Materie prime chiave per la produzione di semiconduttori: tipi di substrati per wafer

Substrati di wafer come materiali chiave nei dispositivi semiconduttori

I substrati wafer sono i supporti fisici dei dispositivi a semiconduttore e le proprietà dei loro materiali determinano direttamente le prestazioni, i costi e i campi di applicazione del dispositivo. Di seguito sono riportati i principali tipi di substrati wafer, insieme ai loro vantaggi e svantaggi:

1.Silicio (Si)

• Quota di mercato:Rappresenta oltre il 95% del mercato mondiale dei semiconduttori.

• Vantaggi:

  • Basso costo:Materie prime abbondanti (biossido di silicio), processi di produzione maturi e forti economie di scala.

  • Elevata compatibilità di processo:La tecnologia CMOS è molto matura e supporta nodi avanzati (ad esempio, 3 nm).

  • Eccellente qualità del cristallo:È possibile produrre wafer di grande diametro (principalmente da 12 pollici, in fase di sviluppo anche da 18 pollici) con bassa densità di difetti.

  • Proprietà meccaniche stabili:Facile da tagliare, lucidare e maneggiare.

• Svantaggi:

  • Banda proibita stretta (1,12 eV):Elevata corrente di dispersione a temperature elevate, che limita l'efficienza del dispositivo di potenza.

  • Bandgap indiretto:Efficienza di emissione luminosa molto bassa, non adatta a dispositivi optoelettronici come LED e laser.

  • Mobilità limitata degli elettroni:Prestazioni ad alta frequenza inferiori rispetto ai semiconduttori composti.
    

2.Arseniuro di gallio (GaAs)

• Applicazioni:Dispositivi RF ad alta frequenza (5G/6G), dispositivi optoelettronici (laser, celle solari).

• Vantaggi:

  • Elevata mobilità degli elettroni (5–6 volte quella del silicio):Adatto per applicazioni ad alta velocità e alta frequenza, come la comunicazione a onde millimetriche.

  • Bandgap diretto (1,42 eV):Conversione fotoelettrica ad alta efficienza, fondamento dei laser a infrarossi e dei LED.

  • Resistenza alle alte temperature e alle radiazioni:Adatto per l'industria aerospaziale e per ambienti difficili.

• Svantaggi:

  • Costo elevato:Materiale scarso, crescita cristallina difficile (soggetto a dislocazioni), dimensioni limitate delle cialde (principalmente 6 pollici).

  • Meccanica fragile:Tende a fratturarsi, con conseguente bassa resa di lavorazione.

  • Tossicità:L'arsenico richiede controlli rigorosi sulla manipolazione e sull'ambiente.

3. Carburo di silicio (SiC)

• Applicazioni:Dispositivi di potenza ad alta temperatura e ad alta tensione (inverter per veicoli elettrici, stazioni di ricarica), settore aerospaziale.

• Vantaggi:

  • Ampio bandgap (3,26 eV):Elevata resistenza alla rottura (10 volte quella del silicio), tolleranza alle alte temperature (temperatura di esercizio >200 °C).

  • Elevata conduttività termica (≈3× silicio):Eccellente dissipazione del calore, che consente una maggiore densità di potenza del sistema.

  • Bassa perdita di commutazione:Migliora l'efficienza della conversione di potenza.

• Svantaggi:

  • Preparazione del substrato impegnativa:Crescita lenta dei cristalli (>1 settimana), difficile controllo dei difetti (microtubi, dislocazioni), costo estremamente elevato (5–10× silicio).

  • Dimensioni ridotte delle cialde:Principalmente da 4 a 6 pollici; la versione da 8 pollici è ancora in fase di sviluppo.

  • Difficile da elaborare:Molto duro (Mohs 9,5), il che rende il taglio e la lucidatura molto lunghi.

4. Nitruro di gallio (GaN)

• Applicazioni:Dispositivi di potenza ad alta frequenza (ricarica rapida, stazioni base 5G), LED/laser blu.

