Halfgeleidersubstraatwafel: materiaaleigenschappen van silicium, GaAs, SiC en GaN

01. Basisprincipes vanhalfgeleidersubstraatwafel

1.1 Definitie van halfgeleidersubstraat

Halfgeleidersubstraat verwijst naar het basismateriaal dat wordt gebruikt bij de vervaardiging van halfgeleiderapparaten, meestal monokristallijne of polykristallijne materialen gemaakt met behulp van sterk gezuiverde en kristalgroeitechnologie. Substraatwafels zijn meestal dunne en massieve plaatstructuren, waarop verschillende halfgeleiderapparaten en circuits worden vervaardigd. De zuiverheid en kwaliteit van het substraat hebben rechtstreeks invloed op de prestaties en betrouwbaarheid van het uiteindelijke halfgeleiderapparaat.

1.2 De rol en het toepassingsgebied van substraatwafels

Substraatwafels spelen een cruciale rol in het productieproces van halfgeleiders. Als basis voor apparaten en circuits ondersteunen substraatwafels niet alleen de structuur van het hele apparaat, maar bieden ze ook de nodige ondersteuning op het gebied van elektrische, thermische en mechanische aspecten. De belangrijkste functies zijn onder meer:

Mechanische ondersteuning: Zorg voor een stabiele structurele fundering ter ondersteuning van daaropvolgende productiestappen.

Thermisch beheer: Helpt warmte af te voeren om te voorkomen dat oververhitting de prestaties van het apparaat beïnvloedt.

Elektrische kenmerken: beïnvloedt de elektrische eigenschappen van het apparaat, zoals geleidbaarheid, mobiliteit van de drager, enz.

Wat de toepassingsgebieden betreft, worden substraatwafels veel gebruikt in:

Micro-elektronische apparaten: zoals geïntegreerde schakelingen (IC's), microprocessors, enz.

Opto-elektronische apparaten: zoals LED's, lasers, fotodetectoren, enz.

Hoogfrequente elektronische apparaten: zoals RF-versterkers, magnetronapparaten, enz.

Vermogen elektronische apparaten: zoals stroomomvormers, omvormers, enz.

02. Halfgeleidermaterialen en hun eigenschappen

Silicium (Si) substraat

· Het verschil tussen monokristallijn silicium en polykristallijn silicium:

Silicium is het meest gebruikte halfgeleidermateriaal, voornamelijk in de vorm van monokristallijn silicium en polykristallijn silicium. Eénkristalsilicium bestaat uit een continue kristalstructuur, met hoge zuiverheid en defectvrije eigenschappen, wat zeer geschikt is voor hoogwaardige elektronische apparaten. Polykristallijn silicium bestaat uit meerdere korrels en er zijn korrelgrenzen tussen de korrels. Hoewel de productiekosten laag zijn, zijn de elektrische prestaties slecht, dus wordt het meestal gebruikt in sommige scenario's met lage prestaties of grootschalige toepassing, zoals zonnecellen.

·Elektronische eigenschappen en voordelen van siliciumsubstraat:

Siliciumsubstraat heeft goede elektronische eigenschappen, zoals een hoge dragermobiliteit en een gematigde energiekloof (1,1 eV), waardoor silicium een ​​ideaal materiaal is voor de productie van de meeste halfgeleiderapparaten.

Bovendien hebben siliciumsubstraten de volgende voordelen:

Hoge zuiverheid: Door geavanceerde zuiverings- en groeitechnieken kan monokristallijn silicium met een zeer hoge zuiverheid worden verkregen.

Kosteneffectiviteit: Vergeleken met andere halfgeleidermaterialen heeft silicium lage kosten en een volwassen productieproces.

Oxidevorming: Silicium kan op natuurlijke wijze een laag siliciumdioxide (SiO2) vormen, die kan dienen als een goede isolatielaag bij de productie van apparaten.

Galliumarsenide (GaAs) substraat

· Hoogfrequente kenmerken van GaAs:

Galliumarsenide is een samengestelde halfgeleider die bijzonder geschikt is voor hoogfrequente en snelle elektronische apparaten vanwege de hoge elektronenmobiliteit en de grote bandafstand. GaAs-apparaten kunnen op hogere frequenties werken met een hoger rendement en lagere geluidsniveaus. Dit maakt GaAs een belangrijk materiaal in microgolf- en millimetergolftoepassingen.

· Toepassing van GaAs in opto-elektronica en hoogfrequente elektronische apparaten:

Vanwege de directe bandafstand wordt GaAs ook veel gebruikt in opto-elektronische apparaten. GaAs-materialen worden bijvoorbeeld veel gebruikt bij de vervaardiging van LED's en lasers. Bovendien zorgt de hoge elektronenmobiliteit van GaAs ervoor dat het goed presteert in RF-versterkers, microgolfapparaten en satellietcommunicatieapparatuur.

Siliciumcarbide (SiC) substraat

· Thermische geleidbaarheid en hoge vermogenseigenschappen van SiC:

Siliciumcarbide is een halfgeleider met een grote bandafstand, uitstekende thermische geleidbaarheid en een hoog elektrisch veld. Deze eigenschappen maken SiC zeer geschikt voor toepassingen met hoog vermogen en hoge temperaturen. SiC-apparaten kunnen stabiel werken bij spanningen en temperaturen die meerdere malen hoger zijn dan siliciumapparaten.

