Qu’est-ce qu’un matériau semi-conducteur ?
Les matériaux semi-conducteurs sont tous les matériaux utilisés dans le processus de fabrication des dispositifs à semi-conducteur.
Dans le processus frontal, les plaquettes sont utilisées pour former les puces semi-conductrices sur la surface, les photomasques sont utilisés comme plaque d’origine lorsque les schémas de circuit, qui sont des informations de conception, sont gravés sur la plaquette, et les gaz des matériaux semi-conducteurs tels que le gaz de gravure et le gaz de nettoyage sont utilisés. Dans les étapes suivantes, on utilise des moules pour les boîtiers dans lesquels les puces sont placées, des fils de connexion qui relient les électrodes des puces à l’extérieur et des encapsulants en résine ou en céramique qui protègent les puces à l’intérieur du boîtier.
Parmi les divers matériaux semi-conducteurs, la plaquette qui forme le corps de la puce est le matériau le plus important, et l’expression “matériaux semi-conducteurs” fait généralement référence aux plaquettes.
Utilisations des matériaux semi-conducteurs
Il existe deux types de matériaux semi-conducteurs (plaquettes) : les semi-conducteurs fabriqués à partir d’un seul élément et les semi-conducteurs composés, fabriqués à partir de deux éléments ou plus, qui sont utilisés dans le domaine des semi-conducteurs en fonction de leurs caractéristiques respectives.
Le silicium (Si) et le gallium (Ga) sont les semi-conducteurs à élément unique les plus courants, en particulier les plaquettes de silicium. Ils sont utilisés dans les produits semi-conducteurs tels que les produits à bas prix parce qu’ils sont relativement bon marché et que les plaquettes de grand diamètre sont faciles à fabriquer.
Les semi-conducteurs composés comprennent le carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN) et l’arséniure de gallium (GaAs). Les semi-conducteurs composés peuvent être utilisés dans les dispositifs à haute fréquence, les ordinateurs à grande vitesse, les DEL et les équipements de communication optique, car le mouvement des électrons dans le cristal est plus rapide que dans le silicium et ils ont des capacités supérieures de réception et d’émission de la lumière.
Principe des matériaux semi-conducteurs
Les plaquettes de silicium, le matériau semi-conducteur (wafers) le plus utilisé, sont de minces feuilles circulaires faites de silicium de haute pureté.
1. Processus d’extraction d’un seul cristal
Lors de la fabrication des plaquettes de silicium, le silicium est d’abord raffiné et purifié pour produire du silicium polycristallin hautement purifié, qui peut ensuite être utilisé comme matière première pour produire des lingots monocristallins dans le cadre du processus d’extraction monocristalline.
Dans ce processus, le silicium polycristallin est fondu avec de l’acide borique (B) et du phosphore (P) dans un creuset en quartz et tiré jusqu’à la surface liquide du silicium fondu tout en faisant tourner une tige de silicium cristallin de semence pour produire un lingot monocristallin. Les traces d’acide borique et de phosphore ajoutées à ce stade ont un effet significatif sur les propriétés électriques du produit semi-conducteur final.
2. Processus de traitement des plaquettes
Le lingot monocristallin est découpé en tranches minces au cours du processus de traitement suivant, puis poli jusqu’à l’obtention d’un fini miroir afin d’éliminer les irrégularités à la surface de la tranche. Le processus de polissage est également appelé polissage, et les plaquettes à ce stade sont appelées plaquettes polies.
Les plaquettes polies peuvent être utilisées telles quelles comme semi-conducteurs. Des traitements spéciaux sont ajoutés conformément aux exigences des fabricants de semi-conducteurs, tels que les plaquettes recuites pour les produits miniaturisés, dans lesquelles l’oxygène est éliminé de la surface de la plaquette par un traitement thermique à haute température (recuit), et les plaquettes épitaxiales, dans lesquelles des monocristaux de silicium sont cultivés sur la surface de la plaquette par croissance en phase vapeur (croissance épitaxiale).
Types de matériaux semi-conducteurs
Les semi-conducteurs peuvent être divisés en trois types principaux selon le degré d’intégration fonctionnelle. Les exemples typiques sont les semi-conducteurs discrets, les circuits intégrés (CI) et les circuits intégrés à grande échelle (LSI).
1. Les semi-conducteurs discrets
Il s’agit d’éléments ayant une fonction unique et présentant le niveau d’intégration le plus bas parmi les semi-conducteurs. Les exemples typiques de semi-conducteurs discrets sont les diodes et les transistors. Les diodes ont pour fonction de conduire le courant dans une direction, tandis que les transistors ont pour fonction de contrôler le courant. Les semi-conducteurs discrets sont utilisés dans de nombreux appareils familiers tels que les voitures, les ordinateurs et les smartphones.
2. Les circuits intégrés (CI)
Un CI (anglais : Integrated Circuit) est l’intégration de plusieurs éléments. Il se compose d’un certain nombre de transistors et de diodes et est classé en SSI (Small Scale Integration), MSI (Middle Scale Integration) et LSI (Large Scale Integration) en fonction de son degré d’intégration.
3. Les LSI (intégration à grande échelle)
Le LSI est un type de circuit intégré à haut degré d’intégration ; les termes IC et LSI sont souvent utilisés de manière interchangeable. Les LSI intègrent des diodes, des transistors et des éléments passifs et ont des fonctions complexes. Ils sont largement utilisés dans les produits qui rendent la vie des gens plus pratique, tels que les automobiles, les ordinateurs, les smartphones, les équipements audio et les appareils photo numériques.