Wafer di substrato semiconduttore: proprietà dei materiali di silicio, GaAs, SiC e GaN

01. Nozioni di base suwafer di substrato semiconduttore

1.1 Definizione di substrato semiconduttore

Il substrato semiconduttore si riferisce al materiale di base utilizzato nella produzione di dispositivi a semiconduttore, solitamente materiali monocristallini o policristallini realizzati mediante tecnologia di crescita dei cristalli altamente purificata. I wafer di substrato sono generalmente strutture in fogli sottili e solidi, su cui vengono fabbricati vari dispositivi e circuiti semiconduttori. La purezza e la qualità del substrato influiscono direttamente sulle prestazioni e sull'affidabilità del dispositivo semiconduttore finale.

1.2 Il ruolo e il campo di applicazione dei wafer di substrato

I wafer di substrato svolgono un ruolo fondamentale nel processo di produzione dei semiconduttori. Come base di dispositivi e circuiti, i wafer di substrato non solo supportano la struttura dell'intero dispositivo, ma forniscono anche il supporto necessario negli aspetti elettrici, termici e meccanici. Le sue funzioni principali includono:

Supporto meccanico: Fornire una base strutturale stabile per supportare le successive fasi di produzione.

Gestione termica: Aiuta a dissipare il calore per evitare che il surriscaldamento influenzi le prestazioni del dispositivo.

Caratteristiche elettriche: Influisce sulle proprietà elettriche del dispositivo, come conduttività, mobilità del portatore, ecc.

In termini di campi di applicazione, i wafer di substrato sono ampiamente utilizzati in:

Dispositivi microelettronici: come circuiti integrati (IC), microprocessori, ecc.

Dispositivi optoelettronici: come LED, laser, fotorilevatori, ecc.

Dispositivi elettronici ad alta frequenza: come amplificatori RF, dispositivi a microonde, ecc.

Dispositivi elettronici di potenza: come convertitori di potenza, inverter, ecc.

02. Materiali semiconduttori e loro proprietà

Substrato di silicio (Si).

· La differenza tra silicio monocristallino e silicio policristallino:

Il silicio è il materiale semiconduttore più comunemente utilizzato, principalmente sotto forma di silicio monocristallino e silicio policristallino. Il silicio monocristallino è composto da una struttura cristallina continua, con elevata purezza e caratteristiche prive di difetti, molto adatta per dispositivi elettronici ad alte prestazioni. Il silicio policristallino è composto da più grani e ci sono bordi di grano tra i grani. Sebbene il costo di produzione sia basso, le prestazioni elettriche sono scarse, quindi viene solitamente utilizzato in alcuni scenari applicativi a basse prestazioni o su larga scala, come le celle solari.

·Proprietà elettroniche e vantaggi del substrato di silicio:

Il substrato di silicio ha buone proprietà elettroniche, come un'elevata mobilità dei portatori e un moderato gap energetico (1,1 eV), che rendono il silicio un materiale ideale per la produzione della maggior parte dei dispositivi a semiconduttore.

Inoltre, i substrati di silicio presentano i seguenti vantaggi:

Elevata purezza: Attraverso tecniche avanzate di purificazione e crescita, è possibile ottenere silicio monocristallino di altissima purezza.

Efficacia in termini di costi: Rispetto ad altri materiali semiconduttori, il silicio ha un costo basso e un processo di produzione maturo.

Formazione di ossido: Il silicio può formare naturalmente uno strato di biossido di silicio (SiO2), che può fungere da buon strato isolante nella produzione di dispositivi.

Substrato di arseniuro di gallio (GaAs).

· Caratteristiche ad alta frequenza del GaAs:

L'arseniuro di gallio è un semiconduttore composto particolarmente adatto per dispositivi elettronici ad alta frequenza e alta velocità grazie alla sua elevata mobilità elettronica e all'ampio intervallo di banda. I dispositivi GaAs possono funzionare a frequenze più elevate con maggiore efficienza e livelli di rumore più bassi. Ciò rende il GaAs un materiale importante nelle applicazioni a microonde e onde millimetriche.

· Applicazione del GaAs nell'optoelettronica e nei dispositivi elettronici ad alta frequenza:

A causa del suo bandgap diretto, il GaAs è ampiamente utilizzato anche nei dispositivi optoelettronici. Ad esempio, i materiali GaAs sono ampiamente utilizzati nella produzione di LED e laser. Inoltre, l'elevata mobilità degli elettroni del GaAs gli consente di funzionare bene negli amplificatori RF, nei dispositivi a microonde e nelle apparecchiature di comunicazione satellitare.

Substrato di carburo di silicio (SiC).

· Conduttività termica e proprietà ad alta potenza del SiC:

Il carburo di silicio è un semiconduttore ad ampio gap di banda con eccellente conduttività termica e campo elettrico ad elevata rottura. Queste proprietà rendono il SiC molto adatto per applicazioni ad alta potenza e ad alta temperatura. I dispositivi SiC possono funzionare stabilmente a tensioni e temperature molte volte superiori rispetto ai dispositivi in ​​silicio.

