Распространенные кристаллические подложки для полупроводниковых и оптических применений

Кристаллические подложки - это основа основ производства полупроводников, фотоники, оптоэлектроники и передовой оптической техники. Именно их структурное совершенство, электронное поведение, оптическая прозрачность и тепловые характеристики определяют качество таких устройств, как интегральные схемы, лазерные диоды, светодиоды, фотодетекторы, МЭМС-структуры, нелинейные оптические модуляторы и мощные лазерные компоненты. Ниже приводится общий обзор широко используемых подложек, а также подробное описание их применения и технических характеристик.

Кремний - универсальная подложка для микроэлектроники и МЭМС

Кремний по-прежнему является наиболее широко используемой кристаллической подложкой в производстве микроэлектроники и МЭМС благодаря своей экономичности, развитой экосистеме обработки и механической прочности. Эти качества обеспечивают его постоянную актуальность при создании логических устройств, силовой электроники и сенсорных платформ. В оптике кремний является основным материалом для инфракрасных компонентов, фотонных интегральных схем, пассивных волноводов и тепловизионных элементов благодаря своей прозрачности в ИК-диапазоне 1,2-8 мкм. Высокоскоростные фотонные схемы и передовые МЭМС-резонаторы, которые находят применение в коммуникациях 5G, системах LiDAR и прецизионном зондировании, изготавливаются на подложках SOI.

Типичные характеристики кремниевых подложек включают широкий спектр типов: CZ, FZ, SOI; уровень чистоты от >99,99 %; варианты удельного сопротивления от миллиома до мегаома в зависимости от легирования. Ориентация включает (100), (111) и (110) в соответствии с потребностями устройства. Легирование включает бор, фосфор или мышьяк. Диаметр варьируется от 2 до 12 дюймов. Обработка поверхности варьируется от односторонней до двухсторонней полировки для оптических применений, требующих низкого рассеяния и точной плоскостности.

Сапфир - высокопроизводительный материал подложки для оптоэлектроники и лазерных технологий.

Сапфир является основной подложкой, используемой для эпитаксии нитрида галлия, и служит основой для синих светодиодов, ультрафиолетовых светодиодов, мощных лазерных диодов и многих радиочастотных компонентов. Его очень высокая твердость и теплопроводность также делают его полезным в высокоэнергетических оптических системах, часовых стеклах, ИК-оптике и в радиационно-стойких средах. Эти свойства сапфира в сочетании с его химической стабильностью и устойчивостью к термоциклированию также делают его пригодным для изготовления датчиков, работающих в жестких условиях, и высокотемпературных оптических окон.

Сапфировые подложки обычно готовятся в C-плоскости, A-плоскости, R-плоскости и M-плоскости, чтобы удовлетворить различные потребности в эпитаксии. Высокосортные подложки обеспечивают превосходную плоскостность с TTV < 5 мкм и низкую шероховатость поверхности Ra < 0,3 нм. Сапфир демонстрирует очень высокую чистоту и предлагается в односторонней или двухсторонней полировке. Благодаря очень высокой температуре плавления (2040°C) сапфир выбирают там, где важна долговременная термическая стабильность.

Кварц и плавленый кварц - оптическая стабильность и УФ-прозрачность

Подложки изкварца и плавленого кварца широко используются в ультрафиолетовой оптике, оптических покрытиях, интерферометрии, микрофлюидических устройствах и фотомасках для полупроводниковой литографии. Низкое тепловое расширение и отличная прозрачность - от глубокого УФ (~180 нм) до ИК - делают их незаменимыми в мощных лазерных системах, прецизионной оптике и компонентах со стабильной длиной волны. Плавленый кварц предпочитают из-за чрезвычайно низкого содержания OH и низкого двулучепреломления, а кварц ценят за пьезоэлектрические свойства, используемые в осцилляторах, фильтрах и резонаторах.

Эти подложки доступны в высокочистых сортах с толщиной 0,5-10 мм для оптических пластин или 200-800 мкм для вафельных форматов. Обработка поверхности обычно включает суперполировку (шероховатость <1 Å) для лазерных применений. Ориентация кварца включает X-срез, Y-срез и Z-срез в зависимости от пьезоэлектрических требований. Кварцевые пластины обычно имеют диаметр 2-6 дюймов, в то время как пластины из плавленого кварца изготавливаются по индивидуальным размерам и геометрии. Их низкий коэффициент теплового расширения (~0,5 ppm/K) обеспечивает стабильность размеров при высокоэнергетическом лазерном воздействии.

