Principais Materiais Brutos na Fabricação de Semicondutores: Tipos de Substratos de Pastilhas

Os substratos de pastilhas servem como os portadores físicos dos dispositivos semicondutores, com suas propriedades materiais influenciando diretamente o desempenho, custo e escopo de aplicação dos dispositivos. Abaixo estão os principais tipos de substratos de pastilhas e suas respectivas vantagens e desvantagens:

1. Silício (Si)

Participação de Mercado: Domina mais de 95% do mercado global de semicondutores.

Não Cristal Único: Não pode cultivar dispositivos diretamente; usado apenas como substratos de embalagem.

• Baixo Custo: Matérias-primas abundantes (dióxido de silício) e processos de fabricação maduros permitem economias de escala significativas.
• Alta Compatibilidade de Processo: A tecnologia CMOS altamente madura suporta a fabricação em nanoescala (por exemplo, nós de 3nm).
• Excelente Qualidade de Cristal: Capaz de produzir cristais únicos de grande tamanho (12 polegadas primário, 18 polegadas em desenvolvimento) com baixo defeito.
• Propriedades Mecânicas Estáveis: Fácil de cortar, polir e processar.

Desvantagens:

• Bandgap Estreito (1,12 eV): Alta corrente de fuga em temperaturas elevadas, limitando a eficiência em dispositivos de potência.
• Bandgap Indireto: Eficiência de emissão de luz extremamente baixa, inadequada para dispositivos optoeletrônicos (por exemplo, LEDs, lasers).
• Mobilidade de Elétrons Limitada: Desempenho de alta frequência inferior em comparação com semicondutores compostos.

Pastilhas de silício da ZMSH

2. Arsenieto de Gálio (GaAs)

Aplicações: Dispositivos de RF de alta frequência (5G/6G), dispositivos optoeletrônicos (lasers, células solares).

Não Cristal Único: Não pode cultivar dispositivos diretamente; usado apenas como substratos de embalagem.

• Alta Mobilidade de Elétrons (5–6× a do silício): Ideal para aplicações de alta velocidade e alta frequência (comunicações mmWave).
• Bandgap Direto (1,42 eV): Conversão fotoelétrica eficiente, formando a base de lasers infravermelhos e LEDs.
• Resistência Térmica/Radiação: Adequado para ambientes aeroespaciais e de alta temperatura.

8. Substratos Especializados

• Alto Custo: Material escasso com crescimento de cristal complexo (propenso a deslocamentos); tamanhos de pastilhas são pequenos (6 polegadas primário).
• Fragilidade Mecânica: Propenso à fragmentação, resultando em baixos rendimentos de processamento.
• Toxicidade: Controle rigoroso necessário para o manuseio de arsênio.

Pastilhas de GaAs da ZMSH

3. Carbeto de Silício (SiC)

Aplicações: Dispositivos de potência de alta temperatura/alta tensão (inversores de veículos elétricos, pilhas de carregamento), aeroespacial.

Não Cristal Único: Não pode cultivar dispositivos diretamente; usado apenas como substratos de embalagem.

• Bandgap Amplo (3,26 eV): Suporta altas tensões (resistência ao campo de ruptura 10× a do silício) e opera a >200°C.
• Alta Condutividade Térmica (3× a do silício): Dissipação de calor eficiente aumenta a densidade de potência do sistema.
• Baixas Perdas de Comutação: Melhora a eficiência da conversão de energia.

8. Substratos Especializados

• Preparação Desafiadora do Substrato: Crescimento lento do cristal (>1 semana) e controle de defeitos difícil (microtubos, deslocamentos); custa 5–10× a do silício.
• Tamanhos de Pastilhas Pequenos: Principalmente 4–6 polegadas; desenvolvimento de 8 polegadas em andamento.
• Processamento Difícil: Alta dureza (Mohs 9,5) torna o corte e polimento demorados.

Pastilhas de SiC da ZMSH

4. Nitreto de Gálio (GaN)

Aplicações: Dispositivos de potência de alta frequência (carregadores rápidos, estações base 5G), LEDs/lasers azuis.

Não Cristal Único: Não pode cultivar dispositivos diretamente; usado apenas como substratos de embalagem.

