SiCOI-Wafer 4 Zoll 6 Zoll HPSI SiC SiO2 Si-Subtratstruktur

Kurzbeschreibung:

Dieser Artikel bietet einen detaillierten Überblick über Siliziumkarbid-auf-Isolator (SiCOI)-Wafer, insbesondere über 4- und 6-Zoll-Substrate mit hochreinen, halbisolierenden (HPSI) Siliziumkarbid-Schichten (SiC), die auf Siliziumdioxid-Isolierschichten (SiO₂) auf Siliziumsubstraten (Si) aufgebracht sind. Die SiCOI-Struktur vereint die herausragenden elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften von SiC mit den Vorteilen der elektrischen Isolation durch die Oxidschicht und der mechanischen Stabilität des Siliziumsubstrats. Durch die Verwendung von HPSI-SiC wird die Leistungsfähigkeit von Bauelementen verbessert, indem die Substratleitfähigkeit minimiert und parasitäre Verluste reduziert werden. Dadurch eignen sich diese Wafer ideal für Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperatur-Halbleiteranwendungen. Der Herstellungsprozess, die Materialeigenschaften und die strukturellen Vorteile dieser Mehrschichtkonfiguration werden erörtert, wobei ihre Relevanz für die Leistungselektronik und mikroelektromechanische Systeme (MEMS) der nächsten Generation hervorgehoben wird. Die Studie vergleicht außerdem die Eigenschaften und potenziellen Anwendungen von 4-Zoll- und 6-Zoll-SiCOI-Wafern und hebt dabei die Skalierbarkeit und Integrationsmöglichkeiten für fortschrittliche Halbleiterbauelemente hervor.

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Merkmale

Struktur des SiCOI-Wafers

HPB (High-Performance Bonding), BIC (Bonded Integrated Circuit) und SOD (Silicon-on-Diamond- oder Silicon-on-Insulator-ähnliche Technologie). Dazu gehören:

Leistungskennzahlen:

Listet Parameter wie Genauigkeit, Fehlertypen (z. B. „Kein Fehler“, „Wertabstand“) und Dickenmessungen (z. B. „Direktschichtdicke/kg“) auf.

Eine Tabelle mit numerischen Werten (möglicherweise experimentelle oder Prozessparameter) unter Überschriften wie "ADDR/SYGBDT", "10/0", usw.

Schichtdickendaten:

Umfangreiche, sich wiederholende Einträge mit der Bezeichnung „L1 Dicke (A)“ bis „L270 Dicke (A)“ (wahrscheinlich in Ångström, 1 Å = 0,1 nm).

Deutet auf eine mehrschichtige Struktur mit präziser Dickenkontrolle für jede Schicht hin, wie sie typisch für moderne Halbleiterwafer ist.

SiCOI-Waferstruktur

SiCOI (Siliciumcarbid auf Isolator) ist eine spezielle Waferstruktur, die Siliziumcarbid (SiC) mit einer Isolierschicht kombiniert, ähnlich wie SOI (Silicium auf Isolator), jedoch optimiert für Hochleistungs-/Hochtemperaturanwendungen. Hauptmerkmale:

Ebenenzusammensetzung:

Deckschicht: Einkristallines Siliziumkarbid (SiC) für hohe Elektronenbeweglichkeit und thermische Stabilität.

Vergrabener Isolator: Typischerweise SiO₂ (Oxid) oder Diamant (in SOD), um die parasitäre Kapazität zu reduzieren und die Isolation zu verbessern.

Grundsubstrat: Silizium oder polykristallines SiC zur mechanischen Unterstützung

Eigenschaften von SiCOI-Wafern

Elektrische Eigenschaften Große Bandlücke (3,2 eV für 4H-SiC): Ermöglicht eine hohe Durchbruchspannung (mehr als 10-mal höher als bei Silizium). Reduziert Leckströme und verbessert so den Wirkungsgrad von Leistungshalbleitern.

Hohe Elektronenmobilität:~900 cm²/V·s (4H-SiC) gegenüber ~1400 cm²/V·s (Si), jedoch bessere Hochfeldleistung.

Niedriger Einschaltwiderstand:SiCOI-basierte Transistoren (z. B. MOSFETs) weisen geringere Leitungsverluste auf.

Hervorragende Isolierung:Die vergrabene Oxidschicht (SiO₂) oder Diamantschicht minimiert parasitäre Kapazitäten und Übersprechen.

Thermische EigenschaftenHohe Wärmeleitfähigkeit: SiC (~490 W/m·K für 4H-SiC) im Vergleich zu Si (~150 W/m·K). Diamant (bei Verwendung als Isolator) kann Werte von über 2000 W/m·K erreichen und so die Wärmeableitung verbessern.

Thermische Stabilität:Funktioniert zuverlässig bei Temperaturen über 300 °C (im Vergleich zu ~150 °C bei Silizium). Reduziert den Kühlbedarf in der Leistungselektronik.

