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

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

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

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

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

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 Cristallisation fractionnée ( 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)

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

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

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

Modèle des bandes - - - - - - - - - - - - - - Bande de conduction (e-) + + + + + + + + + + E gap 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

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

Dopage Si : type P trou B* B- + trou Si °B Si B*+e- B- Substitution d’un atome :Si par P + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - E gap 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

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

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

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

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