Substratos de cristal comuns para aplicações ópticas e de semicondutores

Os substratos de cristal representam os fundamentos da fabricação de semicondutores, da fotônica, da optoeletrônica e da engenharia óptica avançada. É a perfeição estrutural, o comportamento eletrônico, a transparência óptica e o desempenho térmico que finalmente definem a qualidade de dispositivos como circuitos integrados, diodos de laser, LEDs, fotodetectores, estruturas MEMS, moduladores ópticos não lineares e componentes de laser de alta potência. A seguir, apresentamos uma visão geral dos substratos comumente usados, juntamente com os detalhes de suas aplicações e especificações.

Silício - substrato universal para microeletrônica e MEMS

O silício ainda é o substrato de cristal mais usado na fabricação de microeletrônica e MEMS devido à sua relação custo-benefício, ao ecossistema de processamento maduro e à robustez mecânica. Esses atributos garantem sua relevância contínua na habilitação de dispositivos lógicos, eletrônica de potência e plataformas de sensores. Na óptica, o silício é um material básico em componentes infravermelhos, circuitos integrados fotônicos, guias de onda passivos e elementos de imagem térmica devido à sua transparência na faixa de infravermelho de 1,2 a 8 μm. Circuitos fotônicos de alta velocidade e ressonadores MEMS avançados são viabilizados por wafers SOI, que têm aplicações em comunicações 5G, sistemas LiDAR e sensoriamento de precisão.

As especificações típicas de substrato de silício incluem uma ampla variedade de tipos: CZ, FZ, SOI; níveis de pureza de >99,99%; e opções de resistividade de níveis de mili-ohm a mega-ohm, dependendo da dopagem. As orientações incluem (100), (111) e (110) para atender às necessidades do dispositivo. A dopagem envolve boro, fósforo ou arsênico. Os diâmetros variam de 2 a 12 polegadas. O acabamento da superfície varia de polido em um lado a polido em dois lados para aplicações ópticas que exigem baixa dispersão e nivelamento preciso.

A safira é um material de substrato de alto desempenho para optoeletrônica e tecnologia a laser.

A safira é o substrato mais usado para epitaxia de nitreto de gálio e forma a base para LEDs azuis, LEDs UV, diodos de laser de alta potência e muitos componentes de RF. Sua altíssima dureza e condutividade térmica também a tornam útil em sistemas ópticos de alta energia, janelas de relógios, óptica de infravermelho e em ambientes com alta radiação. Essas propriedades da safira, combinadas com sua estabilidade química e resistência a ciclos térmicos, também a tornam adequada para sensores de ambientes agressivos e janelas ópticas de alta temperatura.

Os substratos de safira geralmente são preparados nas orientações do plano C, do plano A, do plano R e do plano M para atender a várias necessidades epitaxiais. Os substratos de alta qualidade oferecem excelente planicidade com TTV < 5 μm e baixa rugosidade superficial de Ra < 0,3 nm. A safira demonstra uma pureza muito alta e é oferecida em formas polidas de um ou dois lados. Devido ao seu ponto de fusão muito alto de 2040°C, a safira é selecionada nos locais em que a estabilidade térmica de longo prazo é fundamental.

Quartzo e sílica fundida - Estabilidade óptica e transparência UV

Os substratosde quartzo e sílica fundida são amplamente utilizados em óptica ultravioleta, revestimentos ópticos, interferometria, dispositivos microfluídicos e fotomáscaras para litografia de semicondutores. Sua baixa expansão térmica e excelente transparência, desde o ultravioleta profundo (~180 nm) até o infravermelho, tornam-nos indispensáveis em sistemas de laser de alta potência, óptica de precisão e componentes estáveis em termos de comprimento de onda. A sílica fundida é preferida devido ao seu teor extremamente baixo de OH e à baixa birrefringência, enquanto o quartzo é valorizado pelas propriedades piezoelétricas usadas em osciladores, filtros e ressonadores.

Esses substratos estão disponíveis em graus de alta pureza com espessuras de 0,5 a 10 mm para placas ópticas ou de 200 a 800 μm para formatos de wafer. Os acabamentos de superfície normalmente incluem superpolido (<1 Å de rugosidade) para aplicações de laser. As orientações para o quartzo incluem corte em X, corte em Y e corte em Z, dependendo dos requisitos piezoelétricos. Os wafers de quartzo geralmente são fornecidos em diâmetros de 2 a 6 polegadas, enquanto as placas de sílica fundida são personalizadas em tamanho e geometria. Seu baixo coeficiente de expansão térmica (~0,5 ppm/K) garante a estabilidade dimensional sob exposição a laser de alta energia.