• Mobilidade de Elétrons Ultra-Alta + Bandgap Amplo (3,4 eV): Combina características de alta frequência (>100 GHz) e alta tensão.
• Baixa Resistência em Condução: Reduz o consumo de energia do dispositivo.
• Compatibilidade de Epitaxia Heterogênea: Frequentemente cultivado em substratos de silício, safira ou SiC para reduzir custos.

Desvantagens:

• Dificuldade no Crescimento de Cristal a Granel: A principal depende da epitaxia heterogênea, com defeitos induzidos por incompatibilidade de rede.
• Alto Custo: Substratos de GaN autossustentáveis são caros (pastilhas de 2 polegadas podem custar milhares de dólares).
• Desafios de Confiabilidade: Efeito de colapso de corrente requer otimização.

Pastilhas de GaN da ZMSH

5. Fósforo-Índio (InP)

Não Cristal Único: Não pode cultivar dispositivos diretamente; usado apenas como substratos de embalagem.

• Vantagens:
• Mobilidade de Elétrons Ultra-Alta: Suporta operação de alta frequência >100 GHz (superior ao GaAs).

8. Substratos Especializados

• Desvantagens:

7. Substratos de Óxido de Alumínio/Cerâmica (por exemplo, AlN, BeO)70Vantagens:

Aplicações: Iluminação LED (substratos epitaxiais de GaN), capas de eletrônicos de consumo.

Vantagens:

Não Cristal Único: Não pode cultivar dispositivos diretamente; usado apenas como substratos de embalagem.

• Estabilidade Química: Resistente à corrosão e isolante.
• Transparência: Adequado para LEDs de estrutura vertical.
• Desvantagens:

8. Substratos Especializados

• Baixa Condutividade Térmica (≈1/20 do silício): Limita o desempenho em LEDs de alta potência.
• Pastilhas de safira da ZMSH

7. Substratos de Óxido de Alumínio/Cerâmica (por exemplo, AlN, BeO)Aplicações: Substratos de dissipação de calor para módulos de alta potência.Vantagens:

Isolamento + Alta Condutividade Térmica (AlN: 170–230 W/m·K): Ideal para embalagens de alta densidade.

Desvantagens:

Não Cristal Único: Não pode cultivar dispositivos diretamente; usado apenas como substratos de embalagem.

•  Substrato cerâmico de alumina da ZMSH

8. Substratos Especializados

• SOI (Silício sobre Isolante):

Estrutura: Sanduíche de silício/dióxido de silício/silício.

• Vantagens: Reduz a capacitância parasita, a resistência à radiação e a corrente de fuga (usado em RF, MEMS).

1. Desvantagens: Custo 30–50% maior que o silício a granel.Quartzo (SiO₂):
2. Usado em fotomáscaras, MEMS; resistente ao calor, mas frágil.
3. Diamante:

• Maior condutividade térmica (>2000 W/m·K) em desenvolvimento para dissipação de calor extrema.Substrato de pastilha SOI da ZMSH, pastilha de quartzo, diamante
• Tabela de Comparação ResumidaSubstrato

Energia da Bandgap (eV)

Mobilidade de Elétrons (cm²/Vs)

Complexidade de Integração: A compatibilidade com CMOS de silício permanece incomparável.

1. Gerenciamento Térmico: Dispositivos de alta potência priorizam SiC ou GaN à base de diamante.
2. Maturidade da Cadeia de Suprimentos: Silício > Safira > GaAs > SiC > GaN > InP.
3. Tendências Futuras
4. A integração heterogênea (por exemplo, GaN em silício, SiC em GaN) equilibrará desempenho e custo, impulsionando avanços em 5G, veículos elétricos e computação quântica.
5. Serviços da ZMSH

Como um provedor de serviços abrangente de materiais semicondutores de fabricação e comércio integrado, oferecemos soluções completas de cadeia de suprimentos de produtos — desde substratos de pastilhas (Si/GaAs/SiC/GaN, etc.) até fotorresistores e materiais de polimento CMP.

Aproveitando bases de produção autodesenvolvidas e uma rede globalizada de cadeia de suprimentos, combinamos capacidades de resposta rápida com suporte técnico profissional para capacitar os clientes a alcançar operações estáveis da cadeia de suprimentos e resultados de inovação tecnológica ganha-ganha.