सेमीकंडक्टर उपकरणों को "एपिटैक्सियल परत" की आवश्यकता क्यों होती है

"एपिटैक्सियल वेफर" नाम की उत्पत्ति

वेफर तैयारी में दो मुख्य चरण होते हैं: सब्सट्रेट तैयारी और एपिटैक्सियल प्रक्रिया। सब्सट्रेट अर्धचालक एकल क्रिस्टल सामग्री से बना है और आमतौर पर अर्धचालक उपकरणों का उत्पादन करने के लिए संसाधित किया जाता है। यह एपिटैक्सियल वेफर बनाने के लिए एपिटैक्सियल प्रसंस्करण से भी गुजर सकता है। एपिटैक्सी एक सावधानीपूर्वक संसाधित एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट पर एक नई एकल क्रिस्टल परत विकसित करने की प्रक्रिया को संदर्भित करता है। नया एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट (सजातीय एपिटैक्सी) या एक अलग सामग्री (विषम एपिटैक्सी) के समान सामग्री का हो सकता है। चूंकि नई क्रिस्टल परत सब्सट्रेट के क्रिस्टल अभिविन्यास के साथ संरेखण में बढ़ती है, इसलिए इसे एपिटैक्सियल परत कहा जाता है। एपिटैक्सियल परत वाले वेफर को एपिटैक्सियल वेफर (एपिटैक्सियल वेफर = एपिटैक्सियल परत + सब्सट्रेट) कहा जाता है। एपिटैक्सियल परत पर निर्मित उपकरणों को "फॉरवर्ड एपिटैक्सी" कहा जाता है, जबकि सब्सट्रेट पर निर्मित उपकरणों को "रिवर्स एपिटैक्सि" कहा जाता है, जहां एपिटैक्सियल परत केवल एक समर्थन के रूप में कार्य करती है।

सजातीय और विषमांगी एपिटैक्सी

▪सजातीय एपिटैक्सी:एपिटैक्सियल परत और सब्सट्रेट एक ही सामग्री से बने होते हैं: उदाहरण के लिए, Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP।

▪विषम एपिटैक्सी:एपिटैक्सियल परत और सब्सट्रेट विभिन्न सामग्रियों से बने होते हैं: उदाहरण के लिए, Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, आदि।

पॉलिश वेफर्स

एपिटैक्सी किन समस्याओं का समाधान करता है?

अर्धचालक उपकरण निर्माण की बढ़ती जटिल मांगों को पूरा करने के लिए अकेले थोक एकल क्रिस्टल सामग्री अपर्याप्त हैं। इसलिए, 1959 के अंत में, पतली एकल क्रिस्टल सामग्री विकास तकनीक जिसे एपिटेक्सी के नाम से जाना जाता है, विकसित की गई थी। लेकिन एपिटैक्सियल तकनीक ने सामग्री की उन्नति में विशेष रूप से कैसे मदद की? सिलिकॉन के लिए, सिलिकॉन एपिटैक्सी का विकास एक महत्वपूर्ण समय पर हुआ जब उच्च-आवृत्ति, उच्च-शक्ति सिलिकॉन ट्रांजिस्टर के निर्माण में महत्वपूर्ण कठिनाइयों का सामना करना पड़ा। ट्रांजिस्टर सिद्धांतों के परिप्रेक्ष्य से, उच्च आवृत्ति और शक्ति प्राप्त करने के लिए आवश्यक है कि कलेक्टर क्षेत्र का ब्रेकडाउन वोल्टेज उच्च हो, और श्रृंखला प्रतिरोध कम हो, जिसका अर्थ है कि संतृप्ति वोल्टेज छोटा होना चाहिए। पहले वाले को संग्राहक सामग्री में उच्च प्रतिरोधकता की आवश्यकता होती है, जबकि बाद वाले को कम प्रतिरोधकता की आवश्यकता होती है, जो एक विरोधाभास पैदा करता है। श्रृंखला प्रतिरोध को कम करने के लिए कलेक्टर क्षेत्र की मोटाई कम करने से सिलिकॉन वेफर प्रसंस्करण के लिए बहुत पतला और नाजुक हो जाएगा, और प्रतिरोधकता कम करने से पहली आवश्यकता के साथ टकराव होगा। एपिटैक्सियल तकनीक के विकास ने इस समस्या को सफलतापूर्वक हल कर दिया। इसका समाधान कम प्रतिरोधकता वाले सब्सट्रेट पर एक उच्च प्रतिरोधकता एपिटैक्सियल परत विकसित करना था। डिवाइस को एपिटैक्सियल परत पर निर्मित किया गया है, जो ट्रांजिस्टर के उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज को सुनिश्चित करता है, जबकि कम-प्रतिरोधकता सब्सट्रेट बेस प्रतिरोध को कम करता है और संतृप्ति वोल्टेज को कम करता है, जिससे दो आवश्यकताओं के बीच विरोधाभास का समाधान होता है।

