsscenarier, såsom solceller.

·Elektroniska egenskaper och fördelar med kiselsubstrat:

Kiselsubstrat har goda elektroniska egenskaper, såsom hög bärarmobilitet och måttlig energigap (1,1 eV), vilket gör kisel till ett idealiskt material för tillverkning av de flesta halvledarenheter.

Dessutom har kiselsubstrat följande fördelar:

Hög renhet: Genom avancerad renings- och tillväxtteknik kan enkristallkisel med mycket hög renhet erhållas.

Kostnadseffektivitet: Jämfört med andra halvledarmaterial har kisel en låg kostnad och en mogen tillverkningsprocess.

Oxidbildning: Kisel kan naturligt bilda ett lager av kiseldioxid (SiO2), vilket kan fungera som ett bra isolerande lager vid tillverkning av enheter.

Galliumarsenid (GaAs) substrat

· Högfrekventa egenskaper hos GaAs:

Galliumarsenid är en sammansatt halvledare som är särskilt lämplig för högfrekventa och höghastighets elektroniska enheter på grund av sin höga elektronrörlighet och breda bandgap. GaAs-enheter kan arbeta vid högre frekvenser med högre effektivitet och lägre ljudnivåer. Detta gör GaAs till ett viktigt material i mikrovågs- ​​och millimetervågsapplikationer.

· Tillämpning av GaAs i optoelektronik och högfrekventa elektroniska enheter:

På grund av dess direkta bandgap används GaAs också i stor utsträckning i optoelektroniska enheter. Till exempel används GaAs-material i stor utsträckning vid tillverkning av lysdioder och lasrar. Dessutom gör den höga elektronrörligheten hos GaAs att det fungerar bra i RF-förstärkare, mikrovågsenheter och satellitkommunikationsutrustning.

Silicon Carbide (SiC) Substrat

· Termisk konduktivitet och höga effektegenskaper hos SiC:

Kiselkarbid är en halvledare med brett bandgap med utmärkt värmeledningsförmåga och högt elektriskt fält. Dessa egenskaper gör SiC mycket lämplig för applikationer med hög effekt och hög temperatur. SiC-enheter kan fungera stabilt vid spänningar och temperaturer flera gånger högre än silikonenheter.

· Fördelar med SiC i kraftelektronik:

SiC-substrat visar betydande fördelar i kraftelektroniska enheter, såsom lägre kopplingsförluster och högre effektivitet. Detta gör SiC alltmer populärt i högeffektomvandlingsapplikationer som elfordon, vind- och solomriktare. Dessutom används SiC i stor utsträckning inom flyg- och industrikontroll på grund av dess höga temperaturbeständighet.

Galliumnitrid (GaN) substrat

· Hög elektronrörlighet och optiska egenskaper hos GaN:

Galliumnitrid är en annan halvledare med stort bandgap med extremt hög elektronrörlighet och starka optiska egenskaper. Den höga elektronrörligheten hos GaN gör den mycket effektiv i applikationer med hög frekvens och hög effekt. Samtidigt kan GaN avge ljus i det ultravioletta till synliga området, lämpligt för en mängd olika optoelektroniska enheter.

· Tillämpning av GaN i kraft- och optoelektroniska enheter:

Inom kraftelektronikområdet utmärker GaN-enheter sig när det gäller att byta strömförsörjning och RF-förstärkare på grund av deras höga elektriska genombrottsfält och låga på-motstånd. Samtidigt spelar GaN också en viktig roll i optoelektroniska enheter, särskilt vid tillverkning av lysdioder och laserdioder, vilket främjar utvecklingen av belysnings- och displayteknik.

· Potential för framväxande material i halvledare:

Med utvecklingen av vetenskap och teknik har framväxande halvledarmaterial som galliumoxid (Ga2O3) och diamant visat stor potential. Galliumoxid har ett ultrabrett bandgap (4,9 eV) och är mycket lämpligt för elektroniska enheter med hög effekt, medan diamant anses vara ett idealiskt material för nästa generations högeffekts- och högfrekventa tillämpningar på grund av dess utmärkta termiska egenskaper. konduktivitet och extremt hög bärarrörlighet. Dessa nya material förväntas spela en viktig roll i framtida elektroniska och optoelektroniska enheter.

03. Tillverkningsprocess för wafer

3.1 Tillväxtteknik för substratwafers

3.1.1 Czochralski-metoden (CZ-metoden)

Czochralski-metoden är den mest använda metoden för tillverkning av enkristallkiselskivor. Det görs genom att sänka en frökristall i smält kisel och sedan långsamt dra ut den, så att det smälta kislet kristalliserar på frökristallen och växer till en enda kristall. Denna metod kan producera enkristallkisel i stor storlek av hög kvalitet, som är mycket lämplig för tillverkning av storskaliga integrerade kretsar.

3.1.2 Bridgman-metoden

Bridgman-metoden används vanligtvis för att odla sammansatta halvledare, såsom galliumarsenid. I denna metod värms råvarorna till smält tillstånd i en degel och kyls sedan långsamt för att bilda en enda kristall. Bridgman-metoden kan styra tillväxthastigheten och riktningen för kristallen och är lämplig för produktion av komplexa sammansatta halvledare.

3.1.3 Molecular beam epitaxi (MBE)

Molecular beam epitaxi är en teknik som används för att odla ultratunna halvledarskikt på substrat. Den bildar högkvalitativa kristallskikt genom att exakt kontrollera molekylstrålar av olika element i en miljö med ultrahögt vakuum och avsätta dem lager för lager på substratet. MBE-teknologin är särskilt lämplig för tillverkning av kvantprickar med hög precision och ultratunna heterojunction-strukturer.

3.1.4 Kemisk ångavsättning (CVD)

Kemisk ångavsättning är en tunnfilmsavsättningsteknik som används i stor utsträckning vid tillverkning av halvledare och andra högpresterande material. CVD bryter ner gasformiga prekursorer och avsätter dem på substratytan för att bilda en fast film. CVD-teknik kan producera filmer med mycket kontrollerad tjocklek och sammansättning, vilket är mycket lämpligt för tillverkning av komplexa enheter.

3.2 Skärning och polering av rån

3.2.1 Teknik för skärning av kiselskivor

Efter att kristalltillväxten är klar kommer den stora kristallen att skäras i tunna skivor för att bli rån. Skärning av kiselskivor använder vanligtvis diamantsågblad eller trådsågsteknik för att säkerställa skärningsnoggrannheten och minska materialförlusten. Skärprocessen måste kontrolleras exakt för att säkerställa att tjockleken och ytplanheten på skivan uppfyller kraven.

-------------------------------------------------- -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- ------------------------------------------

VeTek Semiconductor är en professionell kinesisk tillverkare av4° utanför axeln p-typ SiC Wafer, 4H N typ SiC-substrat, och4H Halvisolerande typ SiC Substrat.  VeTek Semiconductor har åtagit sig att tillhandahålla avancerade lösningar för olikaSiC Waferprodukter för halvledarindustrin. 

Om du är intresserad avHalvledarsubstratskivas, vänligen kontakta oss direkt.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

E-post: anny@veteksemi.com