Tout sur les semi-conducteurs

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2024-03-20 2515

Les semi-conducteurs ont constitué une industrie clé du développement national ces dernières années. Donc que sont exactement les semi-conducteurs ?

Dans la vie quotidienne, tous les objets peuvent être grossièrement classés selon leur conductivité électrique en trois catégories : conducteurs, semi-conducteurs et isolants.

C'est facile à comprendre ; les objets conduisent l'électricité, ne conduisent pas l'électricité ou conduisent un peu. Ce sont précisément ces matériaux ambigus et présentant une conductivité partielle qui offrent aux physiciens différentes possibilités d’exploration.

Les matériaux purement conducteurs ou non conducteurs n'ont pas beaucoup de sens ; ce sont les substances dont la conductivité change dans différentes conditions qui sont intéressantes.

Jetons un coup d'œil à la conductivité électrique des matériaux à travers un schéma pour une compréhension plus intuitive.

Selon leur conductivité électrique :

Isolants : à faible conductivité électrique, allant approximativement de 20^-18S/cm à 10^-8S/cm, comme le quartz fondu et le verre.

Conducteurs : avec une conductivité électrique plus élevée, allant de 10^4S/cm à 10^6S/cm, comme les métaux comme l'aluminium et l'argent.

Semi-conducteurs : dont la conductivité électrique se situe entre celle des isolants et des conducteurs.

Les semi-conducteurs élémentaires courants trouvés dans la nature comprennent le silicium et le germanium. On dit que les semi-conducteurs à base de germanium ont été découverts et utilisés encore plus tôt que ceux à base de silicium, mais l'avantage naturel du silicium est son prix abordable. Le sable commun dans la nature contient une grande quantité de silicium, vous savez !

Même s'il y a beaucoup de sable siliceux dans la nature, il contient trop d'impuretés et de défauts, il ne peut donc pas être utilisé directement et doit être raffiné.

Comment pouvons-nous l’affiner ? En un mot : brûlez !

Tout comme nous l’avons appris en chimie au collège, nous effectuons des réactions d’oxydo-réduction.

SiC + SiO2 → Si (solide) + SiO2 (gaz) + CO (gaz)
Si (solide) + 3HC → SiHCl3 (gaz) + H2 (gaz)
SiHCl3 (gaz) + H2 (gaz) → Si (solide) + 3HCl (gaz)

Après trois réactions chimiques à haute température, on obtient du silicium solide, mais à ce stade, le silicium est polycristallin.

Qu’est-ce que le silicium polycristallin ?

Tout comme lorsque nous épluchons une orange, à l’intérieur se trouvent de nombreux segments (segments polycristallins) et chaque segment a un goût différent (orientation des cristaux). Il faut sélectionner le segment le plus savoureux et le laisser grandir tout seul !

Comment faire croître individuellement un petit monocristal ?

Les physiciens sont en effet intelligents, inventant une méthode de croissance de monocristaux appelée méthode Czochralski, peut-être du nom du scientifique qui l'a développée.

Il existe également un terme industriel intuitif pour ce processus, connu sous le nom de méthode Bridgman !

Parce que lorsque l’on fait pousser des monocristaux, c’est comme si on tirait les petits cristaux vers le haut ! La vitesse de traction est un peu lente. Jetez un œil à cet appareil :

La tige cylindrique bleue sur l’image est un silicium monocristallin. Pendant le processus de tirage, il tourne tout en étant tiré vers le haut, ce qui donne un lingot cylindrique cultivé selon la méthode Bridgman.

Le lingot cultivé est ensuite découpé en morceaux en forme de disque à l’aide de lames mécaniques, formant ce que nous appelons des tranches.

Ce processus vous semble familier ?

C'est ainsi que les plaquettes sont produites.

Bien que nous disposions désormais des plaquettes, à ce stade, les propriétés électrochimiques du silicium monocristallin ne sont pas suffisantes pour une utilisation directe dans la fabrication de puces. Les ingénieurs travaillent ensuite à modifier les propriétés électrochimiques du silicium monocristallin.

Comment modifient-ils le silicium monocristallin ?

Tout d’abord, approfondissons notre compréhension de l’élément silicium. Dans le tableau périodique, le silicium occupe la 14ème place. Un atome de silicium possède quatre électrons dans sa coque externe, qu’il partage avec quatre atomes voisins, formant ainsi quatre paires d’électrons partagés. Cette structure de paires d’électrons partagées est connue sous le nom de liaison covalente. Chaque paire d'électrons forme une liaison covalente.

Vous avez peut-être entendu parler de cette partie en chimie au collège. Jetons un coup d'œil à une image pour une compréhension plus visuelle :

L'image de gauche montre la structure cristalline du silicium monocristallin, qui ressemble à la structure d'un cristal de diamant. Sur la droite, nous avons une représentation d'atomes de silicium partageant des électrons, avec un atome de silicium au centre partageant des électrons avec quatre atomes de silicium « frères ».

Un jour, un physicien a eu une idée soudaine : et si le silicium ne partageait pas d'électrons avec ses atomes « frères » et invitait d'autres « frères et sœurs » dans le groupe ?

