Belangrijkste grondstoffen in de halfgeleiderfabricage: soorten wafersubstraten

Wafersubstraten dienen als de fysieke dragers van halfgeleiderapparaten, waarbij hun materiaaleigenschappen direct van invloed zijn op de prestaties, kosten en toepassingsgebieden van het apparaat. Hieronder staan de belangrijkste soorten wafersubstraten en hun respectievelijke voor- en nadelen:

1. Silicium (Si)

Marktaandeel: Dominant met meer dan 95% van de wereldwijde halfgeleidermarkt.

Voordelen:

• Lage kosten: Overvloedige grondstoffen (siliciumdioxide) en volwassen fabricageprocessen maken aanzienlijke schaalvoordelen mogelijk.
• Hoge procescompatibiliteit: Zeer volwassen CMOS-technologie ondersteunt fabricage op nanoschaal (bijv. 3nm nodes).
• Uitstekende kristalkwaliteit: In staat om grote (12-inch primair, 18-inch in ontwikkeling) enkelkristallen met weinig defecten te produceren.
• Stabiele mechanische eigenschappen: Gemakkelijk te snijden, polijsten en verwerken.

Nadelen:

• Smalle bandgap (1,12 eV): Hoge lekstroom bij verhoogde temperaturen, wat de efficiëntie in vermogensapparaten beperkt.
• Indirecte bandgap: Extreem lage lichtemissieficiëntie, ongeschikt voor opto-elektronische apparaten (bijv. LED's, lasers).
• Beperkte elektronenmobiliteit: Minder goede hoogfrequentieprestaties in vergelijking met verbindinghalfgeleiders.

ZMSH's siliciumwafers

2. Galliumarsenide (GaAs)

Toepassingen: Hoogfrequente RF-apparaten (5G/6G), opto-elektronische apparaten (lasers, zonnecellen).

Voordelen:

• Hoge elektronenmobiliteit (5–6× die van silicium): Ideaal voor snelle, hoogfrequente toepassingen (mmWave-communicatie).
• Directe bandgap (1,42 eV): Efficiënte foto-elektrische conversie, vormt de basis van infraroodlasers en LED's.
• Thermische/stralingsbestendigheid: Geschikt voor de lucht- en ruimtevaart en omgevingen met hoge temperaturen.

Nadelen:

• Hoge kosten: Schaarser materiaal met complexe kristalgroei (gevoelig voor dislocaties); wafermaten zijn klein (6-inch primair).
• Mechanische broosheid: Gevoelig voor fragmentatie, wat resulteert in lage verwerkingsopbrengsten.
• Toxiciteit: Strikte controle vereist voor de hantering van arseen.

ZMSH's GaAs-wafers

3. Siliciumcarbide (SiC)

Toepassingen: Hoogtemperatuur/hoogspanningsvermogensapparaten (EV-omvormers, oplaadpalen), lucht- en ruimtevaart.

Voordelen:

• Brede bandgap (3,26 eV): Bestand tegen hoge spanningen (doorslagveldsterkte 10× die van silicium) en werkt bij >200°C.
• Hoge thermische geleidbaarheid (3× die van silicium): Efficiënte warmteafvoer verbetert de vermogensdichtheid van het systeem.
• Lage schakelverliezen: Verbetert de efficiëntie van de stroomconversie.

Nadelen:

• Uitdagende substraatvoorbereiding: Langzame kristalgroei (>1 week) en moeilijke defectcontrole (microbuizen, dislocaties); kost 5–10× die van silicium.
• Kleine wafermaten: Mainstream 4–6 inch; 8-inch ontwikkeling gaande.
• Moeilijke verwerking: Hoge hardheid (Mohs 9,5) maakt snijden en polijsten tijdrovend.

ZMSH's SiC-wafers

4. Galliumnitride (GaN)

Toepassingen: Hoogfrequente vermogensapparaten (snelle opladers, 5G-basisstations), blauwe LED's/lasers.

Voordelen:

• Ultra-hoge elektronenmobiliteit + brede bandgap (3,4 eV): Combineert hoogfrequente (>100 GHz) en hoogspanningskenmerken.
• Lage aanweerstand: Vermindert het stroomverbruik van het apparaat.
• Compatibiliteit met heterogene epitaxie: Wordt vaak gekweekt op silicium-, saffier- of SiC-substraten om de kosten te verlagen.

