Wichtige Rohstoffe für die Halbleiterproduktion: Arten von Wafersubstraten

Wafersubstrate als Schlüsselmaterialien in Halbleiterbauelementen

Wafersubstrate sind die physikalischen Träger von Halbleiterbauelementen, und ihre Materialeigenschaften bestimmen direkt die Leistungsfähigkeit, die Kosten und die Anwendungsbereiche der Bauelemente. Im Folgenden werden die wichtigsten Arten von Wafersubstraten sowie deren Vor- und Nachteile aufgeführt:

1.Silizium (Si)

• Marktanteil:Macht mehr als 95 % des globalen Halbleitermarktes aus.

• Vorteile:

  • Niedrige Kosten:Reichlich vorhandene Rohstoffe (Siliziumdioxid), ausgereifte Herstellungsverfahren und starke Skaleneffekte.

  • Hohe Prozesskompatibilität:Die CMOS-Technologie ist hochgradig ausgereift und unterstützt fortschrittliche Strukturgrößen (z. B. 3 nm).

  • Ausgezeichnete Kristallqualität:Es können Wafer mit großem Durchmesser (hauptsächlich 12 Zoll, 18 Zoll in Entwicklung) mit geringer Defektdichte hergestellt werden.

  • Stabile mechanische Eigenschaften:Leicht zu schneiden, zu polieren und zu handhaben.

• Nachteile:

  • Schmale Bandlücke (1,12 eV):Hohe Leckströme bei erhöhten Temperaturen begrenzen den Wirkungsgrad der Leistungshalbleiter.

  • Indirekte Bandlücke:Sehr geringe Lichtemissionseffizienz, ungeeignet für optoelektronische Bauelemente wie LEDs und Laser.

  • Begrenzte Elektronenbeweglichkeit:Im Vergleich zu Verbindungshalbleitern weisen sie eine geringere Hochfrequenzleistung auf.
    

2.Galliumarsenid (GaAs)

• Anwendungsbereiche:Hochfrequenz-HF-Geräte (5G/6G), optoelektronische Geräte (Laser, Solarzellen).

• Vorteile:

  • Hohe Elektronenbeweglichkeit (5–6-mal so groß wie die von Silizium):Geeignet für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen wie die Millimeterwellenkommunikation.

  • Direkte Bandlücke (1,42 eV):Hocheffiziente photoelektrische Umwandlung, die Grundlage von Infrarotlasern und LEDs.

  • Hohe Temperatur- und Strahlungsbeständigkeit:Geeignet für die Luft- und Raumfahrt sowie für raue Umgebungen.

• Nachteile:

  • Hohe Kosten:Knappes Material, schwieriges Kristallwachstum (Anfälligkeit für Versetzungen), begrenzte Wafergröße (hauptsächlich 6 Zoll).

  • Spröde Mechanik:Neigt zu Brüchen, was zu einer geringen Verarbeitungsausbeute führt.

  • Toxizität:Arsen erfordert strenge Handhabungs- und Umweltkontrollen.

3. Siliciumcarbid (SiC)

• Anwendungsbereiche:Hochtemperatur- und Hochspannungs-Leistungselektronik (Wechselrichter für Elektrofahrzeuge, Ladestationen), Luft- und Raumfahrt.

• Vorteile:

  • Große Bandlücke (3,26 eV):Hohe Durchschlagfestigkeit (10-mal so hoch wie die von Silizium), hohe Temperaturtoleranz (Betriebstemperatur >200 °C).

  • Hohe Wärmeleitfähigkeit (≈3× Silizium):Hervorragende Wärmeableitung ermöglicht eine höhere Systemleistungsdichte.

  • Geringe Schaltverluste:Verbessert die Energieumwandlungseffizienz.

• Nachteile:

  • Anspruchsvolle Substratvorbereitung:Langsames Kristallwachstum (>1 Woche), schwierige Defektkontrolle (Mikroröhren, Versetzungen), extrem hohe Kosten (5–10× Silizium).

  • Kleine Wafergröße:Hauptsächlich 4–6 Zoll; 8 Zoll noch in Entwicklung.

  • Schwer zu verarbeiten:Sehr hart (Mohs 9,5), was das Schneiden und Polieren zeitaufwändig macht.

4. Galliumnitrid (GaN)

• Anwendungsbereiche:Hochfrequenz-Leistungselektronik (Schnellladung, 5G-Basisstationen), blaue LEDs/Laser.

• Vorteile:

  • Extrem hohe Elektronenmobilität + große Bandlücke (3,4 eV):Vereint Hochfrequenzleistung (>100 GHz) und Hochspannungsleistung.

