Matériaux électroniques essentiels : Partie 1 - Silicium
1 Introduction
Lesilicium, matériau fondamental de l'électronique moderne, est essentiel dans des applications allant des circuits intégrés aux cellules solaires. En tant que quasi-métal tétravalent et semi-conducteur, la structure et les propriétés du silicium lui confèrent une valeur inestimable dans les dispositifs électroniques. Son abondance, son prix abordable et sa pureté hautement ajustable en ont fait le matériau de base de l'industrie. Cet article présente les propriétés de base du silicium, ses processus d'extraction et de production, ses applications, ainsi que ses avantages et ses limites, et donne un aperçu des raisons pour lesquelles le silicium reste la pierre angulaire de la science des matériaux électroniques.
2 Propriétés de base du silicium
Le silicium est un élément chimique dont le symbole chimique est Si, le numéro atomique 14 et la masse atomique relative 28,0855. C'est un solide cristallin dur et cassant, un quasi-métal tétravalent et un semi-conducteur. C'est un solide cristallin dur et cassant, un quasi-métal tétravalent et un semi-conducteur. Il possède deux isomères, le silicium amorphe et le silicium cristallin, et appartient à la troisième période du tableau périodique des éléments, le groupe IVA des éléments métalloïdes. Le silicium cristallin est gris-noir, sa densité est de 2,32-2,34 g/cm3, son point de fusion est de 1410 ℃ et son point d'ébullition de 2355 ℃, le silicium cristallin appartient au cristal atomique. Insoluble dans l'eau, l'acide nitrique et l'acide chlorhydrique, soluble dans l'acide fluorhydrique et la lessive. Il est dur et présente un éclat métallique.
Le silicium est également un élément courant dans la nature, généralement sous la forme de silicates complexes ou de silice, largement présents dans les roches, les graviers et la poussière. Le silicium est le huitième élément le plus abondant dans l'univers. Il est largement répandu dans la poussière, les grains de sable, les planétésimaux et les planètes sous forme de silice (silicates) ou de silicates. Plus de 90 % de la croûte terrestre est composée de minéraux silicatés, ce qui fait du silicium le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre (environ 28 % en masse), après l'oxygène.
L'atome de silicium est situé dans le groupe principal IV du tableau périodique ; il a un numéro atomique de 14 et 14 électrons en dehors de son noyau. Les électrons à l'extérieur du noyau, selon le niveau d'énergie de l'atome de silicium faible à élevé, de l'intérieur à l'extérieur, forment des couches autour. La première couche d'électrons à l'extérieur du noyau de l'atome de silicium a 2 électrons, et la deuxième couche a 8 électrons, atteignant ainsi un état stable. La couche la plus externe comporte 4 électrons de valence, qui jouent un rôle prépondérant dans la conductivité de l'atome de silicium.
Cette structure de l'atome de silicium lui confère certaines propriétés particulières : les 4 électrons de valence les plus externes permettent aux atomes de silicium de se lier entre eux par des liaisons covalentes, ce qui confère au silicium un point de fusion et une densité élevés ; les propriétés chimiques sont plus stables, il est difficile de réagir avec d'autres substances à température ambiante (à l'exception du fluorure d'hydrogène et de la lessive) ; les cristaux de silicium ont une concentration d'électrons libres très faible et peuvent être conducteurs, mais la conductivité n'est pas aussi bonne que celle du métal ; avec l'augmentation de la température, les propriétés des semi-conducteurs s'accroissent.
Fig. 1 Structure atomique du silicium
3 Processus d'extraction et de production du silicium
3.1 Préparation du silicium amorphe et cristallin
Lasilice amorphe peut être produite par la réduction de la silice par le magnésium. En laboratoire, la poudre de magnésium peut être utilisée pour réduire la silice en poudre à la chaleur rouge, et l'oxyde de magnésium et la poudre de magnésium qui en résultent sont éliminés par lavage à l'acide dilué, puis l'acide fluorhydrique est utilisé pour éliminer la silice qui n'a pas subi d'action, ce qui permet d'obtenir de la silice monomorphe. Cette méthode de production ne permet pas d'obtenir un silicium amorphe suffisamment pur pour obtenir une poudre brun-noir.
