Substrats cristallins courants pour les semi-conducteurs et les applications optiques

Les substrats cristallins représentent la base même de la fabrication des semi-conducteurs, de la photonique, de l'optoélectronique et de l'ingénierie optique avancée. C'est leur perfection structurelle, leur comportement électronique, leur transparence optique et leur performance thermique qui définissent finalement la qualité des dispositifs tels que les circuits intégrés, les diodes laser, les DEL, les photodétecteurs, les structures MEMS, les modulateurs optiques non linéaires et les composants laser de haute puissance. Les paragraphes suivants présentent une vue d'ensemble des substrats couramment utilisés, ainsi que les détails de leurs applications et de leurs spécifications.

Silicium - Substrat universel pour la microélectronique et les MEMS

Le silicium reste le substrat cristallin le plus utilisé en microélectronique et dans la fabrication de MEMS en raison de sa rentabilité, de son écosystème de traitement mature et de sa robustesse mécanique. Ces attributs garantissent sa pertinence continue dans les dispositifs logiques, l'électronique de puissance et les plates-formes de capteurs. En optique, le silicium est un matériau de base pour les composants infrarouges, les circuits intégrés photoniques, les guides d'ondes passifs et les éléments d'imagerie thermique en raison de sa transparence dans la gamme IR de 1,2 à 8 μm. Les circuits photoniques à grande vitesse et les résonateurs MEMS avancés sont rendus possibles par les plaques SOI, qui ont des applications dans les communications 5G, les systèmes LiDAR et la détection de précision.

Les spécifications typiques des substrats en silicium comprennent une large gamme de types : CZ, FZ, SOI ; des niveaux de pureté de >99,99% ; et des options de résistivité allant du milli-ohm au méga-ohm, en fonction du dopage. Les orientations comprennent (100), (111) et (110) pour répondre aux besoins des dispositifs. Le dopage implique du bore, du phosphore ou de l'arsenic. Les diamètres varient de 2 à 12 pouces. La finition de la surface varie d'un polissage sur une face à un polissage sur deux faces pour les applications optiques nécessitant une faible diffusion et une planéité précise.

Le saphir est un matériau de substrat très performant pour l'optoélectronique et la technologie laser.

Le saphir est le substrat le plus utilisé pour l'épitaxie du nitrure de gallium et constitue la base des LED bleues, des LED UV, des diodes laser de haute puissance et de nombreux composants RF. Sa très grande dureté et sa conductivité thermique le rendent également utile dans les systèmes optiques à haute énergie, les fenêtres de montres, les optiques IR et dans les environnements à fortes radiations. Ces propriétés du saphir, associées à sa stabilité chimique et à sa résistance aux cycles thermiques, le rendent également adapté aux capteurs pour environnements difficiles et aux fenêtres optiques à haute température.

Les substrats de saphir sont généralement préparés dans les orientations C, A, R et M pour répondre aux différents besoins d'épitaxie. Les substrats de haute qualité offrent une excellente planéité avec un TTV < 5 μm et une faible rugosité de surface Ra < 0,3 nm. Le saphir présente une très grande pureté et est proposé sous forme polie sur une ou deux faces. En raison de son point de fusion très élevé de 2040°C, le saphir est choisi dans les endroits où la stabilité thermique à long terme est critique.

Quartz et silice fondue - Stabilité optique et transparence aux UV

Les substrats enquartz et en silice fondue sont largement utilisés dans l'optique ultraviolette, les revêtements optiques, l'interférométrie, les dispositifs microfluidiques et les masques photographiques pour la lithographie des semi-conducteurs. Leur faible dilatation thermique et leur excellente transparence - de l'UV profond (~180 nm) à l'IR - les rendent indispensables dans les systèmes laser de haute puissance, l'optique de précision et les composants stables en longueur d'onde. La silice fondue est privilégiée en raison de sa très faible teneur en OH et de sa faible biréfringence, tandis que le quartz est apprécié pour ses propriétés piézoélectriques utilisées dans les oscillateurs, les filtres et les résonateurs.

Ces substrats sont disponibles dans des qualités de haute pureté avec des épaisseurs de 0,5 à 10 mm pour les plaques optiques ou de 200 à 800 μm pour les formats de plaquettes. Les finitions de surface comprennent généralement le super-poli (<1 Å de rugosité) pour les applications laser. Les orientations du quartz comprennent la coupe en X, la coupe en Y et la coupe en Z en fonction des exigences piézoélectriques. Les plaquettes de quartz sont généralement disponibles dans des diamètres de 2 à 6 pouces, tandis que les plaques de silice fondue sont personnalisées en termes de taille et de géométrie. Leur faible coefficient de dilatation thermique (~0,5 ppm/K) garantit la stabilité dimensionnelle en cas d'exposition au laser à haute énergie.

