Wafer de substrato semicondutor: propriedades materiais de silício, GaAs, SiC e GaN

01. Noções básicas debolacha de substrato semicondutor

1.1 Definição de substrato semicondutor

Substrato semicondutor refere-se ao material básico usado na fabricação de dispositivos semicondutores, geralmente materiais de cristal único ou policristalinos feitos por tecnologia altamente purificada e de crescimento de cristal. Os wafers de substrato são geralmente estruturas de folhas finas e sólidas, nas quais vários dispositivos e circuitos semicondutores são fabricados. A pureza e a qualidade do substrato afetam diretamente o desempenho e a confiabilidade do dispositivo semicondutor final.

1.2 O papel e o campo de aplicação dos wafers de substrato

Os wafers de substrato desempenham um papel vital no processo de fabricação de semicondutores. Como base de dispositivos e circuitos, os wafers de substrato não apenas suportam a estrutura de todo o dispositivo, mas também fornecem o suporte necessário nos aspectos elétricos, térmicos e mecânicos. Suas principais funções incluem:

Suporte mecânico: Fornece uma base estrutural estável para apoiar as etapas subsequentes de fabricação.

Gerenciamento térmico: ajuda a dissipar o calor para evitar que o superaquecimento afete o desempenho do dispositivo.

Características elétricas: Afeta as propriedades elétricas do dispositivo, como condutividade, mobilidade da portadora, etc.

Em termos de campos de aplicação, os wafers de substrato são amplamente utilizados em:

Dispositivos microeletrônicos: como circuitos integrados (ICs), microprocessadores, etc.

Dispositivos optoeletrônicos: como LEDs, lasers, fotodetectores, etc.

Dispositivos eletrônicos de alta frequência: como amplificadores de RF, dispositivos de microondas, etc.

Dispositivos eletrônicos de potência: como conversores de energia, inversores, etc.

02. Materiais semicondutores e suas propriedades

Substrato de silício (Si)

· A diferença entre silício monocristalino e silício policristalino:

O silício é o material semicondutor mais comumente usado, principalmente na forma de silício monocristalino e silício policristalino. O silício monocristalino é composto por uma estrutura cristalina contínua, com alta pureza e características livres de defeitos, o que é muito adequado para dispositivos eletrônicos de alto desempenho. O silício policristalino é composto de vários grãos e existem limites de grãos entre os grãos. Embora o custo de fabricação seja baixo, o desempenho elétrico é ruim, por isso geralmente é usado em alguns cenários de aplicação de baixo desempenho ou em grande escala, como células solares.

·Propriedades eletrônicas e vantagens do substrato de silício:

O substrato de silício possui boas propriedades eletrônicas, como alta mobilidade de portadores e gap de energia moderado (1,1 eV), o que torna o silício um material ideal para a fabricação da maioria dos dispositivos semicondutores.

Além disso, os substratos de silício apresentam as seguintes vantagens:

Alta pureza: Através de técnicas avançadas de purificação e crescimento, é possível obter silício monocristalino de altíssima pureza.

Custo-benefício: Comparado com outros materiais semicondutores, o silício tem baixo custo e um processo de fabricação maduro.

Formação de óxido: O silício pode formar naturalmente uma camada de dióxido de silício (SiO2), que pode servir como uma boa camada isolante na fabricação de dispositivos.

Substrato de arseneto de gálio (GaAs)

· Características de alta frequência de GaAs:

O arsenieto de gálio é um semicondutor composto particularmente adequado para dispositivos eletrônicos de alta frequência e alta velocidade devido à sua alta mobilidade eletrônica e amplo bandgap. Dispositivos GaAs podem operar em frequências mais altas com maior eficiência e níveis de ruído mais baixos. Isso torna o GaAs um material importante em aplicações de microondas e ondas milimétricas.

· Aplicação de GaAs em optoeletrônica e dispositivos eletrônicos de alta frequência:

Devido ao seu bandgap direto, o GaAs também é amplamente utilizado em dispositivos optoeletrônicos. Por exemplo, os materiais GaAs são amplamente utilizados na fabricação de LEDs e lasers. Além disso, a alta mobilidade eletrônica do GaAs faz com que ele tenha um bom desempenho em amplificadores de RF, dispositivos de micro-ondas e equipamentos de comunicação via satélite.

Substrato de carboneto de silício (SiC)

· Condutividade térmica e propriedades de alta potência do SiC:

O carboneto de silício é um semicondutor de banda larga com excelente condutividade térmica e alto campo elétrico de ruptura. Essas propriedades tornam o SiC muito adequado para aplicações de alta potência e alta temperatura. Os dispositivos de SiC podem operar de forma estável em tensões e temperaturas várias vezes superiores aos dispositivos de silício.