• Vantaggi:

  • Mobilità elettronica ultraelevata + ampio bandgap (3,4 eV):Combina prestazioni ad alta frequenza (>100 GHz) e ad alta tensione.

  • Bassa resistenza di accensione:Riduce la perdita di potenza del dispositivo.

  • Eterepitassia compatibile:Solitamente coltivato su substrati di silicio, zaffiro o SiC, riducendo i costi.

• Svantaggi:

  • Crescita monocristallina in massa difficile:L'eteroepitassia è una pratica diffusa, ma la mancata corrispondenza del reticolo introduce dei difetti.

  • Costo elevato:I substrati GaN nativi sono molto costosi (un wafer da 2 pollici può costare diverse migliaia di dollari).

  • Sfide di affidabilità:Fenomeni come il collasso attuale richiedono un'ottimizzazione.

5. Fosfuro di indio (InP)

• Applicazioni:Comunicazioni ottiche ad alta velocità (laser, fotodetector), dispositivi terahertz.

• Vantaggi:

  • Mobilità elettronica ultraelevata:Supporta operazioni >100 GHz, superando le prestazioni del GaAs.

  • Bandgap diretto con adattamento della lunghezza d'onda:Materiale di base per comunicazioni in fibra ottica da 1,3–1,55 μm.

• Svantaggi:

  • Fragili e molto costosi:Il costo del substrato supera 100 volte quello del silicio, le dimensioni dei wafer sono limitate (4–6 pollici).

6. Zaffiro (Al₂O₃)

• Applicazioni:Illuminazione a LED (substrato epitassiale GaN), vetro di copertura per elettronica di consumo.

• Vantaggi:

  • Basso costo:Molto più economici dei substrati SiC/GaN.

  • Eccellente stabilità chimica:Resistente alla corrosione, altamente isolante.

  • Trasparenza:Adatto per strutture LED verticali.

• Svantaggi:

  • Grande discrepanza reticolare con GaN (>13%):Causa un'elevata densità di difetti, che richiede strati tampone.

  • Scarsa conduttività termica (~1/20 del silicio):Limita le prestazioni dei LED ad alta potenza.

7. Substrati ceramici (AlN, BeO, ecc.)

• Applicazioni:Dissipatori di calore per moduli ad alta potenza.

• Vantaggi:

  • Isolante + elevata conduttività termica (AlN: 170–230 W/m·K):Adatto per imballaggi ad alta densità.

• Svantaggi:

  • Non monocristallino:Non può supportare direttamente la crescita del dispositivo, utilizzato solo come substrati di confezionamento.

8. Substrati speciali

• SOI (Silicio su isolante):

  • Struttura:Sandwich silicio/SiO₂/silicio.

  • Vantaggi:Riduce la capacità parassita, è resistente alle radiazioni e sopprime le perdite (utilizzato in RF, MEMS).

  • Svantaggi:Dal 30 al 50% più costoso del silicio sfuso.

• Quarzo (SiO₂):Utilizzato nelle fotomaschere e nei MEMS; resistenza alle alte temperature ma molto fragile.

• Diamante:Substrato con la più elevata conduttività termica (>2000 W/m·K), in fase di ricerca e sviluppo per la dissipazione estrema del calore.

Tabella riassuntiva comparativa

Fattori chiave per la selezione del substrato

• Requisiti di prestazione:GaAs/InP per alta frequenza; SiC per alta tensione, alta temperatura; GaAs/InP/GaN per optoelettronica.

• Vincoli di costo:L'elettronica di consumo privilegia il silicio; i settori di fascia alta possono giustificare i prezzi superiori di SiC/GaN.

• Complessità di integrazione:Il silicio rimane insostituibile per la compatibilità CMOS.

• Gestione termica:Le applicazioni ad alta potenza preferiscono il SiC o il GaN a base di diamante.

• Maturità della catena di fornitura:Si > Zaffiro > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tendenza futura

L'integrazione eterogenea (ad esempio, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) bilancerà prestazioni e costi, favorendo i progressi nel 5G, nei veicoli elettrici e nell'informatica quantistica.