Materias primas clave para la producción de semiconductores: Tipos de sustratos de obleas

Sustratos de obleas como materiales clave en dispositivos semiconductores

Los sustratos de obleas son los soportes físicos de los dispositivos semiconductores, y sus propiedades materiales determinan directamente el rendimiento, el coste y los campos de aplicación de los dispositivos. A continuación se describen los principales tipos de sustratos de obleas junto con sus ventajas e inconvenientes:

1.Silicio (Si)

• Cuota de mercado:Representa más del 95% del mercado mundial de semiconductores.

• Ventajas:

  • Bajo costo:Materias primas abundantes (dióxido de silicio), procesos de fabricación maduros y fuertes economías de escala.

  • Alta compatibilidad de procesos:La tecnología CMOS está altamente madura y admite nodos avanzados (por ejemplo, 3 nm).

  • Excelente calidad del cristal:Se pueden cultivar obleas de gran diámetro (principalmente de 12 pulgadas, y de 18 pulgadas en desarrollo) con baja densidad de defectos.

  • Propiedades mecánicas estables:Fácil de cortar, pulir y manipular.

• Desventajas:

  • Banda prohibida estrecha (1,12 eV):Alta corriente de fuga a temperaturas elevadas, lo que limita la eficiencia del dispositivo de potencia.

  • Banda prohibida indirecta:Muy baja eficiencia de emisión de luz, inadecuada para dispositivos optoelectrónicos como LED y láseres.

  • Movilidad electrónica limitada:Rendimiento inferior en altas frecuencias en comparación con los semiconductores compuestos.
    

2.Arseniuro de galio (GaAs)

• Aplicaciones:Dispositivos de radiofrecuencia de alta frecuencia (5G/6G), dispositivos optoelectrónicos (láseres, células solares).

• Ventajas:

  • Alta movilidad electrónica (5–6 veces la del silicio):Adecuado para aplicaciones de alta velocidad y alta frecuencia, como la comunicación por ondas milimétricas.

  • Banda prohibida directa (1,42 eV):Conversión fotoeléctrica de alta eficiencia, la base de los láseres infrarrojos y los LED.

  • Alta resistencia a la temperatura y a la radiación:Apto para entornos aeroespaciales y hostiles.

• Desventajas:

  • Coste elevado:Material escaso, crecimiento cristalino difícil (propenso a dislocaciones), tamaño de oblea limitado (principalmente de 6 pulgadas).

  • Mecánica frágil:Propenso a fracturarse, lo que resulta en un bajo rendimiento del procesamiento.

  • Toxicidad:El arsénico requiere un manejo estricto y controles ambientales.

3. Carburo de silicio (SiC)

• Aplicaciones:Dispositivos de potencia de alta temperatura y alto voltaje (inversores para vehículos eléctricos, estaciones de carga), aeroespacial.

• Ventajas:

  • Banda prohibida ancha (3,26 eV):Alta rigidez dieléctrica (10 veces la del silicio), tolerancia a altas temperaturas (temperatura de funcionamiento >200 °C).

  • Alta conductividad térmica (≈3× silicio):Excelente disipación de calor, lo que permite una mayor densidad de potencia del sistema.

  • Bajas pérdidas por conmutación:Mejora la eficiencia de conversión de energía.

• Desventajas:

  • Preparación de sustratos desafiantes:Crecimiento lento de los cristales (>1 semana), control difícil de los defectos (microporos, dislocaciones), costo extremadamente alto (5–10 veces el del silicio).

  • Tamaño pequeño de la oblea:Principalmente de 4 a 6 pulgadas; el modelo de 8 pulgadas aún está en desarrollo.

  • Difícil de procesar:Muy duro (Mohs 9,5), lo que hace que el corte y el pulido sean laboriosos.

4. Nitruro de galio (GaN)

• Aplicaciones:Dispositivos de alta frecuencia (carga rápida, estaciones base 5G), LED/láseres azules.