Arsenieto de gálio (GaAs) : Um substrato de bandgap direto para dispositivos optoeletrônicos e de alta velocidade

Os substratos de GaAs são ideais para dispositivos optoeletrônicos que precisam de alta mobilidade de elétrons, emissão direta de bandgap e absorção eficiente de luz. LEDs infravermelhos, VCSELs, fotodiodos, lasers de cascata quântica e muitos componentes de RF de alta frequência dependem de substratos de GaAs. Os usos mais comuns do arseneto de gálio incluem comunicações via satélite e amplificadores de potência 5G. Sua correspondência de rede com o AlGaAs e o InGaAs o torna adequado para estruturas epitaxiais multicamadas complexas, incluindo poços quânticos e superlattices.

A fabricação típica de substratos de GaAs inclui tipos semi-isolantes e condutores, nos quais a resistividade pode ser projetada para aplicações ópticas ou de RF. As orientações normalmente incluem (100) com opções de corte para minimizar os limites antifase. Os diâmetros padrão são de 2, 3, 4 e 6 polegadas. Todos esses recursos são essenciais para a epitaxia MBE ou MOCVD.

Niobato de lítio (LiNbO₃), tantalato de lítio (LiTaO₃) - substratos não lineares e eletro-ópticos

Entre os materiais ópticos não lineares, o niobato de lítio e o tantalato de lítio são extremamente importantes para a óptica não linear, moduladores acústico-ópticos, filtros SAW, duplicação de frequência e fotônica integrada de alta velocidade. O forte efeito eletro-óptico do LiNbO₃ faz dele a plataforma preferida para moduladores em telecomunicações e fotônica quântica. Suas propriedades piroelétricas e piezoelétricas suportam sensores, detectores de infravermelho e dispositivos de controle de frequência de precisão.

Os substratos comerciais geralmente estão disponíveis nas orientações X-cut, Y-cut e Z-cut. A pureza e o controle de defeitos são importantes para minimizar a dispersão óptica e os efeitos de fotorrefração. As espessuras variam de 0,5 a 100 mm para placas ópticas ou de ~300 a 700 µm para formatos de wafer. As qualidades da superfície incluem acabamentos polidos de um ou dois lados, geralmente com rugosidade ultrabaixa nos guias de ondas e nas regiões de interação.

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Carbeto de silício - SiC: um substrato resistente para eletrônicos de alta potência

O SiC está entre os substratos mais valorizados para a próxima geração de eletrônicos de banda larga, suportando MOSFETs de SiC, diodos Schottky, módulos de potência e sensores de alta temperatura. O amplo bandgap e a alta condutividade térmica do SiC permitem que os dispositivos operem em altas tensões, altas velocidades de comutação e sob condições adversas, o que é essencial em veículos elétricos, inversores de energia renovável, eletrônicos aeroespaciais e fontes de alimentação industriais.

Os wafers de SiC estão disponíveis em graus 4H, 6H e semi-isolantes com pureza otimizada para redução de defeitos. O acabamento da superfície inclui superfícies epi-ready polidas por CMP com densidades de defeitos extremamente baixas. Os tamanhos padrão incluem formatos de 2, 4, 6 e 8 polegadas, que estão crescendo rapidamente. A orientação e a densidade de microtubos são métricas de qualidade essenciais para o desempenho em nível de dispositivo.

Tabela 1: Características dos principais substratos de cristal usados em aplicações ópticas e de semicondutores

A Tabela 1 resume os principais recursos dos substratos - tipo, pureza, orientação, dopagem e acabamento de superfície - descritos acima para fácil referência em situações diárias de P&D e produção. Para obter mais informações sobre os produtos, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Conclusão

Os substratos de cristal são as estruturas básicas que sustentam todas as tecnologias modernas de semicondutores, fotônica e óptica. Cada material de substrato, incluindo silício para CMOS e MEMS, safira para epitaxia de GaN, quartzo para óptica UV, GaAs para optoeletrônica de alta velocidade, LiNbO₃ para modulação eletro-óptica e SiC para dispositivos de potência de grande intervalo de banda, compartilha um conjunto exclusivo de vantagens eletrônicas, ópticas e térmicas que moldam diretamente a capacidade e a confiabilidade do sistema final.