सेमीकंडक्टर उपकरणांना “एपिटॅक्सियल लेयर” का आवश्यक आहे

"एपिटॅक्सियल वेफर" नावाचे मूळ

वेफरच्या तयारीमध्ये दोन मुख्य टप्पे असतात: सब्सट्रेट तयार करणे आणि एपिटॅक्सियल प्रक्रिया. सब्सट्रेट सेमीकंडक्टर सिंगल क्रिस्टल मटेरियलपासून बनविलेले असते आणि सामान्यत: सेमीकंडक्टर उपकरणे तयार करण्यासाठी प्रक्रिया केली जाते. एपिटॅक्सियल वेफर तयार करण्यासाठी ते एपिटॅक्सियल प्रक्रिया देखील करू शकते. एपिटॅक्सी म्हणजे काळजीपूर्वक प्रक्रिया केलेल्या सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेटवर नवीन सिंगल क्रिस्टल लेयर वाढवण्याच्या प्रक्रियेचा संदर्भ देते. नवीन सिंगल क्रिस्टल हे सब्सट्रेट (एकसंध एपिटॅक्सी) किंवा वेगळ्या मटेरियल (विजातीय एपिटॅक्सी) सारख्या सामग्रीचे असू शकते. नवीन क्रिस्टल लेयर सब्सट्रेटच्या क्रिस्टल ओरिएंटेशनसह संरेखितपणे वाढतो, त्याला एपिटॅक्सियल लेयर म्हणतात. एपिटॅक्सियल लेयर असलेल्या वेफरला एपिटॅक्सियल वेफर (एपिटॅक्सियल वेफर = एपिटॅक्सियल लेयर + सब्सट्रेट) म्हणून संबोधले जाते. एपिटॅक्सियल लेयरवर बनवलेल्या उपकरणांना "फॉरवर्ड एपिटॅक्सी" म्हणतात, तर सब्सट्रेटवर बनवलेल्या उपकरणांना "रिव्हर्स एपिटॅक्सी" म्हणून संबोधले जाते, जेथे एपिटॅक्सियल लेयर केवळ समर्थन म्हणून काम करते.

एकसंध आणि विषम एपिटॅक्सी

▪एकसंध एपिटॅक्सी:एपिटॅक्सियल लेयर आणि सब्सट्रेट समान सामग्रीचे बनलेले आहेत: उदा, Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪विषम विषमता:एपिटॅक्सियल लेयर आणि सब्सट्रेट वेगवेगळ्या सामग्रीपासून बनलेले आहेत: उदा., Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, इ.

पॉलिश वेफर्स

एपिटॅक्सी कोणत्या समस्या सोडवते?

सेमीकंडक्टर डिव्हाइस फॅब्रिकेशनच्या वाढत्या जटिल मागण्या पूर्ण करण्यासाठी मोठ्या प्रमाणात सिंगल क्रिस्टल सामग्री अपुरी आहे. म्हणून, 1959 च्या उत्तरार्धात, epitaxy म्हणून ओळखले जाणारे पातळ सिंगल क्रिस्टल मटेरियल वाढीचे तंत्र विकसित केले गेले. परंतु एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानाने सामग्रीच्या प्रगतीसाठी विशेषतः कशी मदत केली? सिलिकॉनसाठी, उच्च-वारंवारता, उच्च-शक्ती सिलिकॉन ट्रान्झिस्टरच्या फॅब्रिकेशनमध्ये महत्त्वपूर्ण अडचणी आल्या तेव्हा सिलिकॉन एपिटॅक्सीचा विकास गंभीर वेळी झाला. ट्रान्झिस्टर तत्त्वांच्या दृष्टीकोनातून, उच्च वारंवारता आणि शक्ती प्राप्त करण्यासाठी संग्राहक क्षेत्राचे ब्रेकडाउन व्होल्टेज जास्त असणे आवश्यक आहे आणि मालिका प्रतिरोध कमी असणे आवश्यक आहे, म्हणजे संपृक्तता व्होल्टेज लहान असावे. पूर्वीच्या संग्राहक सामग्रीमध्ये उच्च प्रतिरोधकता आवश्यक असते, तर नंतरचे कमी प्रतिरोधकता आवश्यक असते, ज्यामुळे विरोधाभास निर्माण होतो. मालिका प्रतिरोधकता कमी करण्यासाठी कलेक्टर क्षेत्राची जाडी कमी केल्याने सिलिकॉन वेफर प्रक्रिया करण्यासाठी खूप पातळ आणि नाजूक होईल आणि प्रतिरोधकता कमी केल्याने पहिल्या गरजेशी संघर्ष होईल. एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानाच्या विकासाने या समस्येचे यशस्वीरित्या निराकरण केले. उपाय म्हणजे कमी-प्रतिरोधक सब्सट्रेटवर उच्च प्रतिरोधक एपिटॅक्सियल थर वाढवणे. ट्रान्झिस्टरच्या उच्च ब्रेकडाउन व्होल्टेजची खात्री करून उपकरण एपिटॅक्सियल लेयरवर तयार केले जाते, तर कमी-प्रतिरोधक सब्सट्रेट बेस रेझिस्टन्स कमी करते आणि संपृक्त व्होल्टेज कमी करते, दोन आवश्यकतांमधील विरोधाभास सोडवते.

