Wichtige Rohmaterialien in der Halbleiterfertigung: Arten von Wafer-Substraten

Wafer-Substrate dienen als physische Träger von Halbleiterbauelementen, wobei ihre Materialeigenschaften die Bauelementleistung, die Kosten und den Anwendungsbereich direkt beeinflussen. Im Folgenden werden die wichtigsten Arten von Wafer-Substraten und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile aufgeführt:

1. Silizium (Si)​​

​​Marktanteil​​: Dominiert über 95 % des globalen Halbleitermarktes.

​​Vorteile​​:

• Geringe Kosten​​: Reichlich vorhandene Rohstoffe (Siliziumdioxid) und ausgereifte Herstellungsprozesse ermöglichen erhebliche Skaleneffekte.
• ​​Hohe Prozesskompatibilität​​: Ausgereifte CMOS-Technologie unterstützt die Nanobearbeitung (z. B. 3-nm-Knoten).
• ​​Ausgezeichnete Kristallqualität​​: Fähigkeit zur Herstellung von großen (12-Zoll-Primär, 18-Zoll in Entwicklung) einkristallinen Kristallen mit geringen Defekten.
• ​​Stabile mechanische Eigenschaften​​: Leicht zu schneiden, zu polieren und zu verarbeiten.

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Nachteile​​:

• ​​Enge Bandlücke (1,12 eV)​​: Hoher Leckstrom bei erhöhten Temperaturen, was die Effizienz in Leistungsbauelementen einschränkt.
• ​​Indirekte Bandlücke​​: Extrem geringe Lichtemissionsausbeute, ungeeignet für optoelektronische Bauelemente (z. B. LEDs, Laser).
• ​​Begrenzte Elektronenmobilität​​: Geringere Hochfrequenzleistung im Vergleich zu Verbindungshalbleitern.

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ZMSH's Siliziumwafer

2. Galliumarsenid (GaAs)​​

​​Anwendungen​​: Hochfrequenz-HF-Bauelemente (5G/6G), optoelektronische Bauelemente (Laser, Solarzellen).

​​Vorteile​​:

• ​Hohe Elektronenmobilität (5–6× die von Silizium)​​: Ideal für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen (mmWave-Kommunikation).
• ​​Direkte Bandlücke (1,42 eV)​​: Effiziente photoelektrische Umwandlung, bildet die Grundlage für Infrarotlaser und LEDs.
• ​​Thermische/Strahlungsbeständigkeit​​: Geeignet für Luft- und Raumfahrt und Hochtemperaturumgebungen.

​​Nachteile​​:

• ​​Hohe Kosten​​: Knappes Material mit komplexem Kristallwachstum (anfällig für Versetzungen); Wafergrößen sind klein (6-Zoll-Primär).
• ​​Mechanische Sprödigkeit​​: Anfällig für Fragmentierung, was zu geringen Verarbeitungsausbeuten führt.
• ​​Toxizität​​: Strenge Kontrolle für die Handhabung von Arsen erforderlich.

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ZMSH's GaAs-Wafer

3. Siliziumkarbid (SiC)​​

​​Anwendungen​​: Hochtemperatur-/Hochspannungs-Leistungsbauelemente (EV-Wechselrichter, Ladesäulen), Luft- und Raumfahrt.

​​Vorteile​​:

• ​Breite Bandlücke (3,26 eV)​​: Hält hohen Spannungen stand (Durchbruchfeldstärke 10× die von Silizium) und arbeitet bei >200 °C.
• ​​Hohe Wärmeleitfähigkeit (3× die von Silizium)​​: Effiziente Wärmeableitung erhöht die Systemleistungsdichte.
• ​​Geringe Schaltverluste​​: Verbessert den Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung.

​​Nachteile​​:

• ​​Herausfordernde Substratvorbereitung​​: Langsames Kristallwachstum (>1 Woche) und schwierige Defektkontrolle (Mikrotuben, Versetzungen); kostet 5–10× mehr als Silizium.
• ​​Kleine Wafergrößen​​: Mainstream 4–6 Zoll; 8-Zoll-Entwicklung läuft.
• ​​Schwierige Verarbeitung​​: Hohe Härte (Mohs 9,5) macht das Schneiden und Polieren zeitaufwändig.

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ZMSH's SiC-Wafer

4. Galliumnitrid (GaN)​​

​​Anwendungen​​: Hochfrequenz-Leistungsbauelemente (Schnellladegeräte, 5G-Basisstationen), blaue LEDs/Laser.

​​Vorteile​​:

• ​Ultrahohe Elektronenmobilität + breite Bandlücke (3,4 eV)​​: Kombiniert Hochfrequenz- (>100 GHz) und Hochspannungseigenschaften.
• ​​Geringer Einschaltwiderstand​​: Reduziert den Stromverbrauch des Bauelements.
• ​​Heterogene Epitaxie-Kompatibilität​​: Wird oft auf Silizium-, Saphir- oder SiC-Substraten gezüchtet, um die Kosten zu senken.