Le siliciumcristallin peut être produit en réduisant le dioxyde de silicium avec du carbone dans un four électrique. Le silicium est produit industriellement en réduisant la silice (>99% SiO2) dans un four électrique à arc. Les agents réducteurs utilisés sont notamment le coke de pétrole et le charbon de bois. Lorsqu'on utilise un four à arc à courant continu, on peut toujours utiliser du coke de pétrole à la place du charbon de bois. Le coke de pétrole a une faible teneur en cendres (0,3 % à 0,8 %) et l'utilisation de silice de haute qualité (SiO2 supérieur à 99 %) permet le raffinage direct de silicium de haute qualité pour la fabrication de tôles d'acier au silicium.
Fig. 2 Équipement de préparation du silicium cristallin - Four à arc à courant continu
3.2 Préparation du silicium de haute pureté, du silicium monocristallin et du silicium polycristallin
Lesilicium de haute pureté destiné à l'industrie électronique est produit en réduisant le trichlorhydrure de silicium ou le tétrachlorure de silicium avec de l'hydrogène. Le processus consiste à réduire le trichlorhydrure de silicium de haute pureté SiHCl3 ou SiCl4 avec de l'hydrogène sur des barres de silicium chaudes à 1200 °C.
Lesilicium monocristallin ultra-pur peut être préparé par tirage direct ou par fusion par zone, etc. Le silicium monocristallin à fusion par zone est préparé en utilisant la méthode de fusion par zone flottante, il est donc également connu sous le nom de silicium monocristallin FZ. Le silicium monocristallin à extraction directe est préparé à l'aide de la méthode de Tchernobyl, il est connu sous le nom de silicium monocristallin CZ. Ces deux types de silicium monocristallin ont des caractéristiques et des applications différentes : le silicium monocristallin à fusion de zone est principalement utilisé dans les appareils de grande puissance, et ne représente qu'une très petite partie du marché du silicium monocristallin, soit environ 10 % sur le marché international ; le silicium monocristallin à tirage direct est principalement utilisé dans les circuits intégrés microélectroniques et les cellules solaires, et constitue le thème principal du silicium monocristallin. Comparé au silicium monocristallin à fusion par zone, le coût de fabrication du silicium monocristallin à extraction directe est relativement faible, sa résistance mécanique est élevée et il est facile de préparer des monocristaux de grand diamètre, de sorte que le domaine des cellules solaires est principalement utilisé dans l'application du silicium monocristallin à extraction directe, plutôt que du silicium monocristallin à fusion par zone.
Laméthode Czochralski a été inventée par le Polonais J. Czochralski en 1971, elle est donc également connue sous le nom de méthode de Che. En 1950, Teal et d'autres ont utilisé cette méthode pour la croissance de monocristaux de germanium semi-conducteur, puis pour la croissance de silicium monocristallin en traction droite. Sur cette base, Dash a proposé une technologie de croissance du silicium monocristallin en traction droite, G. Ziegler a proposé une technologie de croissance rapide du silicium monocristallin en traction droite, constituant la préparation moderne de la méthode de base du silicium monocristallin en traction droite, sans dislocation et de grand diamètre. La croissance du silicium monocristallin en traction droite a été la principale technologie de préparation du silicium monocristallin, mais aussi la principale méthode de préparation du silicium monocristallin pour les cellules solaires.
Fig. 3 Cristal de silicium cultivé par la méthode Czochralski chez Raytheon
Le processus de préparation du silicium monocristallin en traction directe comprend généralement le chargement et la fusion du polysilicium, le cristal de semence, le collet, la libération de l'épaulement, l'isométrie et la finition.
Lescristaux colonnaires de polysilicium pour cellules solaires, dont la croissance est dirigée verticalement vers le haut, sont obtenus par solidification directionnelle (également connue sous le nom de solidification contrôlée, solidification sous contrainte), c'est-à-dire dans le processus de cristallisation, par le contrôle des changements de champ de température, la formation d'un flux de chaleur unidirectionnel (direction de croissance et direction opposée du flux de chaleur), et les exigences de l'interface liquide-solide au gradient de température sont supérieures à 0, et transversalement aux exigences de l'absence de gradient de température, pour former la croissance directionnelle des cristaux colonnaires. La réalisation de la croissance de solidification directionnelle du polysilicium se fait selon quatre méthodes : la méthode Brillman, la méthode d'échange de chaleur, la méthode de coulée de lingots électromagnétiques et la méthode de coulée. Actuellement, la méthode la plus couramment utilisée par les entreprises est la méthode de l'échange thermique pour produire du polysilicium. La méthode d'échange thermique pour la production de polysilicium coulé se déroule généralement comme suit : chargement → chauffage → matériau chimique → croissance cristalline → recuit → refroidissement.
