Sustratos de cristal comunes para aplicaciones ópticas y de semiconductores

Los sustratos de cristal representan la base de la fabricación de semiconductores, la fotónica, la optoelectrónica y la ingeniería óptica avanzada. Son su perfección estructural, su comportamiento electrónico, su transparencia óptica y su rendimiento térmico los que finalmente definen la calidad de dispositivos como circuitos integrados, diodos láser, LED, fotodetectores, estructuras MEMS, moduladores ópticos no lineales y componentes láser de alta potencia. A continuación se ofrece una visión general de los sustratos más utilizados, junto con los detalles de sus aplicaciones y especificaciones.

Silicio: sustrato universal para microelectrónica y MEMS

El silicio sigue siendo el sustrato cristalino más utilizado en la fabricación de microelectrónica y MEMS debido a su rentabilidad, su maduro ecosistema de procesamiento y su robustez mecánica. Estos atributos garantizan su continua relevancia en la fabricación de dispositivos lógicos, electrónica de potencia y plataformas de sensores. En óptica, el silicio es un material básico en componentes infrarrojos, circuitos integrados fotónicos, guías de ondas pasivas y elementos de imagen térmica debido a su transparencia en el rango IR de 1,2-8 μm. Los circuitos fotónicos de alta velocidad y los resonadores MEMS avanzados son posibles gracias a las obleas SOI, que tienen aplicaciones en comunicaciones 5G, sistemas LiDAR y detección de precisión.

Las especificaciones típicas de los sustratos de silicio incluyen una amplia gama de tipos: CZ, FZ, SOI; niveles de pureza desde >99,99%; y opciones de resistividad desde niveles de mili-ohmios a mega-ohmios, dependiendo del dopaje. Las orientaciones incluyen (100), (111) y (110) para adaptarse a las necesidades del dispositivo. El dopaje puede ser de boro, fósforo o arsénico. Los diámetros varían de 2 a 12 pulgadas. El acabado de la superficie varía de pulido por una cara a pulido por las dos caras para aplicaciones ópticas que requieren baja dispersión y planitud precisa.

El zafiro es un material de sustrato de alto rendimiento para la optoelectrónica y la tecnología láser.

El zafiro es el sustrato más utilizado para la epitaxia de nitruro de galio y constituye la base de los LED azules, los LED UV, los diodos láser de alta potencia y muchos componentes de radiofrecuencia. Su gran dureza y conductividad térmica también lo hacen útil en sistemas ópticos de alta energía, ventanas de relojes, óptica IR y en entornos con alta radiación. Estas propiedades del zafiro, combinadas con su estabilidad química y su resistencia a los ciclos térmicos, también lo hacen adecuado para sensores en entornos agresivos y ventanas ópticas de alta temperatura.

Los sustratos de zafiro suelen prepararse en las orientaciones C-plano, A-plano, R-plano y M-plano para satisfacer las distintas necesidades epitaxiales. Los sustratos de alta calidad proporcionan una excelente planitud con TTV < 5 μm y una baja rugosidad superficial de Ra < 0,3 nm. El zafiro presenta una pureza muy elevada y se ofrece pulido por una o dos caras. Debido a su punto de fusión muy alto de 2040°C, el zafiro se selecciona en aquellos lugares donde la estabilidad térmica a largo plazo es crítica.

Cuarzo y sílice fundida - Estabilidad óptica y transparencia UV

Los sustratos decuarzo y sílice fundida se utilizan ampliamente en óptica ultravioleta, revestimientos ópticos, interferometría, dispositivos microfluídicos y fotomáscaras para litografía de semiconductores. Su baja expansión térmica y su excelente transparencia, desde el ultravioleta profundo (~180 nm) hasta el infrarrojo, los hacen indispensables en sistemas láser de alta potencia, óptica de precisión y componentes estables en longitud de onda. La sílice fundida es el material preferido por su bajísimo contenido en OH y su baja birrefringencia, mientras que el cuarzo se valora por sus propiedades piezoeléctricas, que se utilizan en osciladores, filtros y resonadores.

Estos sustratos están disponibles en grados de alta pureza con espesores de 0,5-10 mm para placas ópticas o de 200-800 μm para formatos de oblea. Los acabados superficiales suelen incluir superpulido (rugosidad <1 Å) para aplicaciones láser. Las orientaciones del cuarzo incluyen corte en X, corte en Y y corte en Z en función de los requisitos piezoeléctricos. Las obleas de cuarzo suelen tener diámetros de 2 a 6 pulgadas, mientras que las placas de sílice fundida se personalizan en tamaño y geometría. Su bajo coeficiente de expansión térmica (~0,5 ppm/K) garantiza la estabilidad dimensional en condiciones de exposición a láseres de alta energía.