Nadelen:

• Moeilijkheid bij bulk-kristalgroei: Mainstream vertrouwt op heterogene epitaxie, met door rooster mismatch geïnduceerde defecten.
• Hoge kosten: Zelfdragende GaN-substraten zijn duur (2-inch wafers kunnen duizenden dollars kosten).
• Betrouwbaarheidsproblemen: Huidig instorteffect vereist optimalisatie.

ZMSH's GaN-wafers

5. Fosfor-Indium (InP)

Toepassingen: Snelle opto-elektronica (lasers, detectoren), terahertz-apparaten.

Voordelen:

• Ultra-hoge elektronenmobiliteit: Ondersteunt >100 GHz hoogfrequente werking (superieur aan GaAs).
• Directe bandgap met golflengte-matching: Cruciaal voor 1,3–1,55µm glasvezelcommunicatie.

Nadelen:

• Broosheid en hoge kosten: Substraatprijzen zijn meer dan 100× die van silicium; wafermaten zijn klein (4–6 inch).

ZMSH'sInPwafers

6. Saffier (Al₂O₃)

Toepassingen: LED-verlichting (GaN-epitaxiale substraten), hoezen voor consumentenelektronica.

Voordelen:

• Lage kosten: Goedkoper dan SiC/GaN-substraten.
• Chemische stabiliteit: Corrosiebestendig en isolerend.
• Transparantie: Geschikt voor LED's met verticale structuur.

Nadelen:

• Rooster mismatch met GaN (>13%): Vereist bufferlagen om epitaxiale defecten te verminderen.
• Slechte thermische geleidbaarheid (≈1/20 die van silicium): Beperkt de prestaties in high-power LED's.

ZMSH'ssaffierwafers

7. Aluminiumoxide/keramische substraten (bijv. AlN, BeO)

Toepassingen: Warmteafvoersubstraten voor high-power modules.

Voordelen:

• Isolatie + hoge thermische geleidbaarheid (AlN: 170–230 W/m·K): Ideaal voor verpakking met hoge dichtheid.

Nadelen:

• Niet-enkelkristal: Kan niet direct apparaten laten groeien; uitsluitend gebruikt als verpakkingssubstraten.

 ZMSH's Alumina keramisch substraat

8. Gespecialiseerde substraten

• SOI (Silicon on Insulator):

1. Structuur: Silicium/siliciumdioxide/silicium sandwich.
2. Voordelen: Vermindert parasitaire capaciteit, stralingshardheid en lekstroom (gebruikt in RF, MEMS).
3. Nadelen: 30–50% hogere kosten dan bulk silicium.

• Quartz (SiO₂):Gebruikt in fotomaskers, MEMS; hittebestendig maar broos.
• Diamant:Hoogste thermische geleidbaarheid (>2000 W/m·K) in ontwikkeling voor extreme warmteafvoer.

ZMSH's SOI-wafer, Quartz-wafer, Diamant-substraat

Samenvattende vergelijkingstabel

Belangrijke factoren voor selectie

1. Prestatie-eisen: Hoogfrequente toepassingen geven de voorkeur aan GaAs/InP; hoogspanning/hoge temperatuurtoepassingen vereisen SiC; opto-elektronica geeft de voorkeur aan GaAs/InP/GaN.
2. Kostenbeperkingen: Consumentenelektronica geeft prioriteit aan silicium; high-end gebieden accepteren premium prijzen voor SiC/GaN.
3. Integratiecomplexiteit: Silicium CMOS-compatibiliteit blijft ongeëvenaard.
4. Thermisch beheer: High-power apparaten geven prioriteit aan SiC of diamantgebaseerd GaN.
5. Volwassenheid van de toeleveringsketen: Silicium > Saffier > GaAs > SiC > GaN > InP.

Toekomstige trends

Heterogene integratie (bijv. GaN op silicium, SiC op GaN) zal prestaties en kosten in evenwicht brengen, wat de vooruitgang in 5G, elektrische voertuigen en kwantumcomputing stimuleert.

ZMSH's diensten

Als een geïntegreerde fabrikant en handelaar van uitgebreide serviceproviders voor halfgeleidermaterialen, leveren we full-chain product supply chain-oplossingen - van wafersubstraten (Si/GaAs/SiC/GaN, enz.) tot fotoresists en CMP-polijstmaterialen. Door gebruik te maken van zelf ontwikkelde productiebasissen en een geglobaliseerd supply chain-netwerk, combineren we snelle reactiemogelijkheden met professionele technische ondersteuning om klanten in staat te stellen stabiele supply chain-operaties en technologische innovatie win-win resultaten te bereiken.