4 Le silicium dans l'industrie électronique
4.1 Circuit intégré (CI)
Dans la fabrication des circuits intégrés (CI), les plaquettes de silicium servent de substrat à la puce et sont devenues un élément essentiel des appareils électroniques modernes. La plupart des appareils, tels que les ordinateurs, les smartphones et les tablettes, dépendent en interne de ces circuits intégrés à base de silicium pour le calcul et le traitement des données. Le silicium possède d'excellentes propriétés semi-conductrices, ce qui en fait un matériau idéal pour la fabrication de transistors. Les transistors sont les composants essentiels des circuits intégrés, leur permettant d'effectuer des opérations de commutation et de logique en contrôlant le flux de courant électrique, ce qui est à la base des fonctions informatiques complexes des puces modernes.
En outre, l'abondance des matériaux à base de silicium et la sophistication des technologies de purification réduisent encore leurs coûts de production. Le silicium est disponible en abondance sur Terre et peut être facilement purifié jusqu'à atteindre un degré de pureté extrêmement élevé grâce à la méthode de fusion par zone, qui répond aux exigences strictes en matière de matériaux pour la fabrication de circuits intégrés. Cette caractéristique convient non seulement à la fabrication à grande échelle, mais fournit également à l'industrie des puces une source durable de matériaux à faible coût, faisant des circuits intégrés à base de silicium la pierre angulaire du développement de l'ère de l'information.
Fig. 4 Circuit intégré
4.2 Cellules solaires
Le silicium monocristallin et polycristallin, ainsi que les films minces en silicium, ont des applications importantes dans les cellules solaires.
Les cellules solaires au silicium monocristallin sont fabriquées à partir de silicium monocristallin de haute pureté, qui présente le rendement de conversion photovoltaïque le plus élevé (généralement 20 % ou plus) en raison de sa structure cellulaire homogène et de ses faibles défauts de réseau. Le silicium monocristallin possède de bonnes propriétés d'absorption de la lumière et réduit la perte d'énergie lors de la conversion photovoltaïque. En raison de leur rendement élevé et de leur stabilité, les cellules solaires en silicium monocristallin sont largement utilisées dans les applications nécessitant une densité énergétique élevée, telles que les toits des maisons, les bâtiments commerciaux et les centrales solaires à grande échelle. Ces cellules conviennent aux installations à long terme et aux situations qui exigent un rendement énergétique élevé. Malgré leur coût relativement élevé, elles permettent de maximiser la production d'énergie dans les situations où l'utilisation du sol est limitée.
Les cellules solaires au silicium polycristallin sont fabriquées à partir de blocs de silicium polycristallin, dont la structure cristalline contient un grand nombre de joints de grains, ce qui se traduit par des rendements de conversion photovoltaïque légèrement inférieurs à ceux du silicium monocristallin (généralement entre 15 % et 18 %). Les matériaux à base de silicium polycristallin consomment moins d'énergie et sont relativement moins chers. Les cellules de silicium polycristallin sont rentables et sont donc couramment utilisées pour les grandes installations solaires et pour l'alimentation des services publics et des installations industrielles. Elles sont également utilisées dans les systèmes hors réseau dans des scénarios tels que l'électrification rurale et l'éclairage des panneaux de signalisation. Ces cellules peuvent produire une grande quantité d'énergie tout en restant rentables, ce qui les rend idéales pour une installation à grande échelle dans les fermes solaires au sol et les zones hors réseau.
Les cellules solaires au silicium à couche mince sont fabriquées en déposant une très fine couche de silicium sur un substrat en verre, en métal ou en plastique. En raison de la minceur de la couche de silicium, leur rendement de conversion photovoltaïque est généralement faible (de l'ordre de 10 à 12 %), mais elles sont légères et flexibles. En raison de leur légèreté et de leur flexibilité, les cellules solaires en silicium à couche mince conviennent aux applications intégrées aux bâtiments (BIPV), où elles peuvent être montées directement sur les façades, les fenêtres et d'autres surfaces pour doter la structure du bâtiment de capacités de production d'énergie. En outre, ces cellules peuvent être utilisées dans des dispositifs portables, tels que des sacs à dos solaires, des tentes et d'autres applications mobiles, afin d'alimenter de petits appareils.
