Gängige Kristallsubstrate für Halbleiter- und optische Anwendungen

Kristallsubstrate bilden die Grundlage für die Halbleiterherstellung, die Photonik, die Optoelektronik und die fortgeschrittene optische Technik. Ihre strukturelle Perfektion, ihr elektronisches Verhalten, ihre optische Transparenz und ihre thermische Leistung bestimmen letztlich die Qualität von Bauelementen wie integrierten Schaltungen, Laserdioden, LEDs, Photodetektoren, MEMS-Strukturen, nichtlinearen optischen Modulatoren und Hochleistungslaserkomponenten. Im Folgenden wird ein allgemeiner Überblick über die gebräuchlichsten Substrate gegeben, zusammen mit Einzelheiten zu ihren Anwendungen und Spezifikationen.

Silizium - Universalsubstrat für Mikroelektronik und MEMS

Silizium ist nach wie vor das am häufigsten verwendete Kristallsubstrat in der Mikroelektronik- und MEMS-Fertigung, und zwar aufgrund seiner Kosteneffizienz, seines ausgereiften Verarbeitungssystems und seiner mechanischen Robustheit. Diese Eigenschaften sorgen dafür, dass Silizium auch weiterhin für Logikbausteine, Leistungselektronik und Sensorplattformen verwendet wird. In der Optik ist Silizium aufgrund seiner Transparenz im IR-Bereich von 1,2 bis 8 μm ein wichtiges Material für Infrarotkomponenten, integrierte Photonenschaltungen, passive Wellenleiter und Wärmebild-Elemente. Hochgeschwindigkeits-Photonikschaltungen und fortschrittliche MEMS-Resonatoren werden durch SOI-Wafer ermöglicht, die in der 5G-Kommunikation, in LiDAR-Systemen und in der Präzisionssensorik Anwendung finden.

Typische Siliziumsubstrat-Spezifikationen umfassen eine breite Palette von Typen: CZ, FZ, SOI; Reinheitsgrade von >99,99 %; und Widerstandsoptionen von Milli-Ohm- bis Mega-Ohm-Werten, je nach Dotierung. Zu den Orientierungen gehören (100), (111) und (110), um den Anforderungen der Geräte zu entsprechen. Die Dotierung umfasst Bor, Phosphor oder Arsen. Die Durchmesser variieren von 2 bis 12 Zoll. Die Oberflächenbeschaffenheit variiert von einseitig poliert bis hin zu beidseitig poliert für optische Anwendungen, die geringe Streuung und präzise Ebenheit erfordern.

Saphir ist ein Hochleistungs-Substratmaterial für die Optoelektronik und Lasertechnik.

Saphir ist das meistverwendete Substrat für die Galliumnitrid-Epitaxie und bildet die Grundlage für blaue LEDs, UV-LEDs, Hochleistungslaserdioden und viele HF-Komponenten. Seine sehr hohe Härte und Wärmeleitfähigkeit machen ihn auch für optische Systeme mit hohem Energiegehalt, Uhrenfenster, IR-Optik und in strahlungsintensiven Umgebungen nützlich. Diese Eigenschaften von Saphir in Verbindung mit seiner chemischen Stabilität und Temperaturwechselbeständigkeit machen es auch für Sensoren in rauen Umgebungen und optische Fenster für hohe Temperaturen geeignet.

Die Saphirsubstrate werden in der Regel in den Orientierungen C-Ebene, A-Ebene, R-Ebene und M-Ebene hergestellt, um den verschiedenen Epitaxieanforderungen gerecht zu werden. Die hochwertigen Substrate bieten eine ausgezeichnete Ebenheit mit TTV < 5 μm und eine geringe Oberflächenrauheit von Ra < 0,3 nm. Saphir weist eine sehr hohe Reinheit auf und wird in einseitig oder beidseitig polierter Form angeboten. Aufgrund seines sehr hohen Schmelzpunkts von 2040°C wird Saphir dort eingesetzt, wo die langfristige thermische Stabilität von entscheidender Bedeutung ist.

Quarz und Quarzglas - optische Stabilität und UV-Transparenz

Quarz- und Quarzglassubstrate finden breite Anwendung in der Ultraviolettoptik, bei optischen Beschichtungen, in der Interferometrie, bei mikrofluidischen Geräten und bei Fotomasken für die Halbleiterlithografie. Ihre geringe Wärmeausdehnung und hervorragende Transparenz - vom tiefen UV (~180nm) bis zum IR - machen sie für Hochleistungslasersysteme, Präzisionsoptiken und wellenlängenstabile Komponenten unverzichtbar. Quarzglas wird wegen seines extrem niedrigen OH-Gehalts und seiner geringen Doppelbrechung bevorzugt, während Quarz wegen seiner piezoelektrischen Eigenschaften für Oszillatoren, Filter und Resonatoren geschätzt wird.

Diese Substrate sind in hochreinen Qualitäten mit Dicken von 0,5-10 mm für optische Platten oder 200-800 μm für Waferformate erhältlich. Die Oberflächen sind in der Regel hochglanzpoliert (<1 Å Rauhigkeit) für Laseranwendungen. Zu den Ausrichtungen für Quarz gehören X-Schnitt, Y-Schnitt und Z-Schnitt, je nach den piezoelektrischen Anforderungen. Quarzwafer haben in der Regel einen Durchmesser von 2-6 Zoll, während Quarzglasplatten in Größe und Geometrie kundenspezifisch angepasst werden können. Ihr niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient (~0,5 ppm/K) sorgt für Formstabilität bei hochenergetischer Laserbestrahlung.