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Nachteile​​:

• ​​Schwierigkeiten beim Kristallwachstum in großen Mengen​​: Mainstream basiert auf heterogener Epitaxie, mit gitterfehlanpassungsinduzierten Defekten.
• ​​Hohe Kosten​​: Selbsttragende GaN-Substrate sind teuer (2-Zoll-Wafer können Tausende von Dollar kosten).
• ​​Zuverlässigkeitsprobleme​​: Der aktuelle Kollapseffekt erfordert eine Optimierung.

ZMSH's GaN-Wafer

​​5. Indiumphosphid (InP)​​

​​Anwendungen​​: Hochgeschwindigkeits-Optoelektronik (Laser, Detektoren), Terahertz-Bauelemente.

​​Vorteile​​:

• ​Ultrahohe Elektronenmobilität​​: Unterstützt >100 GHz Hochfrequenzbetrieb (überlegen gegenüber GaAs).
• ​​Direkte Bandlücke mit Wellenlängenanpassung​​: Entscheidend für 1,3–1,55μm Glasfaserkommunikation.

​​Nachteile​​:

• ​Sprödigkeit und hohe Kosten​​: Substratpreise sind über 100× höher als die von Silizium; Wafergrößen sind klein (4–6 Zoll).

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ZMSH's InP Wafer

6. Saphir (Al₂O₃)​​

​​Anwendungen​​: LED-Beleuchtung (GaN-Epitaxiesubstrate), Abdeckungen für Unterhaltungselektronik.

​​Vorteile​​:

• ​Geringe Kosten​​: Günstiger als SiC/GaN-Substrate.
• ​​Chemische Stabilität​​: Korrosionsbeständig und isolierend.
• ​​Transparenz​​: Geeignet für LEDs mit vertikaler Struktur.

​​Nachteile​​:

• ​Gitterfehlanpassung mit GaN (>13 %)​​: Benötigt Pufferschichten, um Epitaxiedefekte zu reduzieren.
• ​​Geringe Wärmeleitfähigkeit (≈1/20 die von Silizium)​​: Begrenzt die Leistung in Hochleistungs-LEDs.

ZMSH's Saphir Wafer

​​7. Aluminiumoxid-/Keramiksubstrate (z. B. AlN, BeO)​​

​​Anwendungen​​: Wärmeableitungssubstrate für Hochleistungsmodule.

​​Vorteile​​:

• ​Isolierung + hohe Wärmeleitfähigkeit (AlN: 170–230 W/m·K)​​: Ideal für hochdichte Verpackung.

​​Nachteile​​:

• ​Nicht-Einkristall​​: Kann keine Bauelemente direkt züchten; wird ausschließlich als Verpackungssubstrate verwendet.

 ZMSH's Aluminiumoxid-Keramiksubstrat

​​8. Spezialsubstrate​​

• ​​SOI (Silicon on Insulator)​​:

1. ​​Struktur​​: Silizium/Siliziumdioxid/Silizium-Sandwich.​
2. Vorteile​​: Reduziert parasitäre Kapazität, Strahlungshärte und Leckstrom (verwendet in HF, MEMS).
3. ​​Nachteile​​: 30–50 % höhere Kosten als Bulk-Silizium.

• ​​Quarz (SiO₂)​​: Wird in Fotomasken, MEMS verwendet; hitzebeständig, aber spröde.
• ​​Diamant​​: Höchste Wärmeleitfähigkeit (>2000 W/m·K) in Entwicklung für extreme Wärmeableitung.

ZMSH's ​​SOI-Wafer,​​Quarz-Wafer,​​Diamant​​ Substrat

Zusammenfassende Vergleichstabelle

Schlüsselfaktoren für die Auswahl

1. ​​Leistungsanforderungen​​: Hochfrequenzanwendungen bevorzugen GaAs/InP; Hochspannungs-/Hochtemperaturanwendungen erfordern SiC; Optoelektronik bevorzugt GaAs/InP/GaN.
2. ​​Kosteneinschränkungen​​: Unterhaltungselektronik priorisiert Silizium; High-End-Bereiche akzeptieren Premium-Preise für SiC/GaN.
3. ​​Integrationskomplexität​​: Die Silizium-CMOS-Kompatibilität ist nach wie vor unübertroffen.
4. ​​Wärmemanagement​​: Hochleistungsbauelemente priorisieren SiC oder diamantbasiertes GaN.
5. ​​Lieferkettenreife​​: Silizium > Saphir > GaAs > SiC > GaN > InP.

Zukünftige Trends

Heterogene Integration (z. B. GaN auf Silizium, SiC auf GaN) wird Leistung und Kosten ausgleichen und Fortschritte in 5G, Elektrofahrzeugen und Quantencomputing vorantreiben.

ZMSH's Dienstleistungen ​​

Als integrierter Hersteller und Händler von umfassenden Dienstleistungen für Halbleitermaterialien bieten wir Full-Chain-Produkt-Supply-Chain-Lösungen – von Wafer-Substraten (Si/GaAs/SiC/GaN usw.) bis hin zu Fotoresists und CMP-Poliermaterialien. Durch die Nutzung selbst entwickelter Produktionsstandorte und eines globalisierten Supply-Chain-Netzwerks kombinieren wir schnelle Reaktionsfähigkeiten mit professioneller technischer Unterstützung, um Kunden in die Lage zu versetzen, einen stabilen Supply-Chain-Betrieb und technologische Innovationen mit Win-Win-Ergebnissen zu erzielen.​