Principais matérias-primas para a produção de semicondutores: Tipos de substratos de wafer

Substratos de wafer como materiais-chave em dispositivos semicondutores

Os substratos de wafer são os suportes físicos dos dispositivos semicondutores, e suas propriedades materiais determinam diretamente o desempenho, o custo e os campos de aplicação dos dispositivos. Abaixo estão os principais tipos de substratos de wafer, juntamente com suas vantagens e desvantagens:

1.Silício (Si)

• Quota de mercado:Representa mais de 95% do mercado global de semicondutores.

• Vantagens:

  • Baixo custo:Abundância de matérias-primas (dióxido de silício), processos de fabricação consolidados e fortes economias de escala.

  • Alta compatibilidade de processo:A tecnologia CMOS é altamente madura, suportando nós avançados (por exemplo, 3nm).

  • Excelente qualidade de cristal:É possível produzir wafers de grande diâmetro (principalmente de 12 polegadas, com 18 polegadas em desenvolvimento) com baixa densidade de defeitos.

  • Propriedades mecânicas estáveis:Fácil de cortar, polir e manusear.

• Desvantagens:

  • Banda proibida estreita (1,12 eV):Alta corrente de fuga em temperaturas elevadas, limitando a eficiência dos dispositivos de potência.

  • Bandgap indireto:Eficiência de emissão de luz muito baixa, inadequada para dispositivos optoeletrônicos como LEDs e lasers.

  • Mobilidade eletrônica limitada:Desempenho inferior em altas frequências em comparação com semicondutores compostos.
    

2.Arsenieto de gálio (GaAs)

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

• Vantagens:

  • Alta mobilidade eletrônica (5 a 6 vezes maior que a do silício):Adequado para aplicações de alta velocidade e alta frequência, como comunicação em ondas milimétricas.

  • Banda proibida direta (1,42 eV):Conversão fotoelétrica de alta eficiência, a base dos lasers infravermelhos e LEDs.

  • Alta resistência à temperatura e à radiação:Adequado para aplicações aeroespaciais e ambientes extremos.

• Desvantagens:

  • Alto custo:Material escasso, crescimento de cristais difícil (propenso a deslocamentos), tamanho limitado do wafer (principalmente 6 polegadas).

  • Mecânica frágil:Propenso a fraturas, resultando em baixo rendimento de processamento.

  • Toxicidade:O arsênio requer manuseio e controle ambiental rigorosos.

3. Carboneto de silício (SiC)

• Aplicações:Dispositivos de alta temperatura e alta tensão (inversores de veículos elétricos, estações de carregamento), aeroespacial.

• Vantagens:

  • Banda proibida larga (3,26 eV):Alta rigidez dielétrica (10 vezes maior que a do silício), alta tolerância à temperatura (temperatura de operação >200 °C).

  • Alta condutividade térmica (≈3× a do silício):Excelente dissipação de calor, permitindo maior densidade de potência do sistema.

  • Baixa perda de comutação:Melhora a eficiência da conversão de energia.

• Desvantagens:

  • Preparação desafiadora do substrato:Crescimento lento dos cristais (mais de 1 semana), difícil controle de defeitos (microporos, deslocamentos), custo extremamente alto (5 a 10 vezes o do silício).

  • Tamanho pequeno do wafer:Principalmente de 4 a 6 polegadas; o modelo de 8 polegadas ainda está em desenvolvimento.

  • Difícil de processar:Muito duro (Mohs 9,5), o que torna o corte e o polimento demorados.

4. Nitreto de gálio (GaN)

• Aplicações:Dispositivos de alta frequência (carregamento rápido, estações base 5G), LEDs/lasers azuis.

• Vantagens:

  • Mobilidade eletrônica ultra-alta + ampla banda proibida (3,4 eV):Combina desempenho de alta frequência (>100 GHz) e alta tensão.

  • Baixa resistência de ativação:Reduz a perda de energia do dispositivo.

  • Compatível com heteroepitaxia:Geralmente cultivado em substratos de silício, safira ou SiC, reduzindo custos.

• Desvantagens:

  • O crescimento em massa de monocristais é difícil:A heteroepitaxia é uma técnica comum, mas a incompatibilidade da rede cristalina introduz defeitos.

  • Alto custo:Os substratos nativos de GaN são muito caros (um wafer de 2 polegadas pode custar vários milhares de dólares).

  • Desafios de confiabilidade:Fenômenos como o colapso de corrente exigem otimização.

5. Fosfeto de índio (InP)

• Aplicações:Comunicações ópticas de alta velocidade (lasers, fotodetectores), dispositivos de terahertz.

• Vantagens:

  • Mobilidade eletrônica ultra-alta:Suporta operação acima de 100 GHz, superando o GaAs.

  • Bandgap direto com correspondência de comprimento de onda:Material central para comunicações por fibra óptica de 1,3 a 1,55 μm.

• Desvantagens:

  • Frágil e muito caro:O custo do substrato é 100 vezes maior que o do silício, e os tamanhos dos wafers são limitados (4 a 6 polegadas).

6. Safira (Al₂O₃)

• Aplicações:Iluminação LED (substrato epitaxial de GaN), vidro de cobertura para eletrônicos de consumo.

• Vantagens:

  • Baixo custo:Muito mais barato que substratos de SiC/GaN.

  • Excelente estabilidade química:Resistente à corrosão, altamente isolante.

  • Transparência:Adequado para estruturas de LED verticais.

• Desvantagens:

  • Grande desajuste de rede com GaN (>13%):Provoca alta densidade de defeitos, exigindo camadas de amortecimento.

  • Baixa condutividade térmica (aproximadamente 1/20 da do silício):Limita o desempenho de LEDs de alta potência.

7. Substratos cerâmicos (AlN, BeO, etc.)

• Aplicações:Dissipadores de calor para módulos de alta potência.

• Vantagens:

  • Isolante + alta condutividade térmica (AlN: 170–230 W/m·K):Adequado para embalagens de alta densidade.

• Desvantagens:

  • Não monocristalino:Não suporta diretamente o crescimento do dispositivo, sendo utilizado apenas como substrato de encapsulamento.

8. Substratos Especiais

• SOI (Silício sobre Isolante):

  • Estrutura:Sanduíche de silício/SiO₂/silício.

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

  • Desvantagens:30 a 50% mais caro que o silício em massa.

• Quartzo (SiO₂):Utilizado em fotomáscaras e MEMS; resistente a altas temperaturas, mas muito quebradiço.

• Diamante:Substrato com altíssima condutividade térmica (>2000 W/m·K), em fase de pesquisa e desenvolvimento para dissipação de calor extrema.

Tabela Resumo Comparativo

Fatores-chave para a seleção do substrato

• Requisitos de desempenho:GaAs/InP para alta frequência; SiC para alta tensão e alta temperatura; GaAs/InP/GaN para optoeletrônica.

• Restrições de custo:A eletrônica de consumo favorece o silício; os setores de ponta podem justificar os preços mais altos do SiC/GaN.

• Complexidade de integração:O silício continua sendo insubstituível para a compatibilidade com CMOS.

• Gestão térmica:Aplicações de alta potência preferem SiC ou GaN à base de diamante.

• Maturidade da cadeia de suprimentos:Si > Safira > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tendência futura

A integração heterogênea (por exemplo, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) equilibrará desempenho e custo, impulsionando avanços em 5G, veículos elétricos e computação quântica.