LES MATERIAUX SEMICONDUCTEURS

1. LES MATERIAUX SEMICONDUCTEURS Yves MONTEIL Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces,UMR 5615 Université Claude Bernard - LYON 1

2. Pourquoi les matériaux semiconducteurs ? Microélectronique Intérêts : petite taille (puce) très faible puissance Domaines d’utilisation : Micro-électronique électron (masse) Transistor Micro-optoélectronique photon (hn = h1/l ) Laser

3. Matériaux semiconducteurs • Qu’est ce qu’un semiconducteur ? Propriétés électriques intermédiaires entre métal et isolant Si Si Si Si ni/cm3 ni e(-Eg/kT ) METAUX 1022 1018 SEMICONDUCTEURS 1012 ISOLANTS 106 N = 6.02 1023

4. Eléments Semiconducteurs IV III VI II V B C N O Al P S Si Zn Ga Ge As Se Cd In Sn Sb Te Hg Tl Pb Bi Po

5. DIFFERENTS SEMICONDUCTEURS Eléments • Silicium , Germanium, Carbone (diamant) Composés ou Alliages: • à partir d’une vingtaine d’éléments voisins de Si dans la classification périodique • binaires : SiC, GaAs, InP • ternaires : InGaAs • quaternaires : InGaAsP

6. Elaboration du Si électronique 1 – Métallurgie du Si Sable +Coke Si (l) +Monoxyde de Carbone SiO2 C T > 1400°C CO(g) 2 – Purification du Si • Cristallisationfractionnée ( Si à 98 %) • Chloration : Si(s) + Cl2(g) SiCl4(g) • (Impuretés : Fe, B FeCl3, BCl3 ) • Distillation fractionnée • Réduction : SiCl4(g) + (Zn, Mg) Si(s) + (Zn, Mg) Cl2 • Evaporation sous vide Silicium pureté électronique (impuretés : qq ppm ou qq ppb)

7. STRUCTURE CRISTALLINE • Solide dans l’état monocristallin 8 – sommets 6 – faces 4 – sites tétraédriques occupés (1 sur 2) Système CFC ( Diamant ou Zinc blende)

8. Si monocristallin Silicium pureté électronique (qq ppm ou qq ppb) Méthode de tirage Germe Monocristal Germe Liquide Liquide T > 1400°C

9. STRUCTURE ELECTRONIQUE - Si 3s2 3p2 électrons niveau 0 1s2 n=1 K 2 2s2 2p6 n= 2 L 8 n =3 M 18(4) 1 Atome O O O MODELE DE BANDES n Atomes

10. Modèle des bandes E gap + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - Bande de conduction (e-) Bande Interdite Bande de valence (trou) Energie 0 Kelvin : Bande de valence pleine Bande de conduction vide Cristal parfait T (°K) : Remplissage de la bande de conduction dépend de la valeur de E gap : Métaux : bande de conduction pleine Isolant : Bande de valence pleine Semiconducteurs : Intermédiaire

11. Dopage de Si : type N Si °P Si Si - - - - - - - - - - - - - - E gap + + + + + + + + + + Substitution d’atome : Si par P Type N P° P+ + 1e - E Bande de conduction DE ---P+ P+ P+ P+ P+ P+ Bande interdite (aux e- de Si) Bande de valence

12. Dopage Si : type P - - - - - - - - - - - - - - - Si °B E gap Si Si + + + + + + + + + + + trou B* B-+ trou B*+e- B- Substitution d’un atome :Si par P Bande de conduction E Bande interdite (aux e- de Si) DE ---B- B- B- B- B- B- B-B- B- B- B- B- B- B- Bande de valence

13. Dispositifs électroniques Dispositif /composant Les matériaux S. C. qq mm qq 1/10mm Couche active Substrat SUBSTRAT : Croissance monocristalline souvent en phase liquide COUCHE ACTIVE : Epitaxie sur le substrat monocristallin souvent en phase gazeuse

14. Elaboration de la couche active L’épitaxie, empilement des atomes les uns sur les autres en conservant l’ordre sous-jacent : couche mince monocristalline sur un substrat monocristallin de même paramètre de maille (différence acceptable qques 10-3 ) Empilement simultané d’atomes semiconducteurs et d’atomes d’impuretés ou dopants

15. Dispositif électronique de base Le transistor(transfer resistor)  est le dispositif électronique le plus simple Un composant bipolaire car les électrons et les trous participent simultanément  aux phénomènes de conduction. 3 couches semiconductrices 1 – émetteur (couche dopée N) 2 – base (couche dopée P) 3 – collecteur (couche dopée N) Transistor NPN

16. DISPOSITIF SiC Diode SCHOTTKY SiC N- SiC N+ EPITAXIE SUBSTRAT DISPOSITIF SYSTEME Technologie