Arseniuro de galio (GaAs) : Un sustrato de banda prohibida directa para dispositivos optoelectrónicos y de alta velocidad

Los sustratos de GaAs son ideales para dispositivos optoelectrónicos que necesitan una elevada movilidad de electrones, una emisión directa de banda prohibida y una absorción eficaz de la luz. Los LED infrarrojos, los VCSEL, los fotodiodos, los láseres de cascada cuántica y muchos componentes de RF de alta frecuencia dependen de los sustratos de GaAs. Los usos más comunes del arseniuro de galio son las comunicaciones por satélite y los amplificadores de potencia 5G. Su coincidencia reticular con AlGaAs e InGaAs lo hace adecuado para estructuras epitaxiales multicapa complejas, como pozos cuánticos y superredes.

La fabricación típica de sustratos de GaAs incluye tipos semiaislantes y conductores, en los que la resistividad puede diseñarse para aplicaciones ópticas o de RF. Las orientaciones suelen incluir (100) con opciones de corte para minimizar los límites antifase. Los diámetros estándar son de 2, 3, 4 y 6 pulgadas. Todas estas características son esenciales para la epitaxia MBE o MOCVD.

Niobato de litio (LiNbO₃), tantalato de litio (LiTaO₃): sustratos no lineales y electroópticos

Entre los materiales ópticos no lineales, el niobato de litio y el tantalato de litio tienen una importancia crítica para la óptica no lineal, los moduladores acústico-ópticos, los filtros SAW, la duplicación de frecuencias y la fotónica integrada de alta velocidad. El fuerte efecto electroóptico del LiNbO₃ lo convierte en la plataforma preferida para moduladores en telecomunicaciones y fotónica cuántica. Sus propiedades piroeléctricas y piezoeléctricas son compatibles con sensores, detectores de infrarrojos y dispositivos de control de frecuencia de precisión.

Los sustratos comerciales suelen estar disponibles en orientaciones X-cut, Y-cut y Z-cut. La pureza y el control de los defectos son importantes para minimizar la dispersión óptica y los efectos fotorrefractivos. Los espesores oscilan entre 0,5-100 mm para placas ópticas o ~300-700 µm para formatos de oblea. Las calidades superficiales incluyen acabados pulidos por una o dos caras, a menudo con una rugosidad ultrabaja en las guías de ondas y las regiones de interacción.

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Carburo de silicio - SiC Un sustrato resistente para la electrónica de alta potencia

El carburo de silicio (SiC) es uno de los sustratos más apreciados para la electrónica de banda prohibida de nueva generación, ya que admite MOSFET de SiC, diodos Schottky, módulos de potencia y sensores de alta temperatura. La amplia banda prohibida y la alta conductividad térmica del SiC permiten que los dispositivos funcionen a altos voltajes, altas velocidades de conmutación y en condiciones adversas, lo que es muy esencial en vehículos eléctricos, inversores de energías renovables, electrónica aeroespacial y fuentes de alimentación industriales.

Las obleas de SiC están disponibles en grados 4H, 6H y semiaislantes con pureza optimizada para la reducción de defectos. El acabado superficial incluye superficies epi-ready pulidas mediante CMP con densidades de defectos extremadamente bajas. Los tamaños estándar incluyen formatos de 2, 4, 6 y, en rápido crecimiento, 8 pulgadas. La orientación y la densidad de micropipeta son parámetros de calidad críticos para el rendimiento a nivel de dispositivo.

Tabla 1: Características de los principales sustratos de cristal utilizados en aplicaciones ópticas y de semiconductores

La tabla 1 resume las principales características de los sustratos -tipo, pureza, orientación, dopaje y acabado superficial- descritas anteriormente para facilitar su consulta en situaciones cotidianas de I+D y producción. Para más información sobre los productos, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Conclusión

Los sustratos de cristal son las estructuras básicas de todas las tecnologías modernas de semiconductores, fotónica y óptica. Todos los materiales de sustrato, incluidos el silicio para CMOS y MEMS, el zafiro para epitaxia GaN, el cuarzo para óptica UV, el GaAs para optoelectrónica de alta velocidad, el LiNbO₃ para modulación electroóptica y el SiC para dispositivos de potencia de banda prohibida ancha, comparten un conjunto único de ventajas electrónicas, ópticas y térmicas que determinan directamente la capacidad y fiabilidad del sistema final.