एपिटैक्सियल परतें अर्धचालक उपकरणों की कैसे मदद करती हैं?

एपिटैक्सियल वेफर नाम की उत्पत्ति

सबसे पहले, आइए एक छोटी अवधारणा को लोकप्रिय बनाएं: वेफर तैयारी में दो प्रमुख लिंक शामिल हैं: सब्सट्रेट तैयारी और एपिटैक्सियल प्रक्रिया। सब्सट्रेट अर्धचालक एकल क्रिस्टल सामग्री से बना एक वेफर है। अर्धचालक उपकरणों का उत्पादन करने के लिए सब्सट्रेट सीधे वेफर निर्माण प्रक्रिया में प्रवेश कर सकता है, या इसे एपिटैक्सियल वेफर्स का उत्पादन करने के लिए एपिटैक्सियल प्रक्रियाओं द्वारा संसाधित किया जा सकता है। एपिटैक्सी एक एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट पर एकल क्रिस्टल की एक नई परत उगाने की प्रक्रिया को संदर्भित करता है जिसे काटने, पीसने, पॉलिश करने आदि द्वारा सावधानीपूर्वक संसाधित किया गया है। नया एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट के समान सामग्री हो सकता है, या यह एक हो सकता है विभिन्न सामग्री (सजातीय) एपिटैक्सी या हेटेरोएपिटैक्सी)। क्योंकि नई एकल क्रिस्टल परत सब्सट्रेट के क्रिस्टल चरण के अनुसार फैलती और बढ़ती है, इसे एपिटैक्सियल परत कहा जाता है (मोटाई आमतौर पर कुछ माइक्रोन होती है, सिलिकॉन को उदाहरण के रूप में लेते हुए: सिलिकॉन एपिटैक्सियल वृद्धि का अर्थ सिलिकॉन सिंगल पर होता है) एक निश्चित क्रिस्टल अभिविन्यास के साथ क्रिस्टल सब्सट्रेट, अच्छी जाली संरचना अखंडता और सब्सट्रेट के बढ़ने के समान क्रिस्टल अभिविन्यास के साथ अलग-अलग प्रतिरोधकता और मोटाई के साथ क्रिस्टल की एक परत), और एपिटैक्सियल परत वाले सब्सट्रेट को कहा जाता है एपिटैक्सियल वेफर (एपिटैक्सियल वेफर = एपिटैक्सियल परत + सब्सट्रेट)। जब उपकरण एपिटैक्सियल परत पर बनाया जाता है, तो इसे सकारात्मक एपिटैक्सि कहा जाता है। यदि उपकरण सब्सट्रेट पर बना है, तो इसे रिवर्स एपिटेक्सी कहा जाता है। इस समय, एपीटैक्सियल परत केवल सहायक भूमिका निभाती है।

पॉलिश किया हुआ वेफर

एपीटैक्सियल वृद्धि के तरीके

आणविक बीम एपिटेक्सी (एमबीई): यह एक अर्धचालक एपिटैक्सियल विकास तकनीक है जो अल्ट्रा-हाई वैक्यूम स्थितियों के तहत की जाती है। इस तकनीक में, स्रोत सामग्री को परमाणुओं या अणुओं के बीम के रूप में वाष्पित किया जाता है और फिर एक क्रिस्टलीय सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है। एमबीई एक बहुत ही सटीक और नियंत्रणीय अर्धचालक पतली फिल्म विकास तकनीक है जो परमाणु स्तर पर जमा सामग्री की मोटाई को सटीक रूप से नियंत्रित कर सकती है।
धातु कार्बनिक सीवीडी (एमओसीवीडी): एमओसीवीडी प्रक्रिया में, आवश्यक तत्वों से युक्त कार्बनिक धातु और हाइड्राइड गैस एन गैस को उचित तापमान पर सब्सट्रेट में आपूर्ति की जाती है, आवश्यक अर्धचालक सामग्री उत्पन्न करने के लिए रासायनिक प्रतिक्रिया से गुजरना पड़ता है, और सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है पर, जबकि शेष यौगिकों और प्रतिक्रिया उत्पादों को छुट्टी दे दी जाती है।
वाष्प चरण एपिटैक्सी (वीपीई): वाष्प चरण एपिटैक्सी एक महत्वपूर्ण तकनीक है जिसका उपयोग आमतौर पर अर्धचालक उपकरणों के उत्पादन में किया जाता है। मूल सिद्धांत एक वाहक गैस में मौलिक पदार्थों या यौगिकों के वाष्प को परिवहन करना और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से सब्सट्रेट पर क्रिस्टल जमा करना है।

एपिटेक्सी प्रक्रिया किन समस्याओं का समाधान करती है?

केवल थोक एकल क्रिस्टल सामग्री विभिन्न अर्धचालक उपकरणों के निर्माण की बढ़ती जरूरतों को पूरा नहीं कर सकती है। इसलिए, एपीटैक्सियल ग्रोथ, एक पतली परत वाली एकल क्रिस्टल सामग्री विकास तकनीक, 1959 के अंत में विकसित की गई थी। तो सामग्री की उन्नति में एपिटैक्सियल तकनीक का क्या विशिष्ट योगदान है?