3. Mechanische und chemische EigenschaftenExtrem hohe Härte (~9,5 Mohs): Widerstandsfähig gegen Verschleiß, wodurch SiCOI auch unter rauen Bedingungen langlebig ist.

Chemische Inertheit:Beständig gegen Oxidation und Korrosion, selbst unter sauren/alkalischen Bedingungen.

Geringe Wärmeausdehnung:Passt gut zu anderen Hochtemperaturwerkstoffen (z. B. GaN).

4. Strukturelle Vorteile (gegenüber massivem SiC oder SOI)

Reduzierte Substratverluste:Die Isolierschicht verhindert Stromverluste in das Substrat.

Verbesserte HF-Leistung:Eine geringere parasitäre Kapazität ermöglicht schnellere Schaltvorgänge (nützlich für 5G/mmWave-Geräte).

Flexibles Design:Eine dünne SiC-Deckschicht ermöglicht eine optimierte Skalierung der Bauelemente (z. B. ultradünne Kanäle in Transistoren).

Vergleich mit SOI & Bulk-SiC

Eigentum	SiCOI	SOI (Si/SiO₂/Si)	Bulk-SiC
Bandlücke	3,2 eV (SiC)	1,1 eV (Si)	3,2 eV (SiC)
Wärmeleitfähigkeit	Hoch (SiC + Diamant)	Niedrig (SiO₂ begrenzt den Wärmefluss)	Hoch (nur SiC)
Durchschlagspannung	Sehr hoch	Mäßig	Sehr hoch
Kosten	Höher	Untere	Höchste (reines SiC)

Anwendungen von SiCOI-Wafern

Leistungselektronik
SiCOI-Wafer finden breite Anwendung in Hochspannungs- und Hochleistungshalbleiterbauelementen wie MOSFETs, Schottky-Dioden und Leistungsschaltern. Die große Bandlücke und die hohe Durchbruchspannung von SiC ermöglichen eine effiziente Leistungsumwandlung mit reduzierten Verlusten und verbesserter thermischer Leistung.

Hochfrequenzgeräte (HF-Geräte)
Die Isolierschicht in SiCOI-Wafern reduziert die parasitäre Kapazität und macht sie dadurch geeignet für Hochfrequenztransistoren und Verstärker, die in der Telekommunikation, Radartechnik und 5G-Technologien eingesetzt werden.

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS)
SiCOI-Wafer bieten eine robuste Plattform für die Herstellung von MEMS-Sensoren und -Aktoren, die aufgrund der chemischen Inertheit und mechanischen Festigkeit von SiC auch in rauen Umgebungen zuverlässig funktionieren.

Hochtemperaturelektronik
SiCOI ermöglicht Elektronik, die Leistung und Zuverlässigkeit auch bei erhöhten Temperaturen beibehält, was insbesondere für Anwendungen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Industriebranche von Vorteil ist, bei denen herkömmliche Siliziumbauelemente versagen.

Photonische und optoelektronische Bauelemente
Die Kombination der optischen Eigenschaften von SiC mit der Isolierschicht ermöglicht die Integration photonischer Schaltkreise mit verbessertem Wärmemanagement.

Strahlungsresistente Elektronik
Aufgrund der inhärenten Strahlungsbeständigkeit von SiC eignen sich SiCOI-Wafer ideal für Anwendungen in der Raumfahrt und der Nukleartechnik, die Geräte erfordern, die Umgebungen mit hoher Strahlung standhalten.

Fragen und Antworten zu SiCOI-Wafern

Frage 1: Was ist ein SiCOI-Wafer?

A: SiCOI steht für Siliziumkarbid-auf-Isolator. Es handelt sich um eine Halbleiterwaferstruktur, bei der eine dünne Schicht aus Siliziumkarbid (SiC) auf eine Isolierschicht (üblicherweise Siliziumdioxid, SiO₂) aufgebracht ist, die wiederum von einem Siliziumsubstrat getragen wird. Diese Struktur vereint die hervorragenden Eigenschaften von SiC mit der elektrischen Isolation vom Isolator.

Frage 2: Was sind die Hauptvorteile von SiCOI-Wafern?

A: Zu den Hauptvorteilen zählen eine hohe Durchbruchspannung, eine große Bandlücke, eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, eine überlegene mechanische Härte und eine reduzierte parasitäre Kapazität dank der Isolierschicht. Dies führt zu einer verbesserten Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit des Bauelements.

Frage 3: Was sind typische Anwendungsgebiete von SiCOI-Wafern?

A: Sie werden in der Leistungselektronik, in Hochfrequenz-HF-Geräten, in MEMS-Sensoren, in Hochtemperaturelektronik, in photonischen Bauelementen und in strahlungsresistenter Elektronik eingesetzt.