इसके अतिरिक्त, III-V और II-VI यौगिक अर्धचालकों जैसे GaAs, GaN और वाष्प चरण और तरल चरण एपिटैक्सी सहित अन्य के लिए एपिटैक्सियल प्रौद्योगिकियों में महत्वपूर्ण प्रगति देखी गई है। ये प्रौद्योगिकियाँ कई माइक्रोवेव, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक और बिजली उपकरणों के निर्माण के लिए आवश्यक हो गई हैं। विशेष रूप से, आणविक बीम एपिटेक्सी (एमबीई) और धातु-कार्बनिक रासायनिक वाष्प जमाव (एमओसीवीडी) जैसी तकनीकों को पतली परतों, सुपरलैटिस, क्वांटम कुओं, तनावग्रस्त सुपरलैटिस और परमाणु-पैमाने पर पतली एपिटैक्सियल परतों पर सफलतापूर्वक लागू किया गया है, जिससे एक ठोस आधार तैयार किया गया है। "बैंड इंजीनियरिंग" जैसे नए अर्धचालक क्षेत्रों का विकास।

व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, अधिकांश वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर उपकरण एपिटैक्सियल परतों पर निर्मित होते हैं, जिसमें सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) जैसी सामग्री का उपयोग पूरी तरह से सब्सट्रेट के रूप में किया जाता है। इसलिए, वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर उद्योग में एपिटैक्सियल परत को नियंत्रित करना एक महत्वपूर्ण कारक है।

एपिटैक्सी टेक्नोलॉजी: सात प्रमुख विशेषताएं

1. एपिटैक्सी कम (या उच्च) प्रतिरोधकता वाले सब्सट्रेट पर एक उच्च (या निम्न) प्रतिरोधकता परत विकसित कर सकता है।

2. एपिटैक्सी पी (या एन) प्रकार सब्सट्रेट पर एन (या पी) प्रकार एपिटैक्सियल परतों के विकास की अनुमति देता है, जो एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट पर पीएन जंक्शन बनाने के लिए प्रसार का उपयोग करते समय उत्पन्न होने वाले मुआवजे के मुद्दों के बिना सीधे पीएन जंक्शन बनाता है।

3. जब मास्क प्रौद्योगिकी के साथ जोड़ा जाता है, तो विशिष्ट क्षेत्रों में चयनात्मक एपिटैक्सियल विकास किया जा सकता है, जिससे विशेष संरचनाओं के साथ एकीकृत सर्किट और उपकरणों के निर्माण को सक्षम किया जा सकता है।

4. एपिटैक्सियल वृद्धि एकाग्रता में अचानक या क्रमिक परिवर्तन प्राप्त करने की क्षमता के साथ, डोपिंग प्रकार और सांद्रता के नियंत्रण की अनुमति देती है।

5. एपिटैक्सी अति-पतली परतों सहित परिवर्तनशील रचनाओं के साथ विषम, बहु-स्तरित, बहु-घटक यौगिकों को विकसित कर सकता है।

6. एपिटैक्सियल वृद्धि सामग्री के पिघलने बिंदु से नीचे के तापमान पर हो सकती है, नियंत्रणीय विकास दर के साथ, परत की मोटाई में परमाणु-स्तर की सटीकता की अनुमति मिलती है।

7. एपिटैक्सी उन सामग्रियों की एकल क्रिस्टल परतों के विकास को सक्षम बनाता है जिन्हें क्रिस्टल में नहीं खींचा जा सकता है, जैसे कि GaN और टर्नरी/चतुर्धातुक यौगिक अर्धचालक।

विभिन्न एपिटैक्सियल परतें और एपिटैक्सियल प्रक्रियाएं

संक्षेप में, एपिटैक्सियल परतें बल्क सब्सट्रेट्स की तुलना में अधिक आसानी से नियंत्रित और सही क्रिस्टल संरचना प्रदान करती हैं, जो उन्नत सामग्रियों के विकास के लिए फायदेमंद है।