Plaquette de substrat semi-conducteur : propriétés des matériaux silicium, GaAs, SiC et GaN

01. Bases deplaquette de substrat semi-conducteur

1.1 Définition du substrat semi-conducteur

Le substrat semi-conducteur fait référence au matériau de base utilisé dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, généralement des matériaux monocristallins ou polycristallins fabriqués par une technologie de croissance cristalline hautement purifiée. Les tranches de substrat sont généralement des structures en feuilles minces et solides, sur lesquelles divers dispositifs et circuits semi-conducteurs sont fabriqués. La pureté et la qualité du substrat affectent directement les performances et la fiabilité du dispositif semi-conducteur final.

1.2 Le rôle et le champ d'application des plaquettes de substrat

Les plaquettes de substrat jouent un rôle essentiel dans le processus de fabrication des semi-conducteurs. En tant que base des dispositifs et des circuits, les tranches de substrat soutiennent non seulement la structure de l'ensemble du dispositif, mais fournissent également le support nécessaire sur les plans électrique, thermique et mécanique. Ses principales fonctions comprennent :

Support mécanique: Fournir une base structurelle stable pour soutenir les étapes de fabrication ultérieures.

Gestion thermique: Aide à dissiper la chaleur pour éviter que la surchauffe n’affecte les performances de l’appareil.

Caractéristiques électriques: Affecte les propriétés électriques de l'appareil, telles que la conductivité, la mobilité du porteur, etc.

En termes de domaines d'application, les plaquettes de substrat sont largement utilisées dans :

Appareils microélectroniques: tels que les circuits intégrés (CI), les microprocesseurs, etc.

Appareils optoélectroniques: tels que les LED, les lasers, les photodétecteurs, etc.

Appareils électroniques haute fréquence: tels que les amplificateurs RF, les appareils à micro-ondes, etc.

Appareils électroniques de puissance: tels que les convertisseurs de puissance, les onduleurs, etc.

02. Matériaux semi-conducteurs et leurs propriétés

Substrat de silicium (Si)

· La différence entre le silicium monocristallin et le silicium polycristallin :

Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé, principalement sous forme de silicium monocristallin et de silicium polycristallin. Le silicium monocristallin est composé d'une structure cristalline continue, avec des caractéristiques de haute pureté et sans défauts, ce qui convient parfaitement aux appareils électroniques hautes performances. Le silicium polycristallin est composé de plusieurs grains et il existe des limites de grains entre les grains. Bien que le coût de fabrication soit faible, les performances électriques sont médiocres, c'est pourquoi il est généralement utilisé dans certains scénarios d'application à faible performance ou à grande échelle, tels que les cellules solaires.

·Propriétés électroniques et avantages du substrat de silicium:

Le substrat de silicium possède de bonnes propriétés électroniques, telles qu'une mobilité élevée des porteurs et un écart énergétique modéré (1,1 eV), qui font du silicium un matériau idéal pour la fabrication de la plupart des dispositifs semi-conducteurs.

De plus, les substrats en silicium présentent les avantages suivants :

Haute pureté: Grâce à des techniques avancées de purification et de croissance, du silicium monocristallin de très haute pureté peut être obtenu.

Rentabilité: Comparé à d'autres matériaux semi-conducteurs, le silicium a un faible coût et un processus de fabrication mature.

Formation d'oxyde: Le silicium peut naturellement former une couche de dioxyde de silicium (SiO2), qui peut servir de bonne couche isolante dans la fabrication d'appareils.

Substrat d'arséniure de gallium (GaAs)

· Caractéristiques haute fréquence du GaAs:

L'arséniure de gallium est un semi-conducteur composé particulièrement adapté aux appareils électroniques à haute fréquence et à grande vitesse en raison de sa grande mobilité électronique et de sa large bande interdite. Les appareils GaAs peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées avec une efficacité plus élevée et des niveaux de bruit plus faibles. Cela fait du GaAs un matériau important dans les applications à micro-ondes et à ondes millimétriques.

· Application de GaAs en optoélectronique et dans les dispositifs électroniques haute fréquence:

En raison de sa bande interdite directe, le GaAs est également largement utilisé dans les dispositifs optoélectroniques. Par exemple, les matériaux GaAs sont largement utilisés dans la fabrication de LED et de lasers. De plus, la grande mobilité électronique du GaAs le rend performant dans les amplificateurs RF, les dispositifs micro-ondes et les équipements de communication par satellite.

Substrat en carbure de silicium (SiC)

· Conductivité thermique et propriétés de puissance élevée du SiC:

Le carbure de silicium est un semi-conducteur à large bande interdite avec une excellente conductivité thermique et un champ électrique de claquage élevé. Ces propriétés rendent le SiC très adapté aux applications à haute puissance et à haute température. Les dispositifs SiC peuvent fonctionner de manière stable à des tensions et des températures plusieurs fois supérieures à celles des dispositifs au silicium.