Galliumarsenid (GaAs) : Ein Substrat mit direkter Bandlücke für Hochgeschwindigkeits- und optoelektronische Geräte

GaAs-Substrate sind ideal für optoelektronische Bauelemente, die eine hohe Elektronenbeweglichkeit, direkte Bandlückenemission und effiziente Lichtabsorption erfordern. Infrarot-LEDs, VCSELs, Fotodioden, Quantenkaskadenlaser und viele Hochfrequenz-HF-Komponenten sind auf GaAs-Substrate angewiesen. Zu den häufigsten Anwendungen von Galliumarsenid gehören die Satellitenkommunikation und 5G-Leistungsverstärker. Aufgrund seiner Gitteranpassung an AlGaAs und InGaAs eignet es sich für komplexe mehrschichtige Epitaxiestrukturen, einschließlich Quantentöpfen und Supergittern.

Die typische Herstellung von GaAs-Substraten umfasst halbisolierende und leitende Typen, bei denen der spezifische Widerstand für HF- oder optische Anwendungen eingestellt werden kann. Zu den typischen Ausrichtungen gehören (100) mit der Option, die Phasengrenzen zu minimieren. Die Standarddurchmesser sind 2, 3, 4 und 6 Zoll. Alle diese Merkmale sind für die MBE- oder MOCVD-Epitaxie unerlässlich.

Lithiumniobat (LiNbO₃), Lithiumtantalat (LiTaO₃) - Nichtlineare und elektrooptische Substrate

Unter den nichtlinearen optischen Materialien sind Lithiumniobat und Lithiumtantalat von entscheidender Bedeutung für nichtlineare Optik, akustooptische Modulatoren, SAW-Filter, Frequenzverdopplung und integrierte Hochgeschwindigkeitsphotonik. Der starke elektro-optische Effekt von LiNbO₃ macht es zu einer bevorzugten Plattform für Modulatoren in der Telekommunikation und Quantenphotonik. Ihre pyroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften unterstützen Sensoren, IR-Detektoren und Präzisionsgeräte zur Frequenzsteuerung.

Kommerzielle Substrate sind in der Regel in X-, Y- und Z-Schnitt-Ausrichtung erhältlich. Reinheit und Defektkontrolle sind wichtig, um die optische Streuung und die photorefraktiven Effekte zu minimieren. Die Dicken reichen von 0,5-100 mm für optische Platten oder ~300-700 µm für Waferformate. Zu den Oberflächenqualitäten gehören einseitig oder beidseitig polierte Oberflächen, oft mit sehr geringer Rauheit in den Wellenleitern und Interaktionsbereichen.

Weiterführende Lektüre: Lithiumtantalat vs. Lithiumniobat-Wafer: Ein umfassender Vergleich für Technik-Enthusiasten

Siliziumkarbid - SiC Ein robustes Substrat für Hochleistungselektronik

SiC gehört zu den am meisten geschätzten Substraten für die Elektronik der nächsten Generation mit breiter Bandlücke und unterstützt SiC-MOSFETs, Schottky-Dioden, Leistungsmodule und Hochtemperatursensoren. Die große Bandlücke und die hohe Wärmeleitfähigkeit von SiC ermöglichen den Betrieb von Bauelementen bei hohen Spannungen, hohen Schaltgeschwindigkeiten und unter rauen Bedingungen, was für Elektrofahrzeuge, Wechselrichter für erneuerbare Energien, Luft- und Raumfahrtelektronik und industrielle Stromversorgungen sehr wichtig ist.

SiC-Wafer sind in 4H-, 6H- und halbisolierenden Qualitäten mit einer für die Defektreduzierung optimierten Reinheit erhältlich. Die Oberflächenbeschaffenheit umfasst CMP-polierte Epi-ready-Oberflächen mit extrem niedriger Defektdichte. Zu den Standardgrößen gehören 2-, 4-, 6- und die schnell wachsenden 8-Zoll-Formate. Ausrichtung und Mikroröhrchendichte sind kritische Qualitätskriterien für die Leistung auf Geräteebene.

Tabelle 1: Merkmale der wichtigsten Kristallsubstrate, die in Halbleiter- und optischen Anwendungen verwendet werden

Tabelle 1 fasst die wichtigsten Merkmale der Substrate - Typ, Reinheit, Ausrichtung, Dotierung und Oberflächenbeschaffenheit - zusammen und erleichtert die tägliche Arbeit in F&E und Produktion. Weitere Produktinformationen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Schlussfolgerung

Kristallsubstrate sind die Grundstrukturen, die allen modernen Halbleiter-, Photonen- und optischen Technologien zugrunde liegen. Jedes Substratmaterial, einschließlich Silizium für CMOS und MEMS, Saphir für die GaN-Epitaxie, Quarz für die UV-Optik, GaAs für die Hochgeschwindigkeits-Optoelektronik, LiNbO₃ für die elektrooptische Modulation und SiC für Leistungsbauelemente mit breiter Bandlücke, verfügt über eine Reihe einzigartiger elektronischer, optischer und thermischer Vorteile, die die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des endgültigen Systems direkt beeinflussen.