Pourquoi les dispositifs semi-conducteurs nécessitent une « couche épitaxiale »

Origine du nom « Plaquette épitaxiale »

La préparation des plaquettes comprend deux étapes principales : la préparation du substrat et le processus d'épitaxie. Le substrat est constitué d'un matériau monocristallin semi-conducteur et est généralement traité pour produire des dispositifs semi-conducteurs. Il peut également subir un traitement épitaxial pour former une plaquette épitaxiale. L'épitaxie fait référence au processus de croissance d'une nouvelle couche monocristalline sur un substrat monocristallin soigneusement traité. Le nouveau monocristal peut être du même matériau que le substrat (épitaxie homogène) ou d'un matériau différent (épitaxie hétérogène). Étant donné que la nouvelle couche cristalline croît en fonction de l’orientation cristalline du substrat, elle est appelée couche épitaxiale. La plaquette avec la couche épitaxiale est appelée plaquette épitaxiale (plaque épitaxiale = couche épitaxiale + substrat). Les dispositifs fabriqués sur la couche épitaxiale sont appelés « épitaxie directe », tandis que les dispositifs fabriqués sur le substrat sont appelés « épitaxie inverse », où la couche épitaxiale sert uniquement de support.

Epitaxie homogène et hétérogène

Epitaxie homogène :La couche épitaxiale et le substrat sont constitués du même matériau : par exemple Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

Epitaxie Hétérogène :La couche épitaxiale et le substrat sont constitués de différents matériaux : par exemple Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, etc.

Gaufrettes polies

Gaufrettes polies

 

Quels problèmes l’épitaxie résout-elle ?

Les matériaux monocristallins en vrac ne suffisent pas à eux seuls à répondre aux exigences de plus en plus complexes de la fabrication de dispositifs semi-conducteurs. Par conséquent, à la fin de 1959, la technique de croissance de matériaux monocristaux fins connue sous le nom d’épitaxie a été développée. Mais comment la technologie épitaxiale a-t-elle spécifiquement contribué à l’avancement des matériaux ? Pour le silicium, le développement de l’épitaxie du silicium s’est produit à un moment critique où la fabrication de transistors en silicium haute fréquence et haute puissance se heurtait à d’importantes difficultés. Du point de vue des principes des transistors, pour obtenir une fréquence et une puissance élevées, il faut que la tension de claquage de la région du collecteur soit élevée et que la résistance série soit faible, ce qui signifie que la tension de saturation doit être faible. Le premier nécessite une résistivité élevée dans le matériau du collecteur, tandis que le second nécessite une faible résistivité, ce qui crée une contradiction. Réduire l'épaisseur de la région du collecteur pour réduire la résistance série rendrait la plaquette de silicium trop fine et fragile pour le traitement, et réduire la résistivité entrerait en conflit avec la première exigence. Le développement de la technologie épitaxiale a résolu ce problème. La solution consistait à faire croître une couche épitaxiale à haute résistivité sur un substrat à faible résistivité. Le dispositif est fabriqué sur la couche épitaxiale, garantissant la tension de claquage élevée du transistor, tandis que le substrat à faible résistivité réduit la résistance de base et abaisse la tension de saturation, résolvant ainsi la contradiction entre les deux exigences.

GaN sur SiC

De plus, les technologies d'épitaxie pour les semi-conducteurs composés III-V et II-VI tels que GaAs, GaN et autres, y compris l'épitaxie en phase vapeur et en phase liquide, ont connu des progrès significatifs. Ces technologies sont devenues essentielles pour la fabrication de nombreux dispositifs micro-ondes, optoélectroniques et électriques. En particulier, des techniques telles que l'épitaxie par jets moléculaires (MBE) et le dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) ont été appliquées avec succès à des couches minces, des super-réseaux, des puits quantiques, des super-réseaux contraints et des couches épitaxiales minces à l'échelle atomique, jetant ainsi une base solide pour le développement de nouveaux domaines de semi-conducteurs tels que « l’ingénierie des bandes ».

Dans les applications pratiques, la plupart des dispositifs semi-conducteurs à large bande interdite sont fabriqués sur des couches épitaxiales, des matériaux comme le carbure de silicium (SiC) étant utilisés uniquement comme substrats. Par conséquent, le contrôle de la couche épitaxiale est un facteur critique dans l’industrie des semi-conducteurs à large bande interdite.

Technologie d'épitaxie : sept caractéristiques clés

1. L'épitaxie peut faire croître une couche de résistivité élevée (ou faible) sur un substrat de résistivité faible (ou élevée).

2. L'épitaxie permet la croissance de couches épitaxiales de type N (ou P) sur des substrats de type P (ou N), formant directement une jonction PN sans les problèmes de compensation qui surviennent lors de l'utilisation de la diffusion pour créer une jonction PN sur un substrat monocristallin.

3. Lorsqu'elle est combinée à la technologie des masques, la croissance épitaxiale sélective peut être réalisée dans des zones spécifiques, permettant la fabrication de circuits intégrés et de dispositifs dotés de structures spéciales.

4. La croissance épitaxiale permet de contrôler les types et les concentrations de dopage, avec la possibilité d'obtenir des changements brusques ou progressifs de concentration.

5. L'épitaxie permet de produire des composés hétérogènes, multicouches et multi-composants avec des compositions variables, y compris des couches ultra-minces.

6. La croissance épitaxiale peut se produire à des températures inférieures au point de fusion du matériau, avec un taux de croissance contrôlable, permettant une précision au niveau atomique de l'épaisseur de la couche.

7. L'épitaxie permet la croissance de couches monocristallines de matériaux qui ne peuvent pas être transformées en cristaux, tels que le GaN et les semi-conducteurs composés ternaires/quaternaires.

Diverses couches épitaxiales et processus épitaxiaux

En résumé, les couches épitaxiales offrent une structure cristalline plus facile à contrôler et plus parfaite que les substrats massifs, ce qui est bénéfique pour le développement de matériaux avancés.


Heure de publication : 24 décembre 2024