Dans l’industrie des semi-conducteurs, en particulier dans le domaine des semi-conducteurs de troisième génération (semi-conducteurs à large bande), le rôle du substrat et de la couche épitaxiale est crucial. Le substrat sert de base aux dispositifs à semi-conducteurs, tandis que la couche épitaxiale améliore les performances des dispositifs grâce à des techniques de croissance avancées. Alors, qu’est-ce qui distingue exactement le substrat de la couche épitaxiale, et comment chacun contribue-t-il à la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs?

1. Qu’est-ce qu’un substrat?

Le substrat est le matériau de base dans la fabrication de semi-conducteurs. Généralement composé de matériaux semi-conducteurs monocristallins tels que le silicium (Si), l’arséniure de gallium (GaAs) ou le carbure de silicium (SiC), il subit une série de processus précis, y compris la coupe, le broyage et le polissage, pour former une tranche. La fonction principale du substrat est de fournir une plate-forme stable et assortie de treillis pour la croissance ultérieure d’autres matériaux. Pendant le processus de fabrication, le substrat peut soit être utilisé directement pour la fabrication du dispositif ou servir de base à la croissance épitaxiale pour améliorer les performances du dispositif.

Par exemple, dans les dispositifs au carbure de silicium (SiC), laSubstrat SiCNon seulement agit comme support mécanique, mais joue également un rôle clé dans la détermination des caractéristiques électriques finales de l’appareil. À ce titre, la qualité et les propriétés du substrat sont essentielles aux performances des dispositifs, en particulier dans les matériaux semi-conducteurs de troisième génération, où les matériaux à large bande passante tels que SiC et GaN sont devenus essentiels.

2. Qu’est-ce que l’épitaxie?

L’épitaxie désigne le processus de croissance d’une couche mince monocristalline, connue sous le nom de couche épitaxiale, sur le substrat. Cette couche peut être composée du même matériau que le substrat (homoépitaxie) ou d’un matériau différent (hétéroépitaxie). La couche épitaxiale, généralement de quelques micromètres d’épaisseur, s’aligne sur la structure cristalline du substrat et est cultivée à l’aide de techniques telles que le dépôt chimique en vapeur (CVD) ou l’épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), qui permettent un contrôle précis de sa structure cristalline, de sa résistivité et de son épaisseur.

Dans les dispositifs traditionnels à semi-conducteurs de silicium, l’épitaxie est largement utilisée. Par exemple, en faisant croître une couche épitaxiale à haute résistivité sur un substrat de silicium à faible résistivité, les dispositifs peuvent atteindre à la fois une tension de rupture élevée et une tension de saturation faible, améliorant considérablement l’efficacité des dispositifs de puissance. Dans les semi-conducteurs de troisième génération, la couche épitaxiale détermine en grande partie les performances finales de l’appareil, avec des paramètres tels que l’épaisseur et la concentration de support de la couche épitaxiale influençant directement les caractéristiques électriques des dispositifs SiC.

3. Principales différences entre substrat et épitaxie

Différence fonctionnelle

Le substrat sert de structure cristalline de base, fournissant la stabilité mécanique et les propriétés cristallographiques initiales pour les couches suivantes.

La couche épitaxiale est la mince couche cristalline développée sur le substrat, qui définit principalement les propriétés électroniques critiques du dispositif à semi-conducteur, telles que la conductivité, la tension de rupture et la concentration du support.

Matériel et processus

Le substrat est généralement fabriqué à partir de matériaux comme le silicium, l’arséniure de gallium ou le carbure de silicium. Il fournit une plate-forme stable qui est assortie en treillis avec la couche épitaxiale.

La couche épitaxiale peut être cultivée à partir du même matériau que le substrat (p. ex. silicium sur silicium) ou d’un matériau différent (p. ex. nitrure de gallium sur saphir). En contrôlant l’épaisseur, l’orientation cristallographique et les conditions de croissance, la couche épitaxiale permet des fonctionnalités complexes du dispositif.

Mécanisme fonctionnel

Le substrat supporte principalement le dispositif mécaniquement et électriquement, tandis que la couche épitaxiale définit les propriétés fonctionnelles du dispositif final. Par exemple, dans les dispositifs SiC, le substrat fournit un support mécanique, mais la couche épitaxiale, par un contrôle précis de son épaisseur et de la concentration du support, détermine les performances à haute tension du dispositif.

4. Applications de substrat et d’épitaxie dans les semi-conducteurs de troisième génération

Les semi-conducteurs de troisième génération, tels que SiC et GaN, sont largement utilisés dans les dispositifs à haute puissance et à haute fréquence. En particulier, pour les appareils SiC, la qualité et les propriétés de la couche épitaxiale sont cruciales. Bien que le substrat SiC serve de base mécanique, la performance électrique de l’appareil, comme une tension de rupture élevée et une faible tension de saturation, est principalement déterminée par l’épaisseur de la couche épitaxiale et la concentration du support de fond.

Pour les applications à haute tension, les matériaux épitaxiaux SiC doivent répondre à des exigences strictes en matière d’épaisseur et de concentration de support, faisant de l’épitaxie une technologie critique pour optimiser les performances des dispositifs SiC. En fait, presque tous les dispositifs SiC power sont fabriqués sur SiC de haute qualitéPlaquettes épitaxiales, soulignant le rôle vital que joue la croissance épitaxiale dans l’industrie des semi-conducteurs à large bande.

Conclusion Conclusion

Le substrat et l’épitaxie sont des composants indispensables de la fabrication de semi-conducteurs, chacun jouant un rôle distinct. Le substrat sert de matériau de base, fournissant la structure cristalline et le support mécanique, tandis que la couche épitaxiale est responsable de l’optimisation des performances du dispositif à semi-conducteur, en particulier dans les applications à haute puissance, à haute fréquence et à haute tension. Comme les matériaux semi-conducteurs de troisième génération évoluent rapidement, l’épitaxie est devenue une technologie essentielle pour améliorer les performances des appareils, en particulier dans les semi-conducteurs à large bande, où la qualité de la couche épitaxiale a un impact direct sur l’efficacité et la fiabilité des appareils.