• Ventajas:

  • Movilidad electrónica ultra alta + banda prohibida ancha (3,4 eV):Combina un rendimiento de alta frecuencia (>100 GHz) y alto voltaje.

  • Baja resistencia:Reduce la pérdida de energía del dispositivo.

  • Compatible con heteroepitaxia:Se cultivan habitualmente sobre sustratos de silicio, zafiro o SiC, lo que reduce los costes.

• Desventajas:

  • Dificultad para el crecimiento de monocristales a granel:La heteroepitaxia es una técnica convencional, pero el desajuste de la red cristalina introduce defectos.

  • Coste elevado:Los sustratos de GaN nativos son muy caros (una oblea de 2 pulgadas puede costar varios miles de dólares).

  • Desafíos de confiabilidad:Fenómenos como el colapso actual requieren optimización.

5. Fosfuro de indio (InP)

• Aplicaciones:Comunicaciones ópticas de alta velocidad (láseres, fotodetectores), dispositivos de terahercios.

• Ventajas:

  • Movilidad electrónica ultra alta:Admite funcionamiento a >100 GHz, superando al GaAs.

  • Banda prohibida directa con coincidencia de longitud de onda:Material central para comunicaciones de fibra óptica de 1,3 a 1,55 μm.

• Desventajas:

  • Frágil y muy caro:El coste del sustrato supera 100 veces el del silicio, y el tamaño de las obleas es limitado (de 4 a 6 pulgadas).

6. Zafiro (Al₂O₃)

• Aplicaciones:Iluminación LED (sustrato epitaxial de GaN), cristal de cubierta para electrónica de consumo.

• Ventajas:

  • Bajo costo:Mucho más económico que los sustratos de SiC/GaN.

  • Excelente estabilidad química:Resistente a la corrosión, altamente aislante.

  • Transparencia:Apto para estructuras LED verticales.

• Desventajas:

  • Gran desajuste de red con GaN (>13%):Provoca una alta densidad de defectos, lo que requiere capas amortiguadoras.

  • Baja conductividad térmica (aproximadamente 1/20 de la del silicio):Limita el rendimiento de los LED de alta potencia.

7. Sustratos cerámicos (AlN, BeO, etc.)

• Aplicaciones:Disipadores de calor para módulos de alta potencia.

• Ventajas:

  • Aislante + alta conductividad térmica (AlN: 170–230 W/m·K):Apto para embalaje de alta densidad.

• Desventajas:

  • No monocristalino:No puede soportar directamente el crecimiento del dispositivo, se utiliza únicamente como sustrato de embalaje.

8. Sustratos especiales

• SOI (Silicon on Insulator):

  • Estructura:Sándwich de silicio/SiO₂/silicio.

  • Ventajas:Reduce la capacitancia parásita, resistente a la radiación, suprime las fugas (utilizado en RF, MEMS).

  • Desventajas:Entre un 30 y un 50 % más caro que el silicio a granel.

• Cuarzo (SiO₂):Se utiliza en fotomáscaras y MEMS; resistente a altas temperaturas pero muy frágil.

• Diamante:Sustrato de conductividad térmica más alta (>2000 W/m·K), en I+D para disipación de calor extrema.

Tabla resumen comparativa

Factores clave para la selección del sustrato

• Requisitos de rendimiento:GaAs/InP para alta frecuencia; SiC para alto voltaje y alta temperatura; GaAs/InP/GaN para optoelectrónica.

• Restricciones de costos:La electrónica de consumo prefiere el silicio; los sectores de alta gama pueden justificar los precios superiores del SiC/GaN.

• Complejidad de la integración:El silicio sigue siendo insustituible para la compatibilidad con CMOS.

• Gestión térmica:Las aplicaciones de alta potencia prefieren SiC o GaN basado en diamante.

• Madurez de la cadena de suministro:Si > Zafiro > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tendencia futura

La integración heterogénea (por ejemplo, GaN sobre Si, GaN sobre SiC) equilibrará el rendimiento y el coste, impulsando los avances en 5G, vehículos eléctricos y computación cuántica.