Fig. 5 Cellules solaires
4.3 Systèmes microélectromécaniques (MEMS) et capteurs
Le silicium a un large éventail d'applications dans le domaine des systèmes microélectromécaniques (MEMS) et des capteurs, grâce à son excellente stabilité mécanique et électrique. Les dispositifs MEMS utilisent les propriétés du silicium pour convertir les signaux mécaniques et électriques à une micro-échelle et sont utilisés dans une large gamme de dispositifs, tels que les accéléromètres, les gyroscopes, les capteurs de pression, etc. Ces dispositifs jouent un rôle essentiel dans les systèmes d'airbags automobiles, la détection des mouvements des smartphones, le contrôle de l'équilibre des drones, etc. Ces dispositifs jouent un rôle crucial dans les systèmes d'airbags automobiles, la détection des mouvements dans les smartphones et le contrôle de l'équilibre dans les drones. En outre, les capteurs à base de silicium peuvent mesurer avec précision des paramètres environnementaux tels que la température, l'humidité et la pression, ce qui les rend largement utilisés dans les secteurs de l'automobile, de l'automatisation industrielle et de l'électronique grand public. Le silicium est également utilisé dans les dispositifs microfluidiques, dont la structure à microcanaux permet un contrôle de haute précision des fluides, et dans le "laboratoire sur puce" du domaine médical pour détecter de minuscules substances dans des échantillons liquides, ce qui favorise le développement portable du diagnostic des maladies et de la bioanalyse. Ces technologies de MEMS et de capteurs à base de silicium sont à l'origine de progrès dans les domaines de l'électronique intelligente, de l'automatisation et de l'ingénierie biomédicale.
Fig. 6 MEMS
4.4 Électronique de puissance
Le silicium joue un rôle important dans l'électronique de puissance et est largement utilisé dans les dispositifs semi-conducteurs de puissance tels que les MOSFET et les IGBT. En raison de leur bonne conductivité et de leur vitesse de commutation, ces dispositifs sont particulièrement adaptés à la conversion d'énergie à haut rendement dans des applications telles que les véhicules électriques, les convertisseurs de puissance et les chargeurs. Les dispositifs de puissance en silicium présentent également des densités de puissance et des rendements élevés, ce qui les rend largement utilisés dans les applications nécessitant une transmission efficace, telles que les centres de données, les stations de base de communication et les alimentations électriques. Bien que les performances du silicium dans les environnements à haute température et à haute tension soient relativement limitées, sa stabilité et son économie dans les applications à faible et moyenne puissance sont excellentes, ce qui en fait le matériau de choix pour les dispositifs de petite et moyenne puissance. Parallèlement, afin d'élargir les performances et les applications des dispositifs au silicium, de nombreuses études explorent de nouveaux matériaux et structures à base de silicium pour améliorer leurs performances à haute température ou dans des environnements extrêmes, alimentant ainsi le développement futur des technologies de l'électronique de puissance.
4.5 Applications photovoltaïques du silicium
Le silicium joue également un rôle important dans les applications optoélectroniques, en particulier dans l'optoélectronique à base de silicium, les DEL à base de silicium et la photonique à base de silicium. Les photodiodes au silicium sont largement utilisées dans les systèmes de communication optique en tant que détecteurs de lumière et photodiodes dans les centres de données et les communications par fibre optique pour assurer la transmission de données à grande vitesse et sur de longues distances. Bien que le silicium ne soit pas un matériau idéal pour émettre de la lumière, sa photoréactivité dans la bande infrarouge a conduit à son utilisation dans les DEL infrarouges et l'emballage des puces, en particulier dans les scénarios où le faible coût et la durabilité sont nécessaires. En outre, la photonique du silicium émerge en tant que technologie permettant la transmission, le traitement et le calcul de signaux optiques par l'intermédiaire de circuits intégrés optoélectroniques à base de silicium, ce qui peut jouer un rôle important dans la 5G, l'informatique de l'IA et d'autres domaines qui nécessitent une transmission de données à grande vitesse. Ces applications photoniques au silicium stimulent le développement des communications de données, du traitement de l'information et de l'informatique optique, ce qui permet au silicium de jouer un rôle clé dans les avancées technologiques liées à la convergence de l'électronique et de l'optique.
5 Avantages et limites du silicium
5.1 Avantages du silicium
1. Abondance et durabilité : Le silicium est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, représentant plus de 27 % de la masse de la croûte, et se trouve principalement dans le sable et le quartz. Cela signifie que le silicium est extrêmement abondant, relativement facile d'accès et durable. L'abondance des réserves garantit non seulement une chaîne d'approvisionnement stable pour le silicium, mais fait également du silicium une option fiable pour la production industrielle à grande échelle, offrant à l'industrie une garantie de croissance à long terme.