Арсенид галлия (GaAs) : Подложка с прямым зазором для высокоскоростных и оптоэлектронных устройств

Подложки GaAs идеально подходят для оптоэлектронных устройств, которым необходимы высокая подвижность электронов, прямая полоса пропускания и эффективное поглощение света. Инфракрасные светодиоды, VCSELs, фотодиоды, квантово-каскадные лазеры и многие высокочастотные радиочастотные компоненты - все они основаны на подложках GaAs. Наиболее распространенные области применения арсенида галлия - спутниковая связь и усилители мощности 5G. Благодаря совпадению решетки с AlGaAs и InGaAs он подходит для создания сложных многослойных эпитаксиальных структур, включая квантовые ямы и сверхрешетки.

Типичное производство подложек GaAs включает в себя полуизолирующие и проводящие типы, где удельное сопротивление может быть рассчитано как на радиочастотные, так и на оптические приложения. Ориентация обычно включает (100) с возможностью отсечения для минимизации противофазных границ. Стандартные диаметры - 2, 3, 4 и 6 дюймов. Все эти характеристики необходимы для эпитаксии MBE или MOCVD.

Ниобат лития (LiNbO₃), танталат лития (LiTaO₃) - нелинейные и электрооптические подложки

Среди нелинейно-оптических материалов ниобат и танталат лития играют важнейшую роль в нелинейной оптике, акустооптических модуляторах, SAW-фильтрах, удвоении частоты и высокоскоростной интегральной фотонике. Сильный электрооптический эффект LiNbO₃ делает его предпочтительной платформой для модуляторов в телекоммуникациях и квантовой фотонике. Пироэлектрические и пьезоэлектрические свойства обеспечивают поддержку сенсоров, ИК-детекторов и прецизионных устройств частотной регулировки.

Коммерческие подложки обычно доступны в ориентациях X-cut, Y-cut и Z-cut. Чистота и контроль дефектов важны для минимизации оптического рассеяния и фоторефрактивных эффектов. Толщина варьируется в пределах 0,5-100 мм для оптических пластин или ~300-700 мкм для вафельных форматов. Качество поверхности включает одно- или двухстороннюю полировку, часто со сверхнизкой шероховатостью в волноводах и областях взаимодействия.

Похожие статьи: Пластины из танталата лития и ниобата лития: Всестороннее сравнение для любителей техники

Карбид кремния - SiC - прочная подложка для мощной электроники

SiC - одна из самых ценных подложек для электроники нового поколения с широкой полосой пропускания, поддерживающая SiC MOSFETs, диоды Шоттки, силовые модули и высокотемпературные датчики. Широкая полоса пропускания и высокая теплопроводность SiC позволяют устройствам работать при высоких напряжениях, высоких скоростях переключения и в жестких условиях, что очень важно для электромобилей, инверторов возобновляемых источников энергии, аэрокосмической электроники и промышленных источников питания.

Подложки SiC выпускаются в форматах 4H, 6H и полуизолирующие с чистотой, оптимизированной для уменьшения дефектов. Отделка поверхности включает в себя CMP-полированные эпи-готовность поверхности с чрезвычайно низкой плотностью дефектов. Стандартные размеры включают 2, 4, 6 и быстро растущие 8-дюймовые форматы. Ориентация и плотность микротрубок являются критически важными показателями качества для производительности на уровне устройства.

Таблица 1: Характеристики основных кристаллических подложек, используемых в полупроводниковой и оптической промышленности

В таблице 1 приведены основные характеристики подложек - тип, чистота, ориентация, легирование и обработка поверхности - для удобства использования в повседневных научно-исследовательских и производственных ситуациях. Более подробную информацию о продукции можно получить в компании Stanford Advanced Materials (SAM).

Заключение

Кристаллические подложки - это базовые структуры, лежащие в основе всех современных полупроводниковых, фотонных и оптических технологий. Каждый материал подложки, включая кремний для КМОП и МЭМС, сапфир для эпитаксии GaN, кварц для УФ-оптики, GaAs для высокоскоростной оптоэлектроники, LiNbO₃ для электрооптической модуляции и SiC для широкополосных силовых устройств, обладает уникальным набором электронных, оптических и тепловых преимуществ, которые напрямую определяют возможности и надежность конечной системы.