Oblea de sustrato semiconductor: propiedades materiales del silicio, GaAs, SiC y GaN

01. Conceptos básicos deoblea de sustrato semiconductor

1.1 Definición de sustrato semiconductor

El sustrato semiconductor se refiere al material básico utilizado en la fabricación de dispositivos semiconductores, generalmente materiales monocristalinos o policristalinos fabricados mediante tecnología de crecimiento de cristales altamente purificada. Las obleas de sustrato suelen ser estructuras de láminas delgadas y sólidas sobre las que se fabrican diversos dispositivos y circuitos semiconductores. La pureza y calidad del sustrato afectan directamente el rendimiento y la confiabilidad del dispositivo semiconductor final.

1.2 El papel y el campo de aplicación de las obleas de sustrato.

Las obleas de sustrato desempeñan un papel vital en el proceso de fabricación de semiconductores. Como base de dispositivos y circuitos, las obleas de sustrato no solo soportan la estructura de todo el dispositivo, sino que también brindan el soporte necesario en los aspectos eléctricos, térmicos y mecánicos. Sus principales funciones incluyen:

Soporte mecanico: Proporcionar una base estructural estable para soportar los pasos de fabricación posteriores.

Gestión térmica: Ayuda a disipar el calor para evitar que el sobrecalentamiento afecte el rendimiento del dispositivo.

Características eléctricas: Afecta las propiedades eléctricas del dispositivo, como la conductividad, la movilidad del portador, etc.

En términos de campos de aplicación, las obleas de sustrato se utilizan ampliamente en:

Dispositivos microelectrónicos: como circuitos integrados (CI), microprocesadores, etc.

Dispositivos optoelectrónicos: como LED, láseres, fotodetectores, etc.

Dispositivos electrónicos de alta frecuencia.: como amplificadores de RF, dispositivos de microondas, etc.

Dispositivos electrónicos de potencia.: como convertidores de potencia, inversores, etc.

02. Materiales semiconductores y sus propiedades.

Sustrato de silicio (Si)

· La diferencia entre silicio monocristalino y silicio policristalino:

El silicio es el material semiconductor más utilizado, principalmente en forma de silicio monocristalino y silicio policristalino. El silicio monocristalino está compuesto por una estructura cristalina continua, con alta pureza y características libres de defectos, lo que es muy adecuado para dispositivos electrónicos de alto rendimiento. El silicio policristalino está compuesto de múltiples granos y existen límites de grano entre los granos. Aunque el costo de fabricación es bajo, el rendimiento eléctrico es deficiente, por lo que generalmente se usa en algunos escenarios de aplicaciones de bajo rendimiento o a gran escala, como las células solares.

·Propiedades electrónicas y ventajas del sustrato de silicio.:

El sustrato de silicio tiene buenas propiedades electrónicas, como una alta movilidad del portador y una brecha de energía moderada (1,1 eV), que hacen del silicio un material ideal para fabricar la mayoría de los dispositivos semiconductores.

Además, los sustratos de silicio tienen las siguientes ventajas:

Alta pureza: Mediante técnicas avanzadas de purificación y crecimiento, se puede obtener silicio monocristalino de muy alta pureza.

Rentabilidad: En comparación con otros materiales semiconductores, el silicio tiene un bajo costo y un proceso de fabricación maduro.

formación de óxido: El silicio puede formar naturalmente una capa de dióxido de silicio (SiO2), que puede servir como una buena capa aislante en la fabricación de dispositivos.

Sustrato de arseniuro de galio (GaAs)

· Características de alta frecuencia de GaAs.:

El arseniuro de galio es un semiconductor compuesto que es particularmente adecuado para dispositivos electrónicos de alta frecuencia y alta velocidad debido a su alta movilidad de electrones y su amplia banda prohibida. Los dispositivos de GaAs pueden funcionar a frecuencias más altas con mayor eficiencia y menores niveles de ruido. Esto convierte al GaAs en un material importante en aplicaciones de microondas y ondas milimétricas.

· Aplicación de GaAs en optoelectrónica y dispositivos electrónicos de alta frecuencia.:

Debido a su banda prohibida directa, GaAs también se usa ampliamente en dispositivos optoelectrónicos. Por ejemplo, los materiales GaAs se utilizan ampliamente en la fabricación de LED y láseres. Además, la alta movilidad electrónica del GaAs hace que funcione bien en amplificadores de RF, dispositivos de microondas y equipos de comunicación por satélite.

Sustrato de carburo de silicio (SiC)

· Conductividad térmica y propiedades de alta potencia del SiC.:

El carburo de silicio es un semiconductor de banda prohibida amplia con excelente conductividad térmica y campo eléctrico de alta ruptura. Estas propiedades hacen que el SiC sea muy adecuado para aplicaciones de alta potencia y alta temperatura. Los dispositivos de SiC pueden funcionar de manera estable a voltajes y temperaturas varias veces más altas que los dispositivos de silicio.