याव्यतिरिक्त, III-V आणि II-VI कंपाऊंड सेमीकंडक्टर जसे की GaAs, GaN, आणि इतरांसाठी एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान, ज्यात बाष्प फेज आणि लिक्विड फेज एपिटॅक्सीचा समावेश आहे, लक्षणीय प्रगती पाहिली आहे. अनेक मायक्रोवेव्ह, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक आणि पॉवर उपकरणांच्या निर्मितीसाठी हे तंत्रज्ञान आवश्यक झाले आहे. विशेषतः, मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सी (MBE) आणि मेटल-ऑर्गेनिक केमिकल वाष्प डिपॉझिशन (MOCVD) सारखी तंत्रे पातळ थर, सुपरलॅटिसेस, क्वांटम वेल्स, स्ट्रेन्ड सुपरलॅटिसेस आणि अणु-स्केल पातळ एपिटॅक्सियल लेयर्सवर यशस्वीरित्या लागू केली गेली आहेत, मजबूत पाया घालण्यासाठी. नवीन सेमीकंडक्टर फील्डचा विकास जसे की "बँड अभियांत्रिकी."

व्यावहारिक ऍप्लिकेशन्समध्ये, बहुतेक वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टर उपकरणे एपिटॅक्सियल स्तरांवर तयार केली जातात, ज्यामध्ये सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) सारखी सामग्री केवळ सब्सट्रेट्स म्हणून वापरली जाते. त्यामुळे, वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टर उद्योगात एपिटॅक्सियल लेयर नियंत्रित करणे हा एक महत्त्वाचा घटक आहे.

एपिटॅक्सी तंत्रज्ञान: सात प्रमुख वैशिष्ट्ये

1. एपिटॅक्सी कमी (किंवा उच्च) प्रतिरोधक सब्सट्रेटवर उच्च (किंवा कमी) प्रतिरोधक स्तर वाढू शकते.

2. Epitaxy P (किंवा N) प्रकारच्या सब्सट्रेटवर N (किंवा P) प्रकारातील एपिटॅक्सियल लेयरच्या वाढीस अनुमती देते, एकल क्रिस्टल सब्सट्रेटवर PN जंक्शन तयार करण्यासाठी डिफ्यूजन वापरताना उद्भवणाऱ्या नुकसानभरपाईच्या समस्यांशिवाय थेट PN जंक्शन तयार करते.

3. मास्क तंत्रज्ञानासह एकत्रित केल्यावर, विशिष्ट क्षेत्रांमध्ये निवडक एपिटॅक्सियल वाढ केली जाऊ शकते, ज्यामुळे एकात्मिक सर्किट्स आणि विशेष संरचना असलेल्या उपकरणांचे फॅब्रिकेशन सक्षम होते.

4. एपिटॅक्सियल वाढ डोपिंग प्रकार आणि एकाग्रता नियंत्रित करण्यास परवानगी देते, एकाग्रतेमध्ये अचानक किंवा हळूहळू बदल साध्य करण्याच्या क्षमतेसह.

5. एपिटॅक्सी विषम, बहुस्तरीय, बहु-घटक संयुगे ज्यामध्ये अति-पातळ थरांचा समावेश होतो, परिवर्तनीय रचनांसह वाढू शकते.

6. एपिटॅक्सियल वाढ सामग्रीच्या वितळण्याच्या बिंदूपेक्षा कमी तापमानात होऊ शकते, नियंत्रित वाढीच्या दरासह, ज्यामुळे थर जाडीमध्ये अणू-स्तरीय अचूकता येते.

7. Epitaxy मटेरियलच्या सिंगल क्रिस्टल लेयरची वाढ करण्यास सक्षम करते जे क्रिस्टल्समध्ये खेचले जाऊ शकत नाही, जसे की GaN आणि टर्नरी/क्वाटरनरी कंपाऊंड सेमीकंडक्टर.

विविध एपिटॅक्सियल लेयर्स आणि एपिटॅक्सियल प्रक्रिया

सारांश, एपिटॅक्सियल लेयर बल्क सब्सट्रेट्सपेक्षा अधिक सहज नियंत्रित आणि परिपूर्ण क्रिस्टल रचना देतात, जे प्रगत सामग्रीच्या विकासासाठी फायदेशीर आहे.