Fig. 7 Teneur en éléments de la croûte terrestre
2. Une grande pureté contrôlable : Dans l'industrie électronique, la pureté des matériaux semi-conducteurs est essentielle. Le silicium peut être purifié par fusion de zone pour atteindre des niveaux de pureté extrêmement élevés (plus de 99,9999 %), un niveau de pureté qui répond aux exigences des dispositifs de haute précision tels que les circuits intégrés et les transistors. La fusion par zone est une technique de purification très efficace qui élimine les impuretés en chauffant des zones spécifiques d'un barreau de silicium et en déplaçant lentement la zone de fusion pour atteindre un niveau de pureté extrêmement élevé dans le matériau, dans une plage contrôlée. Cette pureté hautement contrôlable permet au silicium d'exceller dans de nombreuses applications électroniques complexes, en particulier dans la microélectronique et les circuits intégrés.
3. Coût inférieur : Comparé à d'autres matériaux semi-conducteurs tels que l'arséniure de gallium et le carbure de silicium, le silicium est moins coûteux à extraire et à traiter. D'une part, les réserves naturelles de silicium sont abondantes et faciles à extraire, et le processus de purification requis est relativement mature et adapté à la production à grande échelle. D'autre part, la grande stabilité du silicium le rend moins sensible aux pertes lors de la fabrication et de la transformation, ce qui réduit encore les coûts de production. Par conséquent, le silicium est devenu le choix le plus économique dans des domaines tels que les microprocesseurs, les mémoires et les cellules solaires.
5.2 Limites du silicium
1. Mauvaises caractéristiques à haute température : Bien que le silicium se comporte de manière stable à température ambiante, sa conductivité à haute température n'est pas idéale. Dans les environnements à haute température, la résistivité du silicium diminue, ce qui entraîne un flux de courant instable, qui affecte les performances de l'appareil. Le silicium est donc limité dans les environnements à haute puissance et à haute température, tels que l'aérospatiale, l'électronique militaire et les convertisseurs de puissance à haute puissance, où un fonctionnement soutenu à haute température est nécessaire et où la stabilité thermique du silicium n'est pas suffisante pour prendre en charge ces applications. Ces types d'exigences nécessitent souvent la sélection de matériaux présentant de meilleures performances à haute température, tels que le carbure de silicium, pour remplacer le silicium.
2. Limitation de la bande interdite : Le silicium a une faible bande interdite (1,1 eV), ce qui, tout en favorisant une sensibilité élevée dans certaines applications, n'est pas souhaitable dans les dispositifs à grande vitesse et à haute fréquence. La bande interdite inférieure limite la vitesse à laquelle les électrons peuvent commuter, ce qui rend le silicium moins performant à haute fréquence que d'autres matériaux à bande interdite plus large, tels que l'arséniure de gallium, et est donc limité dans les applications de communication à haute vitesse telles que la 5G, les dispositifs à ondes millimétriques et les amplificateurs de puissance à radiofréquence. Ces applications nécessitent des matériaux avec des bandes interdites plus larges pour garantir que les dispositifs peuvent supporter des fréquences plus élevées et des transmissions de données à plus grande vitesse.
6 Conclusion
Le rôle du silicium dans l'électronique est inégalé en raison de son abondance, de sa rentabilité et de ses propriétés uniques en tant que semi-conducteur. Sa grande pureté et sa facilité de fabrication lui permettent d'exceller dans des domaines tels que la microélectronique, l'énergie solaire et les MEMS. Cependant, le silicium est limité dans les environnements à haute température et les applications à haute fréquence, où des matériaux alternatifs comme le carbure de silicium et l'arséniure de gallium sont souvent préférables. Les progrès constants de la technologie du silicium visent à relever ces défis et à garantir son importance durable dans l'évolution de l'électronique. Le silicium reste indispensable, stimulant l'innovation et soutenant la transformation en cours des paysages numériques et des énergies renouvelables.
Stanford Advanced Materials (SAM) est un fournisseur clé de matériaux en silicium de haute qualité, soutenant ces applications critiques avec des solutions matérielles fiables.
Lecture connexe :
Plaque d'arséniure de gallium VS. Plaque de silicium
Croissance et adhésion du graphène aux plaquettes de silicium