सिलिकॉन के लिए, जब सिलिकॉन एपिटैक्सियल विकास तकनीक शुरू हुई, तो सिलिकॉन उच्च-आवृत्ति और उच्च-शक्ति ट्रांजिस्टर के उत्पादन के लिए यह वास्तव में एक कठिन समय था। ट्रांजिस्टर सिद्धांतों के दृष्टिकोण से, उच्च आवृत्ति और उच्च शक्ति प्राप्त करने के लिए, कलेक्टर क्षेत्र का ब्रेकडाउन वोल्टेज उच्च होना चाहिए और श्रृंखला प्रतिरोध छोटा होना चाहिए, यानी संतृप्ति वोल्टेज ड्रॉप छोटा होना चाहिए। पहले के लिए आवश्यक है कि संग्रहण क्षेत्र में सामग्री की प्रतिरोधकता अधिक होनी चाहिए, जबकि दूसरे के लिए आवश्यक है कि संग्रहण क्षेत्र में सामग्री की प्रतिरोधकता कम हो। दोनों प्रांत एक-दूसरे के विरोधाभासी हैं। यदि श्रृंखला प्रतिरोध को कम करने के लिए कलेक्टर क्षेत्र में सामग्री की मोटाई कम कर दी जाती है, तो सिलिकॉन वेफर संसाधित होने के लिए बहुत पतला और नाजुक होगा। यदि सामग्री की प्रतिरोधकता कम हो जाती है, तो यह पहली आवश्यकता के विपरीत होगी। हालाँकि, एपिटैक्सियल तकनीक का विकास सफल रहा है। इस कठिनाई को हल किया.

समाधान: अत्यंत कम प्रतिरोध वाले सब्सट्रेट पर एक उच्च-प्रतिरोधकता एपिटैक्सियल परत विकसित करें, और डिवाइस को एपिटैक्सियल परत पर बनाएं। यह उच्च-प्रतिरोधकता एपिटैक्सियल परत सुनिश्चित करती है कि ट्यूब में उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज है, जबकि कम-प्रतिरोध सब्सट्रेट यह सब्सट्रेट के प्रतिरोध को भी कम करता है, जिससे संतृप्ति वोल्टेज ड्रॉप कम हो जाता है, जिससे दोनों के बीच विरोधाभास का समाधान होता है।

इसके अलावा, GaAs और अन्य III-V, II-VI और अन्य आणविक यौगिक अर्धचालक सामग्रियों की वाष्प चरण एपिटैक्सी और तरल चरण एपिटैक्सी जैसी एपिटैक्सी प्रौद्योगिकियां भी काफी विकसित हुई हैं और अधिकांश माइक्रोवेव उपकरणों, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, बिजली के लिए आधार बन गई हैं। यह उपकरणों के उत्पादन के लिए एक अनिवार्य प्रक्रिया प्रौद्योगिकी है, विशेष रूप से पतली परतों, सुपरलैटिस, क्वांटम कुओं, तनावपूर्ण सुपरलैटिस और में आणविक बीम और धातु कार्बनिक वाष्प चरण एपिटैक्सी प्रौद्योगिकी के सफल अनुप्रयोग के लिए। परमाणु-स्तर की पतली-परत एपिटैक्सी, जो अर्धचालक अनुसंधान में एक नया कदम है। क्षेत्र में "ऊर्जा बेल्ट इंजीनियरिंग" के विकास ने एक ठोस नींव रखी है।

व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, विस्तृत बैंडगैप सेमीकंडक्टर उपकरण लगभग हमेशा एपिटैक्सियल परत पर बनाए जाते हैं, और सिलिकॉन कार्बाइड वेफर ही सब्सट्रेट के रूप में कार्य करता है। इसलिए, एपिटैक्सियल परत का नियंत्रण वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर उद्योग का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है।

एपिटेक्सी प्रौद्योगिकी में 7 प्रमुख कौशल

1. उच्च (निम्न) प्रतिरोध एपिटैक्सियल परतों को कम (उच्च) प्रतिरोध सब्सट्रेट्स पर एपिटैक्सियल रूप से उगाया जा सकता है।
2. एन (पी) प्रकार की एपिटैक्सियल परत को सीधे पीएन जंक्शन बनाने के लिए पी (एन) प्रकार के सब्सट्रेट पर एपिटैक्सियल रूप से विकसित किया जा सकता है। एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट पर पीएन जंक्शन बनाने के लिए प्रसार विधि का उपयोग करते समय कोई क्षतिपूर्ति समस्या नहीं होती है।
3. मास्क प्रौद्योगिकी के साथ मिलकर, निर्दिष्ट क्षेत्रों में चयनात्मक एपिटैक्सियल विकास किया जाता है, जिससे विशेष संरचनाओं वाले एकीकृत सर्किट और उपकरणों के उत्पादन के लिए स्थितियां बनती हैं।
4. एपिटैक्सियल विकास प्रक्रिया के दौरान डोपिंग के प्रकार और एकाग्रता को जरूरतों के अनुसार बदला जा सकता है। एकाग्रता में परिवर्तन अचानक परिवर्तन या धीमी गति से परिवर्तन हो सकता है।
5. यह विषम, बहुस्तरीय, बहु-घटक यौगिकों और परिवर्तनशील घटकों के साथ अति पतली परतों को विकसित कर सकता है।
6. एपिटैक्सियल वृद्धि सामग्री के पिघलने बिंदु से कम तापमान पर की जा सकती है, विकास दर नियंत्रणीय है, और परमाणु-स्तर की मोटाई की एपिटैक्सियल वृद्धि प्राप्त की जा सकती है।
7. यह एकल क्रिस्टल सामग्री विकसित कर सकता है जिसे खींचा नहीं जा सकता, जैसे कि GaN, तृतीयक और चतुर्धातुक यौगिकों की एकल क्रिस्टल परतें, आदि।