· Vantaggi del SiC nei dispositivi elettronici di potenza:

I substrati SiC mostrano vantaggi significativi nei dispositivi elettronici di potenza, come minori perdite di commutazione e maggiore efficienza. Ciò rende il SiC sempre più popolare nelle applicazioni di conversione ad alta potenza come veicoli elettrici, inverter eolici e solari. Inoltre, il SiC è ampiamente utilizzato nel settore aerospaziale e nel controllo industriale grazie alla sua resistenza alle alte temperature.

Substrato di nitruro di gallio (GaN).

· Elevata mobilità degli elettroni e proprietà ottiche del GaN:

Il nitruro di gallio è un altro semiconduttore ad ampio gap di banda con mobilità elettronica estremamente elevata e forti proprietà ottiche. L'elevata mobilità degli elettroni del GaN lo rende molto efficiente nelle applicazioni ad alta frequenza e ad alta potenza. Allo stesso tempo, GaN può emettere luce nella gamma da ultravioletta a visibile, adatta a una varietà di dispositivi optoelettronici.

· Applicazione del GaN nei dispositivi di potenza e optoelettronici:

Nel campo dell'elettronica di potenza, i dispositivi GaN eccellono negli alimentatori a commutazione e negli amplificatori RF grazie al loro elevato campo elettrico di rottura e alla bassa resistenza in conduzione. Allo stesso tempo, il GaN svolge un ruolo importante anche nei dispositivi optoelettronici, in particolare nella produzione di LED e diodi laser, promuovendo il progresso delle tecnologie di illuminazione e visualizzazione.

· Potenziale dei materiali emergenti nei semiconduttori:

Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, i materiali semiconduttori emergenti come l’ossido di gallio (Ga2O3) e il diamante hanno mostrato un grande potenziale. L'ossido di gallio ha una banda proibita ultra ampia (4,9 eV) ed è molto adatto per dispositivi elettronici ad alta potenza, mentre il diamante è considerato un materiale ideale per la prossima generazione di applicazioni ad alta potenza e ad alta frequenza grazie alle sue eccellenti proprietà termiche. conduttività e mobilità dei portatori estremamente elevata. Si prevede che questi nuovi materiali svolgeranno un ruolo importante nei futuri dispositivi elettronici e optoelettronici.

03. Processo di produzione dei wafer

3.1 Tecnologia di crescita dei wafer di substrato

3.1.1 Metodo Czochralski (metodo CZ)

Il metodo Czochralski è il metodo più comunemente utilizzato per la produzione di wafer di silicio monocristallino. Viene fatto immergendo un seme di cristallo nel silicio fuso e poi estraendolo lentamente, in modo che il silicio fuso si cristallizzi sul seme di cristallo e cresca in un singolo cristallo. Questo metodo può produrre silicio monocristallino di grandi dimensioni e di alta qualità, molto adatto per la produzione di circuiti integrati su larga scala.

3.1.2 Metodo di Bridgman

Il metodo Bridgman è comunemente usato per coltivare semiconduttori composti, come l'arseniuro di gallio. In questo metodo, le materie prime vengono riscaldate allo stato fuso in un crogiolo e poi raffreddate lentamente per formare un singolo cristallo. Il metodo Bridgman può controllare la velocità di crescita e la direzione del cristallo ed è adatto per la produzione di semiconduttori composti complessi.

3.1.3 Epitassia a fascio molecolare (MBE)

L'epitassia a fascio molecolare è una tecnologia utilizzata per far crescere strati semiconduttori ultrasottili su substrati. Forma strati cristallini di alta qualità controllando con precisione i fasci molecolari di diversi elementi in un ambiente ad altissimo vuoto e depositandoli strato dopo strato sul substrato. La tecnologia MBE è particolarmente adatta per la produzione di punti quantici ad alta precisione e strutture di eterogiunzione ultrasottili.

3.1.4 Deposizione chimica da fase vapore (CVD)

La deposizione chimica da fase vapore è una tecnologia di deposizione di film sottile ampiamente utilizzata nella produzione di semiconduttori e altri materiali ad alte prestazioni. Il CVD decompone i precursori gassosi e li deposita sulla superficie del substrato per formare una pellicola solida. La tecnologia CVD può produrre film con spessore e composizione altamente controllati, molto adatti per la produzione di dispositivi complessi.

3.2 Taglio e lucidatura del wafer

3.2.1 Tecnologia di taglio dei wafer di silicio

Una volta completata la crescita dei cristalli, il cristallo grande verrà tagliato a fette sottili per diventare wafer. Il taglio dei wafer di silicio utilizza solitamente lame diamantate o tecnologia a filo per garantire la precisione del taglio e ridurre la perdita di materiale. Il processo di taglio deve essere controllato con precisione per garantire che lo spessore e la planarità della superficie del wafer soddisfino i requisiti.

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