Quelle est la différence entre substrat et épitaxie ?
Dans la chaîne de valeur de l'industrie des semi-conducteurs, et plus particulièrement dans celle des semi-conducteurs de troisième génération (semi-conducteurs à large bande interdite), on trouve un substrat et une couche épitaxiale. Quelle est l'importance de cette couche épitaxiale ? Quelle est la différence avec le substrat ?
Le processus de préparation des plaquettes comprend deux étapes essentielles : la préparation du substrat et la mise en œuvre de la technologie épitaxiale. Le substrat, une plaquette fabriquée à partir d’un matériau semi-conducteur monocristallin, peut servir de base pour l’entrée directe dans le processus de fabrication des plaquettes afin de produire des dispositifs semi-conducteurs, ou permettre d’améliorer leurs performances grâce à un procédé épitaxial.
Qu'est-ce que l'épitaxie ? En bref, l'épitaxie est la croissance d'une nouvelle couche de monocristaux sur un substrat monocristallin préalablement préparé (découpé, meulé, poli, etc.). Le nouveau monocristal et le substrat peuvent être constitués du même matériau ou de matériaux différents, permettant ainsi d'obtenir une épitaxie homogène ou hétérogène selon les besoins. La nouvelle couche monocristalline se développe en fonction de la phase cristalline du substrat ; on l'appelle donc couche épitaxiale. Son épaisseur est généralement de quelques microns seulement. Prenons l'exemple du silicium : la croissance épitaxiale du silicium consiste à faire croître une couche de monocristaux de silicium, orientée selon la même direction cristalline que le substrat, sur un substrat monocristallin de silicium. La résistivité et l'épaisseur sont contrôlables, et la structure cristalline est parfaite. L'ensemble formé par la croissance de la couche épitaxiale sur le substrat est appelé feuillet épitaxial.
Pour l'industrie traditionnelle des semi-conducteurs en silicium, la production de dispositifs haute fréquence et haute puissance directement sur des plaquettes de silicium se heurte à des difficultés techniques, notamment les exigences d'une tension de claquage élevée, d'une faible résistance série et d'une faible chute de tension de saturation au niveau du collecteur. L'introduction de la technologie d'épitaxie permet de résoudre efficacement ces problèmes. La solution consiste à faire croître une couche épitaxiale à haute résistivité sur un substrat de silicium à faible résistivité, puis à fabriquer les dispositifs sur cette couche. Ainsi, la couche épitaxiale à haute résistivité assure une tension de claquage élevée au dispositif, tandis que le substrat à faible résistivité réduit sa résistance, diminuant ainsi la chute de tension de saturation. On obtient ainsi un équilibre optimal entre tension de claquage élevée, faible résistance et faible chute de tension.
De plus, les techniques d'épitaxie en phase vapeur, en phase liquide et autres matériaux semi-conducteurs composés moléculaires à base de GaAs et d'autres composés des groupes III-V et II-VI ont connu un développement considérable et sont devenues indispensables à la fabrication de la grande majorité des dispositifs micro-ondes, optoélectroniques, de puissance, etc. En particulier, l'application réussie des techniques d'épitaxie par jets moléculaires et en phase gazeuse organométallique aux couches minces, super-réseaux, puits quantiques, super-réseaux contraints et à l'échelle atomique a posé les bases d'un nouveau domaine de recherche en semi-conducteurs : l'ingénierie des bandes d'énergie.
En ce qui concerne les dispositifs semi-conducteurs de troisième génération, ils sont presque tous réalisés sur une couche épitaxiale, la plaquette de carbure de silicium servant uniquement de substrat. L'épaisseur du matériau épitaxial SiC, la concentration de porteurs résiduels et d'autres paramètres déterminent directement les propriétés électriques des dispositifs SiC. Les dispositifs en carbure de silicium destinés aux applications haute tension requièrent de nouveaux paramètres, tels que l'épaisseur du matériau épitaxial et la concentration de porteurs résiduels. Par conséquent, la technologie d'épitaxie du carbure de silicium joue un rôle déterminant dans l'exploitation optimale des performances des dispositifs en carbure de silicium. Presque tous les dispositifs de puissance SiC reposent sur des feuilles épitaxiales de SiC de haute qualité, et la production de couches épitaxiales constitue un élément essentiel de l'industrie des semi-conducteurs à large bande interdite.
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