Arséniure de gallium (GaAs) : Un substrat à bande passante directe pour les dispositifs optoélectroniques et à grande vitesse

Les substrats en GaAs sont idéaux pour les dispositifs optoélectroniques qui nécessitent une mobilité élevée des électrons, une émission directe de la bande interdite et une absorption efficace de la lumière. Les LED infrarouges, les VCSEL, les photodiodes, les lasers à cascade quantique et de nombreux composants RF à haute fréquence reposent tous sur des substrats GaAs. Les utilisations les plus courantes de l'arséniure de gallium sont les communications par satellite et les amplificateurs de puissance 5G. Sa correspondance de réseau avec l'AlGaAs et l'InGaAs le rend approprié pour les structures épitaxiales multicouches complexes, y compris les puits quantiques et les super-réseaux.

La fabrication typique de substrats de GaAs comprend des types semi-isolants et conducteurs, où la résistivité peut être conçue pour des applications RF ou optiques. Les orientations comprennent généralement (100), avec la possibilité de découper pour minimiser les limites d'antiphase. Les diamètres standard sont de 2, 3, 4 et 6 pouces. Toutes ces caractéristiques sont essentielles pour l'épitaxie MBE ou MOCVD.

Niobate de lithium (LiNbO₃), tantalate de lithium (LiTaO₃) - Substrats non linéaires et électro-optiques

Parmi les matériaux optiques non linéaires, le niobate de lithium et le tantalate de lithium sont d'une importance capitale pour l'optique non linéaire, les modulateurs acousto-optiques, les filtres SAW, le dédoublement de fréquence et la photonique intégrée à grande vitesse. Le puissant effet électro-optique du LiNbO₃ en fait une plate-forme privilégiée pour les modulateurs dans les télécommunications et la photonique quantique. Ses propriétés pyroélectriques et piézoélectriques permettent de réaliser des capteurs, des détecteurs IR et des dispositifs de contrôle de fréquence de précision.

Les substrats commerciaux sont généralement disponibles dans les orientations X-cut, Y-cut et Z-cut. La pureté et le contrôle des défauts sont importants pour minimiser la diffusion optique et les effets photoréfractifs. Les épaisseurs varient de 0,5 à 100 mm pour les plaques optiques ou de ~300 à 700 µm pour les formats de plaquettes. Les qualités de surface comprennent des finitions polies sur une ou deux faces, souvent avec une très faible rugosité dans les guides d'ondes et les zones d'interaction.

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Carbure de silicium - SiC Un substrat résistant pour l'électronique de haute puissance

Le carbure de silicium (SiC) est l'un des substrats les plus appréciés pour l'électronique à large bande passante de la prochaine génération. Il supporte les MOSFET SiC, les diodes Schottky, les modules de puissance et les capteurs à haute température. La large bande interdite et la conductivité thermique élevée du SiC permettent aux dispositifs de fonctionner à des tensions élevées, à des vitesses de commutation élevées et dans des conditions difficiles, ce qui est essentiel pour les véhicules électriques, les onduleurs à énergie renouvelable, l'électronique aérospatiale et les alimentations industrielles.

Les plaquettes de SiC sont disponibles dans les qualités 4H, 6H et semi-isolantes avec une pureté optimisée pour la réduction des défauts. La finition de surface comprend des surfaces épi-prêtes à être polies par CMP avec des densités de défauts extrêmement faibles. Les tailles standard comprennent les formats 2, 4, 6 et 8 pouces, en croissance rapide. L'orientation et la densité des micropipes sont des paramètres de qualité critiques pour les performances au niveau des appareils.

Tableau 1 : Caractéristiques des principaux substrats cristallins utilisés dans les applications semi-conductrices et optiques

Le tableau 1 résume les principales caractéristiques des substrats - type, pureté, orientation, dopage et finition de surface - décrites ci-dessus pour faciliter la référence dans les situations quotidiennes de R&D et de production. Pour plus d'informations sur les produits, veuillez consulter le site de Stanford Advanced Materials (SAM).

Conclusion

Lessubstrats cristallins sont les structures de base qui sous-tendent toutes les technologies modernes des semi-conducteurs, de la photonique et de l'optique. Chaque matériau de substrat, y compris le silicium pour les CMOS et les MEMS, le saphir pour l'épitaxie du GaN, le quartz pour l'optique UV, le GaAs pour l'optoélectronique à grande vitesse, le LiNbO₃ pour la modulation électro-optique et le SiC pour les dispositifs de puissance à large bande passante, partage un ensemble unique d'avantages électroniques, optiques et thermiques qui déterminent directement la capacité et la fiabilité du système final.