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I. Définitions fondamentales du substrat et de l'épitaxie

Substrateetl'épitaxiesont deux concepts fondamentalement distincts mais étroitement liés dans la fabrication de plaquettes semi-conducteurs.

Substrate:
Un substrat est généralement un matériau monocristallin de haute pureté et de haute qualité qui sert de "fondation" à tous les processus de semi-conducteurs ultérieurs.Il fournit non seulement un support mécanique, mais aussi un modèle de treillis bien ordonné essentiel pour la fabrication de dispositifs.
 

Les matériaux courants sont:Le silicium (Si), le carbure de silicium (SiC), le saphir (Al2O3), l'arsenide de gallium (GaAs), etc.

L' épitaxie:
L'épitaxie fait référence à la croissance contrôlée d'un film monocristallin de haute qualité sur la surface d'un substrat.couche épitaxienne.
La couche épitaxienne peut être de la même matière que le substrat (l' homéopytasie) ou d'une matière différente (Hétéroépitaxie) et

II. Relation dans le processus de fabrication des plaquettes

Étape 1: préparation du substrat
Les plaquettes monocristallines de haute pureté sont produites à l'aide de méthodes telles que le procédé Czochralski ou la technique de la zone flottante.les plaquettes sont prêtes à être utilisées comme substrats.

Étape 2: Croissance épitaxienne
Une couche monocristalline de haute qualité est cultivée à la surface du substrat.et moins de défauts structurels pour répondre aux exigences spécifiques de conception du dispositif.

III. Qu'est-ce qu'un substrat? son rôle et sa signification

Fonction 1: appui mécanique
Le substrat sert de plate-forme pour tous les procédés et dispositifs ultérieurs et doit être doté d'une résistance mécanique et d'une stabilité dimensionnelle suffisantes.

Fonction 2: Modèle de grille
La structure en grille cristalline du substrat détermine la qualité cristalline de la couche épitaxienne, ce qui à son tour a un impact direct sur les performances du dispositif.

Fonction 3: Fondation électrique
Les propriétés électriques intrinsèques du matériau de substrat influencent les caractéristiques fondamentales de la puce telles que la conductivité et la résistivité.

Exemple:
Une plaque de silicium monocristallin de 6 pouces sert de point de départ dans la plupart des usines de semi-conducteurs. Presque tous les circuits intégrés CMOS et les appareils optoélectroniques commencent par un substrat de silicium.

IV. Qu'est-ce que l'épitaxie?

Principe de croissance épitaxienne:
Epitaxy involves the atomic-scale deposition of a new single crystal layer that aligns with the lattice structure of the underlying substrate—similar to decorating a well-laid foundation with high-grade materials.

Techniques de croissance épitaxienne courantes:

• Epitaxie de phase vapeur (VPE):Les précurseurs gazeux sont introduits dans une chambre de réaction à haute température, où ils se déposent et cristallisent sur la surface du substrat.l'épitaxie du silicium utilise souvent du tétrachlorure de silicium ou du trichlorosilane comme sources de gaz.Je suis désolée.

• Epitaxie en phase liquide (LPE):Les matériaux sont déposés et cristallisés sous forme liquide sur le substrat, principalement pour les semi-conducteurs composés.

• Epitaxie par faisceau moléculaire (MBE):Une méthode de haute précision réalisée sous vide ultra-haute, idéale pour la fabrication de structures quantiques avancées et de superréseaux.

• Dépôt de vapeur chimique métal-organique (MOCVD):Particulièrement adapté aux semi-conducteurs III-V tels que GaN et GaAs.

Fonctions de l'épitaxie:

• Amélioration de la pureté et de la planéité de la surface:Même un substrat poli présente des imperfections microscopiques; l'épitaxie crée une couche de surface presque parfaite.

• Propriétés électriques et structurelles personnaliséesPermet un contrôle précis du type de dopage (type N/type P), de la concentration et de l'épaisseur de la couche pour répondre aux exigences fonctionnelles spécifiques.

• Activer les structures multicouches ou hétérostructures:Essentiel pour des structures comme les puits quantiques multiples et les superréseaux, qui ne sont réalisables que par la croissance épitaxienne.

V. Différences entre l'homoépitaxie et l'hétéroépitaxie et leurs applications

L' homéopytasie:
Le substrat et la couche épitaxielle sont composés du même matériau (par exemple, la couche épitaxielle de Si sur un substrat de Si).

• Les avantages:Permet une amélioration significative de la qualité de la surface, une diminution de la densité des défauts et un rendement et une cohérence améliorés du dispositif.

• Applications:Largement utilisé dans les appareils électriques et les circuits intégrés.

L' hétéroépitaxie:
Le substrat et la couche épitaxielle sont de matériaux différents (par exemple, couche épitaxielle GaN sur substrat de saphir).

• Les avantages:Combine les propriétés souhaitables de différents matériaux pour obtenir des performances électriques et optiques supérieures en contournant les limites des systèmes à matériau unique.

• Les inconvénients:Le décalage de la grille et les différences de coefficient de dilatation thermique entraînent souvent des contraintes, des dislocations et d'autres défauts nécessitant des couches tampons ou des optimisations structurelles.

• Applications:Le GaN est souvent cultivé sur des substrats de saphir, de silicium ou de SiC.

VI. Le rôle essentiel de l'épitaxie dans les semi-conducteurs de troisième génération

Dans les semi-conducteurs de troisième génération (par exemple, SiC, GaN), presque tous les appareils de puissance et optoélectroniques avancés reposent sur des couches épitaxiennes.

Exemple de dispositifs SiC:
Les paramètres clés tels que la tension de rupture et la résistance sont déterminés par l'épaisseur et la concentration de dopage de la couche épitaxienne.Le substrat SiC fournit un support mécanique et un modèle de réseau, mais la couche épitaxienne définit les performances réelles de l'appareil.

Plus la couche épitaxielle est épaisse et sans défaut, plus la tension de rupture est élevée et plus les performances sont bonnes.

Par conséquent, dans l'industrie des semi-conducteurs à large bande passante, la technologie de croissance épitaxielle définit directement le plafond de performance des dispositifs finaux.

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