· Avantages du SiC dans les appareils électroniques de puissance:

Les substrats SiC présentent des avantages significatifs dans les dispositifs électroniques de puissance, tels que des pertes de commutation plus faibles et un rendement plus élevé. Cela rend le SiC de plus en plus populaire dans les applications de conversion de puissance élevée telles que les véhicules électriques et les onduleurs éoliens et solaires. De plus, le SiC est largement utilisé dans le contrôle aérospatial et industriel en raison de sa résistance aux températures élevées.

Substrat de nitrure de gallium (GaN)

· Mobilité électronique élevée et propriétés optiques du GaN:

Le nitrure de gallium est un autre semi-conducteur à large bande interdite doté d'une mobilité électronique extrêmement élevée et de fortes propriétés optiques. La grande mobilité électronique du GaN le rend très efficace dans les applications haute fréquence et haute puissance. Dans le même temps, le GaN peut émettre de la lumière dans la plage ultraviolette à visible, adaptée à une variété de dispositifs optoélectroniques.

· Application du GaN dans les dispositifs de puissance et optoélectroniques:

Dans le domaine de l'électronique de puissance, les dispositifs GaN excellent dans les alimentations à découpage et les amplificateurs RF en raison de leur champ électrique de claquage élevé et de leur faible résistance à l'état passant. Parallèlement, le GaN joue également un rôle important dans les dispositifs optoélectroniques, notamment dans la fabrication de LED et de diodes laser, favorisant ainsi l'avancement des technologies d'éclairage et d'affichage.

· Potentiel des matériaux émergents dans les semi-conducteurs:

Avec le développement de la science et de la technologie, les matériaux semi-conducteurs émergents tels que l’oxyde de gallium (Ga2O3) et le diamant ont montré un grand potentiel. L'oxyde de gallium a une bande interdite ultra large (4,9 eV) et convient parfaitement aux appareils électroniques de haute puissance, tandis que le diamant est considéré comme un matériau idéal pour la prochaine génération d'applications de haute puissance et haute fréquence en raison de son excellente résistance thermique. conductivité et mobilité extrêmement élevée des porteurs. Ces nouveaux matériaux devraient jouer un rôle important dans les futurs dispositifs électroniques et optoélectroniques.

03. Processus de fabrication des plaquettes

3.1 Technologie de croissance des plaquettes de substrat

3.1.1 Méthode Czochralski (méthode CZ)

La méthode Czochralski est la méthode la plus couramment utilisée pour fabriquer des plaquettes de silicium monocristallin. Cela se fait en immergeant un germe cristallin dans du silicium fondu, puis en le retirant lentement, de sorte que le silicium fondu cristallise sur le germe cristallin et se développe en un seul cristal. Cette méthode permet de produire du silicium monocristallin de grande taille et de haute qualité, très approprié pour la fabrication de circuits intégrés à grande échelle.

3.1.2 Méthode Bridgman

La méthode Bridgman est couramment utilisée pour cultiver des semi-conducteurs composés, tels que l'arséniure de gallium. Dans cette méthode, les matières premières sont chauffées à l’état fondu dans un creuset puis refroidies lentement pour former un monocristal. La méthode Bridgman peut contrôler le taux de croissance et la direction du cristal et convient à la production de semi-conducteurs composés complexes.

3.1.3 Épitaxie par jet moléculaire (MBE)

L'épitaxie par jet moléculaire est une technologie utilisée pour faire croître des couches semi-conductrices ultra-minces sur des substrats. Il forme des couches cristallines de haute qualité en contrôlant avec précision les faisceaux moléculaires de différents éléments dans un environnement ultra-vide et en les déposant couche par couche sur le substrat. La technologie MBE est particulièrement adaptée à la fabrication de points quantiques de haute précision et de structures à hétérojonction ultrafines.

3.1.4 Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)

Le dépôt chimique en phase vapeur est une technologie de dépôt de couches minces largement utilisée dans la fabrication de semi-conducteurs et d’autres matériaux hautes performances. Le CVD décompose les précurseurs gazeux et les dépose sur la surface du substrat pour former un film solide. La technologie CVD permet de produire des films dont l'épaisseur et la composition sont hautement contrôlées, ce qui convient parfaitement à la fabrication de dispositifs complexes.

3.2 Découpe et polissage des plaquettes

3.2.1 Technologie de découpe de plaquettes de silicium

Une fois la croissance cristalline terminée, le gros cristal sera coupé en fines tranches pour devenir des plaquettes. La découpe de plaquettes de silicium utilise généralement des lames de scie diamantées ou une technologie de scie à fil pour garantir la précision de la coupe et réduire les pertes de matériaux. Le processus de découpe doit être contrôlé avec précision pour garantir que l'épaisseur et la planéité de la plaquette répondent aux exigences.

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