· Voordelen van SiC in vermogenselektronische apparaten:

SiC-substraten vertonen aanzienlijke voordelen in vermogenselektronische apparaten, zoals lagere schakelverliezen en hogere efficiëntie. Dit maakt SiC steeds populairder in toepassingen voor conversie van hoog vermogen, zoals elektrische voertuigen, wind- en zonne-energie-omvormers. Bovendien wordt SiC veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart en industriële besturing vanwege de hoge temperatuurbestendigheid.

Galliumnitride (GaN) substraat

· Hoge elektronenmobiliteit en optische eigenschappen van GaN:

Galliumnitride is een andere halfgeleider met een brede bandafstand, met een extreem hoge elektronenmobiliteit en sterke optische eigenschappen. De hoge elektronenmobiliteit van GaN maakt het zeer efficiënt in toepassingen met hoge frequentie en hoog vermogen. Tegelijkertijd kan GaN licht uitstralen in het ultraviolette tot zichtbare bereik, geschikt voor een verscheidenheid aan opto-elektronische apparaten.

· Toepassing van GaN in stroom- en opto-elektronische apparaten:

Op het gebied van vermogenselektronica blinken GaN-apparaten uit in schakelende voedingen en RF-versterkers vanwege hun hoge elektrische doorslagveld en lage aan-weerstand. Tegelijkertijd speelt GaN ook een belangrijke rol in opto-elektronische apparaten, vooral bij de productie van LED's en laserdiodes, waardoor de vooruitgang van verlichtings- en weergavetechnologieën wordt bevorderd.

· Potentieel van opkomende materialen in halfgeleiders:

Met de ontwikkeling van wetenschap en technologie hebben opkomende halfgeleidermaterialen zoals galliumoxide (Ga2O3) en diamant een groot potentieel getoond. Galliumoxide heeft een ultrabrede bandafstand (4,9 eV) en is zeer geschikt voor elektronische apparaten met hoog vermogen, terwijl diamant wordt beschouwd als een ideaal materiaal voor de volgende generatie toepassingen met hoog vermogen en hoge frequentie vanwege zijn uitstekende thermische eigenschappen. geleidbaarheid en extreem hoge dragermobiliteit. Er wordt verwacht dat deze nieuwe materialen een belangrijke rol zullen spelen in toekomstige elektronische en opto-elektronische apparaten.

03. Productieproces van wafels

3.1 Groeitechnologie van substraatwafels

3.1.1 Czochralski-methode (CZ-methode)

De Czochralski-methode is de meest gebruikte methode voor het vervaardigen van siliciumwafels met één kristal. Dit wordt gedaan door een kiemkristal onder te dompelen in gesmolten silicium en het er vervolgens langzaam uit te trekken, zodat het gesmolten silicium op het kiemkristal kristalliseert en uitgroeit tot een enkel kristal. Met deze methode kan grootschalig monokristallijn silicium van hoge kwaliteit worden geproduceerd, dat zeer geschikt is voor de vervaardiging van grootschalige geïntegreerde schakelingen.

3.1.2 Bridgeman-methode

De Bridgman-methode wordt vaak gebruikt om samengestelde halfgeleiders, zoals galliumarsenide, te laten groeien. Bij deze methode worden de grondstoffen in een smeltkroes tot gesmolten toestand verwarmd en vervolgens langzaam afgekoeld om een ​​enkel kristal te vormen. De Bridgman-methode kan de groeisnelheid en -richting van het kristal regelen en is geschikt voor de productie van complexe samengestelde halfgeleiders.

3.1.3 Moleculaire bundelepitaxie (MBE)

Moleculaire bundelepitaxie is een technologie die wordt gebruikt om ultradunne halfgeleiderlagen op substraten te laten groeien. Het vormt kristallagen van hoge kwaliteit door de moleculaire bundels van verschillende elementen nauwkeurig te controleren in een ultrahoogvacuümomgeving en deze laag voor laag op het substraat af te zetten. MBE-technologie is bijzonder geschikt voor de vervaardiging van uiterst nauwkeurige kwantumdots en ultradunne heterojunctiestructuren.

3.1.4 Chemische dampdepositie (CVD)

Chemische dampdepositie is een dunnefilmdepositietechnologie die veel wordt gebruikt bij de vervaardiging van halfgeleiders en andere hoogwaardige materialen. CVD ontleedt gasvormige precursoren en zet deze af op het substraatoppervlak om een ​​vaste film te vormen. CVD-technologie kan films produceren met een zeer gecontroleerde dikte en samenstelling, wat zeer geschikt is voor de vervaardiging van complexe apparaten.

3.2 Wafer snijden en polijsten

3.2.1 Snijtechnologie voor siliciumwafels

Nadat de kristalgroei is voltooid, wordt het grote kristal in dunne plakjes gesneden om wafels te worden. Bij het snijden van siliciumwafels worden meestal diamantzaagbladen of draadzaagtechnologie gebruikt om de snijnauwkeurigheid te garanderen en materiaalverlies te verminderen. Het snijproces moet nauwkeurig worden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat de dikte en de vlakheid van het oppervlak van de wafel aan de eisen voldoen.

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

VeTek Semiconductor is een professionele Chinese fabrikant van4° off-as p-type SiC-wafel, 4H N-type SiC-substraat, En4H semi-isolerend type SiC-substraat.  VeTek Semiconductor streeft ernaar geavanceerde oplossingen te bieden voor diverseSiC-wafelproducten voor de halfgeleiderindustrie. 

Als je geïnteresseerd bentHalfgeleidersubstraatwafels, neem dan gerust direct contact met ons op.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com