Halbleitersubstratwafer: Materialeigenschaften von Silizium, GaAs, SiC und GaN

01. Grundlagen vonHalbleitersubstratwafer

1.1 Definition des Halbleitersubstrats

Unter Halbleitersubstrat versteht man das Grundmaterial, das bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet wird, in der Regel einkristalline oder polykristalline Materialien, die durch hochreine Kristallwachstumstechnologie hergestellt werden. Bei Substratwafern handelt es sich in der Regel um dünne und massive Blechstrukturen, auf denen verschiedene Halbleiterbauelemente und Schaltkreise hergestellt werden. Die Reinheit und Qualität des Substrats wirken sich direkt auf die Leistung und Zuverlässigkeit des endgültigen Halbleiterbauelements aus.

1.2 Die Rolle und das Anwendungsgebiet von Substratwafern

Substratwafer spielen eine entscheidende Rolle im Halbleiterherstellungsprozess. Als Basis von Geräten und Schaltkreisen unterstützen Substratwafer nicht nur die Struktur des gesamten Geräts, sondern bieten auch die notwendige Unterstützung in elektrischer, thermischer und mechanischer Hinsicht. Zu seinen Hauptfunktionen gehören:

Mechanische Unterstützung: Stellen Sie eine stabile strukturelle Grundlage zur Unterstützung nachfolgender Fertigungsschritte bereit.

Wärmemanagement: Hilft bei der Wärmeableitung, um zu verhindern, dass Überhitzung die Geräteleistung beeinträchtigt.

Elektrische Eigenschaften: Beeinflussen die elektrischen Eigenschaften des Geräts, wie z. B. Leitfähigkeit, Ladungsträgermobilität usw.

Hinsichtlich der Anwendungsbereiche werden Substratwafer häufig verwendet in:

Mikroelektronische Geräte: wie integrierte Schaltkreise (ICs), Mikroprozessoren usw.

Optoelektronische Geräte: wie LEDs, Laser, Fotodetektoren usw.

Elektronische Hochfrequenzgeräte: wie HF-Verstärker, Mikrowellengeräte usw.

Leistungselektronische Geräte: wie Stromrichter, Wechselrichter usw.

02. Halbleitermaterialien und ihre Eigenschaften

Silizium (Si)-Substrat

· Der Unterschied zwischen einkristallinem Silizium und polykristallinem Silizium:

Silizium ist das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial, hauptsächlich in Form von einkristallinem Silizium und polykristallinem Silizium. Einkristallines Silizium besteht aus einer kontinuierlichen Kristallstruktur mit hoher Reinheit und fehlerfreien Eigenschaften, die sich sehr gut für elektronische Hochleistungsgeräte eignet. Polykristallines Silizium besteht aus mehreren Körnern und es gibt Korngrenzen zwischen den Körnern. Obwohl die Herstellungskosten niedrig sind, ist die elektrische Leistung schlecht, sodass es normalerweise in einigen Anwendungsszenarien mit geringer Leistung oder in großem Maßstab verwendet wird, beispielsweise bei Solarzellen.

·Elektronische Eigenschaften und Vorteile von Siliziumsubstraten:

Siliziumsubstrat verfügt über gute elektronische Eigenschaften, wie z. B. eine hohe Trägermobilität und eine moderate Energielücke (1,1 eV), die Silizium zu einem idealen Material für die Herstellung der meisten Halbleiterbauelemente machen.

Darüber hinaus bieten Siliziumsubstrate folgende Vorteile:

Hohe Reinheit: Durch fortschrittliche Reinigungs- und Wachstumstechniken kann einkristallines Silizium von sehr hoher Reinheit erhalten werden.

Kosteneffizienz: Im Vergleich zu anderen Halbleitermaterialien ist Silizium kostengünstig und verfügt über einen ausgereiften Herstellungsprozess.

Oxidbildung: Silizium kann auf natürliche Weise eine Schicht aus Siliziumdioxid (SiO2) bilden, die als gute Isolierschicht bei der Geräteherstellung dienen kann.

Galliumarsenid (GaAs)-Substrat

· Hochfrequenzeigenschaften von GaAs:

Galliumarsenid ist ein Verbindungshalbleiter, der sich aufgrund seiner hohen Elektronenmobilität und großen Bandlücke besonders für elektronische Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsgeräte eignet. GaAs-Geräte können bei höheren Frequenzen mit höherer Effizienz und geringerem Geräuschpegel betrieben werden. Dies macht GaAs zu einem wichtigen Material für Mikrowellen- und Millimeterwellenanwendungen.

· Anwendung von GaAs in Optoelektronik und elektronischen Hochfrequenzgeräten:

Aufgrund seiner direkten Bandlücke wird GaAs auch häufig in optoelektronischen Geräten verwendet. GaAs-Materialien werden beispielsweise häufig bei der Herstellung von LEDs und Lasern verwendet. Darüber hinaus sorgt die hohe Elektronenmobilität von GaAs für eine gute Leistung in HF-Verstärkern, Mikrowellengeräten und Satellitenkommunikationsgeräten.

Siliziumkarbid (SiC)-Substrat

· Wärmeleitfähigkeit und Hochleistungseigenschaften von SiC:

Siliziumkarbid ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke, ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit und hohem elektrischen Durchbruchfeld. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich SiC sehr gut für Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen. SiC-Geräte können bei Spannungen und Temperaturen stabil betrieben werden, die um ein Vielfaches höher sind als Siliziumgeräte.

