Основные сырьевые материалы в производстве полупроводников: типы подложек для пластин

Подложки для пластин служат физическими носителями полупроводниковых приборов, а их материальные свойства напрямую влияют на производительность, стоимость и область применения устройств. Ниже приведены основные типы подложек для пластин и их соответствующие преимущества и недостатки:

1. Кремний (Si)

Доля рынка: Доминирует на более чем 95% мирового рынка полупроводников.

Керамическая подложка из оксида алюминия ZMSH

• Низкая стоимость: Обильное сырье (диоксид кремния) и зрелые производственные процессы обеспечивают значительную экономию за счет масштаба.
• Высокая технологическая совместимость: Высокоразвитая технология CMOS поддерживает наноразмерное производство (например, узлы 3 нм).
• Отличное качество кристаллов: Способность производить крупногабаритные (основные 12-дюймовые, 18-дюймовые в разработке) монокристаллы с низким уровнем дефектов.
• Стабильные механические свойства: Легко резать, полировать и обрабатывать.

Недостатки:

• Узкая запрещенная зона (1,12 эВ): Высокий ток утечки при повышенных температурах, что ограничивает эффективность в силовых приборах.
• Непрямая запрещенная зона: Чрезвычайно низкая эффективность светоизлучения, не подходит для оптоэлектронных устройств (например, светодиодов, лазеров).
• Ограниченная подвижность электронов: Уступает по высокочастотным характеристикам полупроводникам с соединениями.

Кремниевые пластины ZMSH

2. Арсенид галлия (GaAs)

Применение: Высокочастотные радиочастотные устройства (5G/6G), оптоэлектронные устройства (лазеры, солнечные элементы).

Керамическая подложка из оксида алюминия ZMSH

• Высокая подвижность электронов (в 5–6 раз выше, чем у кремния): Идеально подходит для высокоскоростных, высокочастотных приложений (миллиметровые волны).
• Прямая запрещенная зона (1,42 эВ): Эффективное преобразование фотоэлектричества, составляющее основу инфракрасных лазеров и светодиодов.
• Термостойкость/радиационная стойкость: Подходит для аэрокосмической и высокотемпературной среды.

SOI (кремний на изоляторе):

• Высокая стоимость: Дефицитный материал со сложным выращиванием кристаллов (склонен к дислокациям); размеры пластин небольшие (основные 6 дюймов).
• Механическая хрупкость: Склонен к фрагментации, что приводит к низкому выходу продукции.
• Токсичность: Требуется строгий контроль при работе с мышьяком.

Пластины GaAs от ZMSH

3. Карбид кремния (SiC)

Применение: Высокотемпературные/высоковольтные силовые приборы (инверторы электромобилей, зарядные сваи), аэрокосмос.

Керамическая подложка из оксида алюминия ZMSH

• Широкая запрещенная зона (3,26 эВ): Выдерживает высокое напряжение (прочность на пробой в 10 раз выше, чем у кремния) и работает при температуре >200°C.
• Высокая теплопроводность (в 3 раза выше, чем у кремния): Эффективный отвод тепла повышает удельную мощность системы.
• Низкие потери при переключении: Повышает эффективность преобразования энергии.

SOI (кремний на изоляторе):

• Сложная подготовка подложки: Медленный рост кристаллов (более 1 недели) и сложный контроль дефектов (микротрубки, дислокации); стоимость в 5–10 раз выше, чем у кремния.
• Небольшие размеры пластин: Основные 4–6 дюймов; разработка 8 дюймов продолжается.
• Сложная обработка: Высокая твердость (9,5 по шкале Мооса) делает резку и полировку трудоемкими.

Пластины SiC от ZMSH

4. Нитрид галлия (GaN)

Применение: Высокочастотные силовые приборы (быстрые зарядные устройства, базовые станции 5G), синие светодиоды/лазеры.

Керамическая подложка из оксида алюминия ZMSH

• Сверхвысокая подвижность электронов + широкая запрещенная зона (3,4 эВ): Сочетает в себе высокочастотные (>100 ГГц) и высоковольтные характеристики.
• Низкое сопротивление включения: Снижает энергопотребление устройства.
• Совместимость с гетерогенной эпитаксией: Часто выращивается на подложках из кремния, сапфира или SiC для снижения затрат.

