Matières premières clés pour la production de semi-conducteurs : types de substrats de plaquettes

Les substrats de plaquettes comme matériaux clés dans les dispositifs semi-conducteurs

Les substrats de plaquettes sont les supports physiques des dispositifs semi-conducteurs, et leurs propriétés matérielles déterminent directement les performances, le coût et les domaines d'application de ces dispositifs. Vous trouverez ci-dessous les principaux types de substrats de plaquettes, ainsi que leurs avantages et inconvénients :

1.Silicium (Si)

• Part de marché :Il représente plus de 95 % du marché mondial des semi-conducteurs.

• Avantages :

  • Faible coût:Matières premières abondantes (dioxyde de silicium), procédés de fabrication éprouvés et fortes économies d'échelle.

  • Compatibilité élevée avec les processus :La technologie CMOS est très mature et prend en charge les nœuds avancés (par exemple, 3 nm).

  • Excellente qualité cristalline :Il est possible de produire des plaquettes de grand diamètre (principalement de 12 pouces, 18 pouces en cours de développement) présentant une faible densité de défauts.

  • Propriétés mécaniques stables :Facile à couper, à polir et à manipuler.

• Inconvénients :

  • Bande interdite étroite (1,12 eV) :Courant de fuite élevé à haute température, limitant l'efficacité du dispositif de puissance.

  • Bande interdite indirecte :Très faible rendement d'émission lumineuse, ne convient pas aux dispositifs optoélectroniques tels que les LED et les lasers.

  • Mobilité électronique limitée :Performances à haute fréquence inférieures à celles des semi-conducteurs composés.
    

2.Arséniure de gallium (GaAs)

• Applications :Dispositifs RF haute fréquence (5G/6G), dispositifs optoélectroniques (lasers, cellules solaires).

• Avantages :

  • Mobilité électronique élevée (5 à 6 fois celle du silicium) :Adapté aux applications à haute vitesse et haute fréquence telles que les communications par ondes millimétriques.

  • Bande interdite directe (1,42 eV) :Conversion photoélectrique à haut rendement, fondement des lasers infrarouges et des LED.

  • Résistance aux hautes températures et aux radiations :Adapté aux environnements aérospatiaux et difficiles.

• Inconvénients :

  • Coût élevé :Matériau rare, croissance cristalline difficile (sujet aux dislocations), taille de plaquette limitée (principalement 6 pouces).

  • Mécanismes fragiles :Sujette à la fracture, ce qui entraîne un faible rendement de traitement.

  • Toxicité:L'arsenic nécessite une manipulation rigoureuse et des contrôles environnementaux stricts.

3. Carbure de silicium (SiC)

• Applications :Dispositifs de puissance haute température et haute tension (onduleurs pour véhicules électriques, bornes de recharge), aérospatiale.

• Avantages :

  • Bande interdite large (3,26 eV) :Résistance à la rupture élevée (10 fois celle du silicium), tolérance aux hautes températures (température de fonctionnement > 200 °C).

  • Conductivité thermique élevée (≈3× silicium) :Excellente dissipation thermique, permettant une densité de puissance système plus élevée.

  • Faibles pertes de commutation :Améliore l'efficacité de la conversion d'énergie.

• Inconvénients :

  • Préparation du substrat complexe :Croissance cristalline lente (>1 semaine), contrôle des défauts difficile (micropipes, dislocations), coût extrêmement élevé (5 à 10 fois celui du silicium).

  • Taille réduite des plaquettes :Principalement de 4 à 6 pouces ; le modèle de 8 pouces est encore en développement.

  • Difficile à traiter :Très dur (Mohs 9,5), ce qui rend la découpe et le polissage fastidieux.

4. Nitrure de gallium (GaN)

• Applications :Dispositifs de puissance à haute fréquence (charge rapide, stations de base 5G), LED/lasers bleus.

• Avantages :

  • Mobilité électronique ultra-élevée + large bande interdite (3,4 eV) :Combine des performances à haute fréquence (>100 GHz) et à haute tension.