Un jour, le physicien a invité Arsenic à rejoindre le groupe, et alors un miracle s'est produit :

Le « frère » de l’arsenic possède 5 électrons dans sa coque externe, dont 4 électrons forment des liaisons avec des atomes de silicium, laissant un électron non apparié. Cet électron non apparié devient un agent libre, errant et altérant la conductivité du silicium en raison de sa charge.

En fournissant un électron supplémentaire à la famille du silicium, l’atome d’arsenic est connu comme donneur.

Avec l’augmentation du nombre d’électrons libres dans la famille du silicium, les porteurs chargés négativement augmentent, transformant le silicium en semi-conducteur de type n.

Pourquoi est-il appelé « type N » ? En anglais, « Negative » signifie négatif. Prendre la première lettre de ce mot nous donne N.

De même, pensait le physicien, si nous pouvons introduire des atomes d’arsenic avec des électrons supplémentaires, pouvons-nous également inviter des atomes de bore avec moins d’électrons dans le groupe ? Le physicien a donc décidé d’introduire des atomes de bore dans le mélange pour voir ce qui se passe.

Étant donné que l’atome de bore n’a que 3 électrons dans sa coque externe, soit un de moins que le silicium, chaque liaison covalente qui possédait à l’origine 2 paires d’électrons n’est désormais constituée que d’une seule paire, laissant derrière elle un espace : un trou chargé positivement.

À ce stade, le semi-conducteur à base de silicium est appelé semi-conducteur de type p. De même, « P » vient de la première lettre du mot anglais « Positive » et l'atome de bore est appelé accepteur.

C’est l’introduction de différents atomes dans le silicium monocristallin qui aboutit à la formation de semi-conducteurs de type N et de type P.

Lorsque nous disposons de silicium monocristallin et que nous pouvons trouver un moyen d'oxyder sa surface en dioxyde de silicium, le dioxyde de silicium peut servir d'isolant pour de nombreuses structures de dispositifs ou agir comme une couche barrière lors des processus de fabrication de dispositifs tels que la diffusion ou l'implantation ionique.

Dans le processus de fabrication d'une jonction pn, une fine couche de dioxyde de silicium peut être utilisée pour définir la région de la jonction.

Jetez un œil à ce diagramme schématique : (a) montre une plaquette de silicium découverte, prête pour l'étape d'oxydation, tandis que (b) représente uniquement la couche supérieure de la plaquette oxydée.

Grâce aux connaissances théoriques des semi-conducteurs de type P et de type N, nous pouvons aller plus loin et modifier la surface du dioxyde de silicium pour créer les motifs souhaités, comme dessiner un chat ou une fleur.

La méthode pour modifier la surface d’une plaquette s’appelle la photolithographie !

Mais la photolithographie ne nécessite-t-elle pas un équipement avancé ? J'ai entendu dire que ces machines sont vraiment impressionnantes... Comprenons d'abord le principe de la photolithographie :

À l’aide d’une coucheuse centrifuge à grande vitesse, une couche de matériau sensible à la lumière ultraviolette (UV) appelée photorésiste est filée sur la surface de la puce. Après avoir retiré la puce de la centrifugeuse, elle est cuite à une température comprise entre 80°C et 100°C pour éliminer le solvant présent dans la résine photosensible et la durcir, améliorant ainsi son adhérence à la puce.

Ensuite, une source de lumière UV est utilisée pour exposer la puce à travers un masque à motifs. Ensuite, de l’acide fluorhydrique tamponné est utilisé comme agent de gravure acide pour éliminer la surface non protégée du dioxyde de silicium. Enfin, la résine photosensible est décapée à l'aide d'un solvant chimique ou d'un système de incinération au plasma.

Jetez un œil au diagramme schématique : seul (a) est affiché.

Le processus s’apparente un peu à la fabrication d’un sceau. Tout d'abord, un modèle est peint sur une pierre avec du pigment, puis il est sculpté selon les dimensions du modèle. C'est essentiellement le même principe.

Tout comme les joints peuvent avoir des motifs en relief ou en retrait, les plaquettes peuvent également être traitées de la même manière. Selon le choix de la résine photosensible, positive ou négative, on peut réaliser des motifs en relief (positif) et en retrait (négatif). Les photorésists utilisés sont appelés résist positif et résist négatif.

Après photolithographie, la surface du silicium est exposée à l’environnement extérieur. Les physiciens introduisent ensuite d’autres éléments dans cette surface de silicium grâce à un processus appelé implantation ionique.

Lorsque des ions bore (B) ou arsenic (As) sont implantés, ils altèrent les propriétés traditionnelles du silicium, modifiant ainsi ses caractéristiques électrochimiques. À ce stade, le semi-conducteur est appelé semi-conducteur extrinsèque.

La jonction formée par le contact entre les semi-conducteurs de type P et de type N est appelée jonction pn !

Une fois le dopage terminé, des efforts sont déployés pour extraire les performances de ce semi-conducteur. Cela implique la métallisation de la surface du semi-conducteur, avec des étapes comprenant le contact ohmique et l'interconnexion réalisées au cours du processus de métallisation ultérieur. Des films minces métalliques peuvent être formés par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou dépôt chimique en phase vapeur (CVD).

La métallisation étant terminée, la jonction pn peut désormais fonctionner !

C'est tout pour les connaissances de base en semi-conducteurs !

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