· Vorteile von SiC in leistungselektronischen Geräten:

SiC-Substrate weisen in leistungselektronischen Geräten erhebliche Vorteile auf, wie etwa geringere Schaltverluste und einen höheren Wirkungsgrad. Dies macht SiC in Hochleistungsumwandlungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen, Wind- und Solarwechselrichtern immer beliebter. Darüber hinaus wird SiC aufgrund seiner hohen Temperaturbeständigkeit häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie in der industriellen Steuerung eingesetzt.

Galliumnitrid (GaN)-Substrat

· Hohe Elektronenmobilität und optische Eigenschaften von GaN:

Galliumnitrid ist ein weiterer Halbleiter mit großer Bandlücke, extrem hoher Elektronenmobilität und starken optischen Eigenschaften. Die hohe Elektronenmobilität von GaN macht es bei Hochfrequenz- und Hochleistungsanwendungen sehr effizient. Gleichzeitig kann GaN Licht im ultravioletten bis sichtbaren Bereich emittieren, was für eine Vielzahl optoelektronischer Geräte geeignet ist.

· Anwendung von GaN in Leistungs- und optoelektronischen Geräten:

Im Bereich der Leistungselektronik zeichnen sich GaN-Bauteile durch ihr hohes elektrisches Durchbruchfeld und ihren niedrigen Einschaltwiderstand in Schaltnetzteilen und HF-Verstärkern aus. Gleichzeitig spielt GaN auch in optoelektronischen Geräten, insbesondere bei der Herstellung von LEDs und Laserdioden, eine wichtige Rolle und fördert die Weiterentwicklung von Beleuchtungs- und Anzeigetechnologien.

· Potenzial neuer Materialien in Halbleitern:

Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie haben neue Halbleitermaterialien wie Galliumoxid (Ga2O3) und Diamant großes Potenzial gezeigt. Galliumoxid hat eine extrem große Bandlücke (4,9 eV) und eignet sich sehr gut für elektronische Hochleistungsgeräte, während Diamant aufgrund seiner hervorragenden thermischen Eigenschaften als ideales Material für die nächste Generation von Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen gilt Leitfähigkeit und extrem hohe Ladungsträgermobilität. Es wird erwartet, dass diese neuen Materialien eine wichtige Rolle in zukünftigen elektronischen und optoelektronischen Geräten spielen werden.

03. Wafer-Herstellungsprozess

3.1 Wachstumstechnologie von Substratwafern

3.1.1 Czochralski-Methode (CZ-Methode)

Das Czochralski-Verfahren ist das am häufigsten verwendete Verfahren zur Herstellung einkristalliner Siliziumwafer. Dies geschieht durch Eintauchen eines Impfkristalls in geschmolzenes Silizium und anschließendes langsames Herausziehen, sodass das geschmolzene Silizium auf dem Impfkristall kristallisiert und zu einem Einkristall heranwächst. Mit dieser Methode kann großformatiges, hochwertiges einkristallines Silizium hergestellt werden, das sich sehr gut für die Herstellung großformatiger integrierter Schaltkreise eignet.

3.1.2 Bridgman-Methode

Die Bridgman-Methode wird üblicherweise zum Züchten von Verbindungshalbleitern wie Galliumarsenid verwendet. Bei dieser Methode werden die Rohstoffe in einem Tiegel bis zum geschmolzenen Zustand erhitzt und dann langsam abgekühlt, um einen Einkristall zu bilden. Die Bridgman-Methode kann die Wachstumsrate und -richtung des Kristalls steuern und eignet sich für die Herstellung komplexer Verbindungshalbleiter.

3.1.3 Molekularstrahlepitaxie (MBE)

Die Molekularstrahlepitaxie ist eine Technologie zum Aufwachsen ultradünner Halbleiterschichten auf Substraten. Es bildet hochwertige Kristallschichten, indem es Molekularstrahlen verschiedener Elemente in einer Ultrahochvakuumumgebung präzise steuert und Schicht für Schicht auf dem Substrat abscheidet. Die MBE-Technologie eignet sich besonders für die Herstellung hochpräziser Quantenpunkte und ultradünner Heterojunction-Strukturen.

3.1.4 Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

Die chemische Gasphasenabscheidung ist eine Dünnfilm-Abscheidungstechnologie, die häufig bei der Herstellung von Halbleitern und anderen Hochleistungsmaterialien eingesetzt wird. CVD zersetzt gasförmige Vorläufer und lagert sie auf der Substratoberfläche ab, um einen festen Film zu bilden. Mit der CVD-Technologie können Filme mit stark kontrollierter Dicke und Zusammensetzung hergestellt werden, was sich sehr gut für die Herstellung komplexer Geräte eignet.

3.2 Schneiden und Polieren von Wafern

3.2.1 Technologie zum Schneiden von Siliziumwafern

Nachdem das Kristallwachstum abgeschlossen ist, wird der große Kristall in dünne Scheiben geschnitten, um daraus Wafer zu werden. Beim Schneiden von Siliziumwafern kommen in der Regel Diamantsägeblätter oder Drahtsägen zum Einsatz, um die Schnittgenauigkeit sicherzustellen und den Materialverlust zu reduzieren. Der Schneidprozess muss präzise gesteuert werden, um sicherzustellen, dass Dicke und Oberflächenebenheit des Wafers den Anforderungen entsprechen.

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VeTek Semiconductor ist ein professioneller chinesischer Hersteller von4°-Off-Axis-p-Typ-SiC-Wafer, SiC-Substrat vom Typ 4H N, Und4H halbisolierendes SiC-Substrat.  VeTek Semiconductor ist bestrebt, fortschrittliche Lösungen für verschiedene Zwecke bereitzustellenSiC-WaferProdukte für die Halbleiterindustrie. 

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