· Ventajas del SiC en dispositivos electrónicos de potencia:

Los sustratos de SiC muestran importantes ventajas en dispositivos electrónicos de potencia, como menores pérdidas de conmutación y mayor eficiencia. Esto hace que el SiC sea cada vez más popular en aplicaciones de conversión de alta potencia, como vehículos eléctricos e inversores solares y eólicos. Además, el SiC se utiliza ampliamente en el control aeroespacial e industrial debido a su resistencia a altas temperaturas.

Sustrato de nitruro de galio (GaN)

· Alta movilidad de electrones y propiedades ópticas del GaN.:

El nitruro de galio es otro semiconductor de banda prohibida amplia con una movilidad electrónica extremadamente alta y fuertes propiedades ópticas. La alta movilidad electrónica del GaN lo hace muy eficiente en aplicaciones de alta frecuencia y alta potencia. Al mismo tiempo, GaN puede emitir luz en el rango ultravioleta al visible, adecuado para una variedad de dispositivos optoelectrónicos.

· Aplicación de GaN en potencia y dispositivos optoelectrónicos.:

En el campo de la electrónica de potencia, los dispositivos GaN destacan en fuentes de alimentación conmutadas y amplificadores de RF debido a su alto campo eléctrico de ruptura y su baja resistencia de encendido. Al mismo tiempo, GaN también juega un papel importante en dispositivos optoelectrónicos, especialmente en la fabricación de LED y diodos láser, promoviendo el avance de las tecnologías de iluminación y visualización.

· Potencial de materiales emergentes en semiconductores:

Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, los materiales semiconductores emergentes como el óxido de galio (Ga2O3) y el diamante han demostrado un gran potencial. El óxido de galio tiene una banda prohibida ultra amplia (4,9 eV) y es muy adecuado para dispositivos electrónicos de alta potencia, mientras que el diamante se considera un material ideal para la próxima generación de aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia debido a su excelente calidad térmica. conductividad y movilidad extremadamente alta del portador. Se espera que estos nuevos materiales desempeñen un papel importante en los futuros dispositivos electrónicos y optoelectrónicos.

03. Proceso de fabricación de obleas

3.1 Tecnología de crecimiento de obleas de sustrato.

3.1.1 Método Czochralski (método CZ)

El método Czochralski es el método más utilizado para fabricar obleas de silicio monocristalino. Se hace sumergiendo un cristal semilla en silicio fundido y luego sacándolo lentamente, de modo que el silicio fundido cristalice en el cristal semilla y crezca hasta formar un solo cristal. Este método puede producir silicio monocristalino de gran tamaño y alta calidad, que es muy adecuado para la fabricación de circuitos integrados a gran escala.

3.1.2 Método Bridgman

El método Bridgman se utiliza comúnmente para cultivar semiconductores compuestos, como el arseniuro de galio. En este método, las materias primas se calientan hasta un estado fundido en un crisol y luego se enfrían lentamente para formar un solo cristal. El método Bridgman puede controlar la tasa de crecimiento y la dirección del cristal y es adecuado para la producción de semiconductores compuestos complejos.

3.1.3 Epitaxia de haz molecular (MBE)

La epitaxia de haz molecular es una tecnología utilizada para hacer crecer capas semiconductoras ultrafinas sobre sustratos. Forma capas de cristal de alta calidad controlando con precisión haces moleculares de diferentes elementos en un entorno de vacío ultraalto y depositándolos capa por capa sobre el sustrato. La tecnología MBE es especialmente adecuada para la fabricación de puntos cuánticos de alta precisión y estructuras de heterounión ultrafinas.

3.1.4 Deposición química de vapor (CVD)

La deposición química de vapor es una tecnología de deposición de película delgada ampliamente utilizada en la fabricación de semiconductores y otros materiales de alto rendimiento. CVD descompone los precursores gaseosos y los deposita sobre la superficie del sustrato para formar una película sólida. La tecnología CVD puede producir películas con espesor y composición altamente controlados, lo que es muy adecuado para la fabricación de dispositivos complejos.

3.2 Corte y pulido de obleas

3.2.1 Tecnología de corte de obleas de silicio

Una vez que se completa el crecimiento del cristal, el cristal grande se cortará en rodajas finas para convertirlas en obleas. El corte de obleas de silicio generalmente utiliza hojas de sierra de diamante o tecnología de sierra de alambre para garantizar la precisión del corte y reducir la pérdida de material. El proceso de corte debe controlarse con precisión para garantizar que el grosor y la planitud de la superficie de la oblea cumplan los requisitos.

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