  • Niedriger Einschaltwiderstand:Verringert den Leistungsverlust des Geräts.

  • Heteroepitaxie-kompatibel:Üblicherweise werden sie auf Silizium-, Saphir- oder SiC-Substraten hergestellt, was die Kosten senkt.

• Nachteile:

  • Das Wachstum von einkristallinen Massen ist schwierig:Heteroepitaxie ist weit verbreitet, aber Gitterfehlanpassungen führen zu Defekten.

  • Hohe Kosten:Native GaN-Substrate sind sehr teuer (ein 2-Zoll-Wafer kann mehrere tausend US-Dollar kosten).

  • Zuverlässigkeitsherausforderungen:Phänomene wie der aktuelle Zusammenbruch erfordern eine Optimierung.

5. Indiumphosphid (InP)

• Anwendungsbereiche:Optische Hochgeschwindigkeitskommunikation (Laser, Fotodetektoren), Terahertz-Geräte.

• Vorteile:

  • Extrem hohe Elektronenmobilität:Unterstützt Betriebsfrequenzen über 100 GHz und ist damit GaAs überlegen.

  • Direkte Bandlücke mit Wellenlängenanpassung:Kernmaterial für die optische Faserkommunikation im Bereich von 1,3–1,55 μm.

• Nachteile:

  • Spröde und sehr teuer:Die Substratkosten übersteigen das Hundertfache der Siliziumkosten, begrenzte Wafergrößen (4–6 Zoll).

6. Saphir (Al₂O₃)

• Anwendungsbereiche:LED-Beleuchtung (GaN-Epitaxiesubstrat), Deckglas für Unterhaltungselektronik.

• Vorteile:

  • Niedrige Kosten:Weitaus günstiger als SiC/GaN-Substrate.

  • Ausgezeichnete chemische Stabilität:Korrosionsbeständig, hochisolierend.

  • Transparenz:Geeignet für vertikale LED-Strukturen.

• Nachteile:

  • Große Gitterfehlanpassung zu GaN (>13%):Verursacht eine hohe Defektdichte, wodurch Pufferschichten erforderlich werden.

  • Schlechte Wärmeleitfähigkeit (ca. 1/20 der von Silizium):Begrenzt die Leistungsfähigkeit von Hochleistungs-LEDs.

7. Keramische Substrate (AlN, BeO usw.)

• Anwendungsbereiche:Wärmeverteiler für Hochleistungsmodule.

• Vorteile:

  • Isolierend + hohe Wärmeleitfähigkeit (AlN: 170–230 W/m·K):Geeignet für hochdichte Verpackungen.

• Nachteile:

  • Nicht-Einkristall:Kann nicht direkt das Gerätewachstum unterstützen, sondern dient nur als Verpackungssubstrat.

8. Spezielle Substrate

• SOI (Silicon on Insulator):

  • Struktur:Silizium/SiO₂/Silizium-Sandwich.

  • Vorteile:Reduziert parasitäre Kapazität, strahlungsresistent, Leckageunterdrückung (verwendet in HF, MEMS).

  • Nachteile:30–50 % teurer als Silizium in Massenform.

• Quarz (SiO₂):Wird in Fotomasken und MEMS verwendet; hohe Temperaturbeständigkeit, aber sehr spröde.

• Diamant:Substrat mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit (>2000 W/m·K), das sich in der Forschung und Entwicklung für extreme Wärmeableitung befindet.

Vergleichsübersichtstabelle

Schlüsselfaktoren für die Substratauswahl

• Leistungsanforderungen:GaAs/InP für Hochfrequenzanwendungen; SiC für Hochspannungs- und Hochtemperaturanwendungen; GaAs/InP/GaN für optoelektronische Anwendungen.

• Kostenbeschränkungen:Im Bereich der Unterhaltungselektronik wird Silizium bevorzugt; in High-End-Bereichen können die Aufpreise für SiC/GaN gerechtfertigt sein.

• Integrationskomplexität:Silizium bleibt für die CMOS-Kompatibilität unersetzlich.

• Wärmemanagement:Für Hochleistungsanwendungen werden SiC- oder diamantbasierte GaN-Materialien bevorzugt.

• Reifegrad der Lieferkette:Si > Saphir > GaAs > SiC > GaN > InP.

Zukunftstrend

Die heterogene Integration (z. B. GaN-auf-Si, GaN-auf-SiC) wird Leistung und Kosten in Einklang bringen und so Fortschritte bei 5G, Elektrofahrzeugen und Quantencomputern vorantreiben.