  • Faible résistance à l'activation :Réduit la perte de puissance de l'appareil.

  • Compatible avec l'hétéroépitaxie :Généralement cultivées sur des substrats de silicium, de saphir ou de SiC, ce qui réduit les coûts.

• Inconvénients :

  • Croissance monocristalline en masse difficile :L'hétéroépitaxie est une technique courante, mais les différences de paramètres de maille introduisent des défauts.

  • Coût élevé :Les substrats GaN natifs sont très chers (une plaquette de 2 pouces peut coûter plusieurs milliers de dollars américains).

  • Défis en matière de fiabilité :Des phénomènes tels que l'effondrement actuel nécessitent une optimisation.

5. Phosphure d'indium (InP)

• Applications :Communications optiques à haut débit (lasers, photodétecteurs), dispositifs térahertz.

• Avantages :

  • Mobilité électronique ultra-élevée :Prend en charge un fonctionnement à plus de 100 GHz, surpassant ainsi le GaAs.

  • Bande interdite directe avec correspondance de longueur d'onde :Matériau de base pour les communications par fibre optique de 1,3 à 1,55 μm.

• Inconvénients :

  • Fragile et très cher :Le coût du substrat dépasse 100 fois celui du silicium, et les tailles de plaquettes sont limitées (4 à 6 pouces).

6. Saphir (Al₂O₃)

• Applications :Éclairage LED (substrat épitaxial GaN), verre de protection pour appareils électroniques grand public.

• Avantages :

  • Faible coût:Bien moins cher que les substrats SiC/GaN.

  • Excellente stabilité chimique :Résistant à la corrosion, hautement isolant.

  • Transparence:Convient aux structures LED verticales.

• Inconvénients :

  • Forte différence de maille avec GaN (>13%) :Entraîne une forte densité de défauts, nécessitant des couches tampons.

  • Faible conductivité thermique (environ 1/20 de celle du silicium) :Limite les performances des LED haute puissance.

7. Substrats céramiques (AlN, BeO, etc.)

• Applications :Dissipateurs thermiques pour modules haute puissance.

• Avantages :

  • Isolant + conductivité thermique élevée (AlN : 170–230 W/m·K) :Convient aux emballages haute densité.

• Inconvénients :

  • Non monocristallin :Ne peut pas soutenir directement la croissance des dispositifs, est utilisé uniquement comme substrat d'encapsulation.

8. Substrats spéciaux

• SOI (Silicium sur isolant) :

  • Structure:Sandwich silicium/SiO₂/silicium.

  • Avantages :Réduit la capacité parasite, durci aux radiations, suppression des fuites (utilisé en RF, MEMS).

  • Inconvénients :30 à 50 % plus cher que le silicium en vrac.

• Quartz (SiO₂):Utilisé dans les photomasques et les MEMS ; résistant aux hautes températures mais très fragile.

• Diamant:Substrat à conductivité thermique la plus élevée (>2000 W/m·K), en cours de R&D pour une dissipation thermique extrême.

Tableau récapitulatif comparatif

Facteurs clés pour la sélection du substrat

• Exigences de performance :GaAs/InP pour les hautes fréquences ; SiC pour les hautes tensions et les hautes températures ; GaAs/InP/GaN pour l'optoélectronique.

• Contraintes de coûts :L'électronique grand public privilégie le silicium ; les secteurs de pointe peuvent justifier les surcoûts liés au SiC/GaN.

• Complexité de l'intégration :Le silicium reste irremplaçable pour la compatibilité CMOS.

• Gestion thermique :Les applications à haute puissance privilégient le SiC ou le GaN à base de diamant.

• Maturité de la chaîne d'approvisionnement :Si > Saphir > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tendances futures

L'intégration hétérogène (par exemple, GaN sur Si, GaN sur SiC) permettra d'équilibrer les performances et les coûts, stimulant ainsi les progrès dans les domaines de la 5G, des véhicules électriques et de l'informatique quantique.