Недостатки:

• Сложность выращивания объемных кристаллов: Основной метод основан на гетерогенной эпитаксии с дефектами, вызванными несоответствием решетки.
• Высокая стоимость: Самонесущие подложки из GaN дороги (2-дюймовые пластины могут стоить тысячи долларов).
• Проблемы надежности: Эффект коллапса тока требует оптимизации.

Пластины GaN от ZMSH

5. Фосфид индия (InP)

Применение: Высокоскоростная оптоэлектроника (лазеры, детекторы), терагерцовые устройства.

Керамическая подложка из оксида алюминия ZMSH

• Сверхвысокая подвижность электронов: Поддерживает высокочастотную работу >100 ГГц (превосходит GaAs).
• Прямая запрещенная зона с соответствием длины волны: Критически важна для волоконно-оптической связи 1,3–1,55 мкм.

SOI (кремний на изоляторе):

• Хрупкость и высокая стоимость: Цены на подложки более чем в 100 раз выше, чем на кремний; размеры пластин небольшие (4–6 дюймов).

Применение: Подложки для отвода тепла для мощных модулей.4-6 дюймовИзоляция + высокая теплопроводность (AlN: 170–230 Вт/м·К): Идеально подходит для упаковки высокой плотности.

Преимущества:

Низкая стоимость: Дешевле, чем подложки SiC/GaN.

Керамическая подложка из оксида алюминия ZMSH

• Прозрачность: Подходит для светодиодов вертикальной структуры.
• Недостатки:
• Несоответствие решетки с GaN (>13%): Требуются буферные слои для уменьшения эпитаксиальных дефектов.

SOI (кремний на изоляторе):

• Пластины из сапфира от ZMSH
• 7. Оксид алюминия/керамические подложки (например, AlN, BeO)

Применение: Подложки для отвода тепла для мощных модулей.Преимущества:Изоляция + высокая теплопроводность (AlN: 170–230 Вт/м·К): Идеально подходит для упаковки высокой плотности.

Недостатки:

Не монокристалл: Нельзя напрямую выращивать устройства; используется только в качестве подложек для упаковки.

Керамическая подложка из оксида алюминия ZMSH

• 8. Специализированные подложки

SOI (кремний на изоляторе):

• Структура: Кремний/диоксид кремния/кремниевый сэндвич.

Преимущества: Уменьшает паразитарную емкость, радиационную стойкость и ток утечки (используется в RF, MEMS).

• Недостатки: На 30–50% дороже, чем объемный кремний.

1. Кварц (SiO₂):Используется в фотомасках, MEMS; термостойкий, но хрупкий.
2. Алмаз:
3. Наивысшая теплопроводность (>2000 Вт/м·К) находится в разработке для экстремального отвода тепла.

• Подложка SOI, кварцевая пластина, алмазная подложка ZMSHСводная сравнительная таблица
• ПодложкаЭнергия запрещенной зоны (эВ)

Подвижность электронов (см²/Вс)

Теплопроводность (Вт/мК)

Терморегулирование: Силовые приборы высокой мощности отдают предпочтение SiC или GaN на основе алмаза.

1. Зрелость цепочки поставок: Кремний > Сапфир > GaAs > SiC > GaN > InP.
2. Будущие тенденции
3. Гетерогенная интеграция (например, GaN на кремнии, SiC на GaN) уравновесит производительность и стоимость, стимулируя достижения в области 5G, электромобилей и квантовых вычислений.
4. Услуги ZMSH

Являясь комплексным поставщиком комплексных услуг по производству и торговле полупроводниковыми материалами, мы предоставляем решения для цепочки поставок продукции полного цикла — от подложек для пластин (Si/GaAs/SiC/GaN и т. д.) до фоторезистов и материалов для полировки CMP.

Используя собственные производственные базы и глобальную сеть поставок, мы сочетаем возможности быстрого реагирования с профессиональной технической поддержкой, чтобы помочь клиентам в достижении стабильных операций в цепочке поставок и взаимовыгодных результатов технологических инноваций.