· Vantagens do SiC em dispositivos eletrônicos de potência:

Os substratos de SiC apresentam vantagens significativas em dispositivos eletrônicos de potência, como menores perdas de comutação e maior eficiência. Isso torna o SiC cada vez mais popular em aplicações de alta conversão de energia, como veículos elétricos, inversores eólicos e solares. Além disso, o SiC é amplamente utilizado no controle aeroespacial e industrial devido à sua resistência a altas temperaturas.

Substrato de nitreto de gálio (GaN)

· Alta mobilidade eletrônica e propriedades ópticas de GaN:

O nitreto de gálio é outro semicondutor de banda larga com mobilidade eletrônica extremamente alta e fortes propriedades ópticas. A alta mobilidade eletrônica do GaN o torna muito eficiente em aplicações de alta frequência e alta potência. Ao mesmo tempo, o GaN pode emitir luz na faixa ultravioleta até a visível, adequada para uma variedade de dispositivos optoeletrônicos.

· Aplicação de GaN em dispositivos de energia e optoeletrônicos:

No campo da eletrônica de potência, os dispositivos GaN se destacam na comutação de fontes de alimentação e amplificadores de RF devido ao seu alto campo elétrico de ruptura e baixa resistência. Ao mesmo tempo, o GaN também desempenha um papel importante em dispositivos optoeletrônicos, especialmente na fabricação de LEDs e diodos laser, promovendo o avanço das tecnologias de iluminação e display.

· Potencial de materiais emergentes em semicondutores:

Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, materiais semicondutores emergentes, como o óxido de gálio (Ga2O3) e o diamante, têm demonstrado grande potencial. O óxido de gálio tem um bandgap ultra-amplo (4,9 eV) e é muito adequado para dispositivos eletrônicos de alta potência, enquanto o diamante é considerado um material ideal para a próxima geração de aplicações de alta potência e alta frequência devido ao seu excelente desempenho térmico. condutividade e mobilidade de portadora extremamente alta. Espera-se que estes novos materiais desempenhem um papel importante em futuros dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos.

03. Processo de fabricação de wafer

3.1 Tecnologia de crescimento de wafers de substrato

3.1.1 Método Czochralski (método CZ)

O método Czochralski é o método mais comumente usado para a fabricação de wafers de silício monocristalinos. Isso é feito imergindo um cristal semente em silício fundido e, em seguida, puxando-o lentamente para fora, de modo que o silício fundido cristalize no cristal semente e cresça em um único cristal. Este método pode produzir silício monocristalino de grande porte e alta qualidade, que é muito adequado para a fabricação de circuitos integrados em grande escala.

3.1.2 Método Bridgman

O método Bridgman é comumente usado para cultivar semicondutores compostos, como o arseneto de gálio. Neste método, as matérias-primas são aquecidas até o estado fundido em um cadinho e depois resfriadas lentamente para formar um único cristal. O método Bridgman pode controlar a taxa de crescimento e direção do cristal e é adequado para a produção de semicondutores compostos complexos.

3.1.3 Epitaxia por feixe molecular (MBE)

A epitaxia por feixe molecular é uma tecnologia usada para fazer crescer camadas semicondutoras ultrafinas em substratos. Ele forma camadas de cristal de alta qualidade controlando com precisão feixes moleculares de diferentes elementos em um ambiente de ultra-alto vácuo e depositando-os camada por camada no substrato. A tecnologia MBE é particularmente adequada para a fabricação de pontos quânticos de alta precisão e estruturas de heterojunção ultrafinas.

3.1.4 Deposição química de vapor (CVD)

A deposição química de vapor é uma tecnologia de deposição de filme fino amplamente utilizada na fabricação de semicondutores e outros materiais de alto desempenho. O CVD decompõe precursores gasosos e os deposita na superfície do substrato para formar um filme sólido. A tecnologia CVD pode produzir filmes com espessura e composição altamente controladas, o que é muito adequado para a fabricação de dispositivos complexos.

3.2 Corte e polimento de wafer

3.2.1 Tecnologia de corte de wafer de silício

Após a conclusão do crescimento do cristal, o cristal grande será cortado em fatias finas para se tornarem wafers. O corte de wafer de silício geralmente usa lâminas de serra de diamante ou tecnologia de serra de fio para garantir a precisão do corte e reduzir a perda de material. O processo de corte precisa ser controlado com precisão para garantir que a espessura e o nivelamento da superfície do wafer atendam aos requisitos.

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