এপিট্যাক্সিয়াল স্তরগুলি কীভাবে অর্ধপরিবাহী ডিভাইসগুলিকে সাহায্য করে?

এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফার নামের উৎপত্তি

প্রথমে, আসুন একটি ছোট ধারণা জনপ্রিয় করি: ওয়েফার প্রস্তুতির মধ্যে দুটি প্রধান লিঙ্ক রয়েছে: সাবস্ট্রেট প্রস্তুতি এবং এপিট্যাক্সিয়াল প্রক্রিয়া। সাবস্ট্রেট হল সেমিকন্ডাক্টর একক স্ফটিক উপাদান দিয়ে তৈরি একটি ওয়েফার। সাবস্ট্রেটটি সরাসরি ওয়েফার উৎপাদন প্রক্রিয়ায় প্রবেশ করে সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস তৈরি করতে পারে, অথবা এপিট্যাক্সিয়াল প্রক্রিয়া দ্বারা প্রক্রিয়াজাত করে এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফার তৈরি করা যেতে পারে। এপিট্যাক্সি বলতে একক স্ফটিক সাবস্ট্রেটে একক স্ফটিকের একটি নতুন স্তর বৃদ্ধির প্রক্রিয়া বোঝায় যা সাবধানে কাটা, গ্রাইন্ডিং, পলিশিং ইত্যাদির মাধ্যমে প্রক্রিয়াজাত করা হয়েছে। নতুন একক স্ফটিকটি সাবস্ট্রেটের মতো একই উপাদান হতে পারে, অথবা এটি একটি ভিন্ন উপাদান (একজাত) এপিট্যাক্সি বা হেটেরোএপিট্যাক্সি হতে পারে)। যেহেতু নতুন একক স্ফটিক স্তরটি সাবস্ট্রেটের স্ফটিক পর্যায় অনুসারে প্রসারিত এবং বৃদ্ধি পায়, তাই এটিকে এপিট্যাক্সিয়াল স্তর বলা হয় (বেধ সাধারণত কয়েক মাইক্রন হয়, উদাহরণস্বরূপ সিলিকনকে নেওয়া হয়: সিলিকন এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধির অর্থ একটি নির্দিষ্ট স্ফটিক অভিযোজন সহ একটি সিলিকন একক স্ফটিক সাবস্ট্রেটের উপর। ভাল জালি কাঠামোর অখণ্ডতা এবং বিভিন্ন প্রতিরোধ ক্ষমতা এবং বেধ সহ স্ফটিকের একটি স্তর যার স্ফটিক অভিযোজন একই স্তরে বৃদ্ধি পায়), এবং এপিট্যাক্সিয়াল স্তর সহ সাবস্ট্রেটকে এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফার বলা হয় (এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফার = এপিট্যাক্সিয়াল স্তর + সাবস্ট্রেট)। যখন ডিভাইসটি এপিট্যাক্সিয়াল স্তরে তৈরি করা হয়, তখন এটিকে পজিটিভ এপিট্যাক্সি বলা হয়। যদি ডিভাইসটি সাবস্ট্রেটের উপর তৈরি করা হয়, তবে এটিকে বিপরীত এপিট্যাক্সি বলা হয়। এই সময়ে, এপিট্যাক্সিয়াল স্তরটি কেবল একটি সহায়ক ভূমিকা পালন করে।

পালিশ করা ওয়েফার

এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধির পদ্ধতি

মলিকুলার বিম এপিট্যাক্সি (MBE): এটি একটি সেমিকন্ডাক্টর এপিট্যাক্সিয়াল গ্রোথ টেকনোলজি যা অতি-উচ্চ ভ্যাকুয়াম অবস্থার অধীনে সম্পাদিত হয়। এই কৌশলে, উৎস উপাদানগুলিকে পরমাণু বা অণুর রশ্মির আকারে বাষ্পীভূত করা হয় এবং তারপর একটি স্ফটিক স্তরে জমা করা হয়। MBE হল একটি অত্যন্ত সুনির্দিষ্ট এবং নিয়ন্ত্রণযোগ্য সেমিকন্ডাক্টর থিন ফিল্ম গ্রোথ টেকনোলজি যা পারমাণবিক স্তরে জমা হওয়া উপাদানের পুরুত্বকে সঠিকভাবে নিয়ন্ত্রণ করতে পারে।
ধাতব জৈব CVD (MOCVD): MOCVD প্রক্রিয়ায়, প্রয়োজনীয় উপাদান ধারণকারী জৈব ধাতু এবং হাইড্রাইড গ্যাস N গ্যাস উপযুক্ত তাপমাত্রায় সাবস্ট্রেটে সরবরাহ করা হয়, প্রয়োজনীয় অর্ধপরিবাহী উপাদান তৈরির জন্য একটি রাসায়নিক বিক্রিয়া করা হয় এবং সাবস্ট্রেটে জমা হয়, যখন অবশিষ্ট যৌগ এবং বিক্রিয়া পণ্যগুলি নির্গত হয়।
বাষ্প পর্যায় এপিট্যাক্সি (VPE): বাষ্প পর্যায় এপিট্যাক্সি হল একটি গুরুত্বপূর্ণ প্রযুক্তি যা সাধারণত অর্ধপরিবাহী যন্ত্র তৈরিতে ব্যবহৃত হয়। এর মূল নীতি হল একটি বাহক গ্যাসে মৌলিক পদার্থ বা যৌগের বাষ্প পরিবহন করা এবং রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে স্তরে স্ফটিক জমা করা।

এপিট্যাক্সি প্রক্রিয়া কোন সমস্যার সমাধান করে?

শুধুমাত্র বাল্ক সিঙ্গেল ক্রিস্টাল উপকরণ বিভিন্ন সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস তৈরির ক্রমবর্ধমান চাহিদা পূরণ করতে পারে না। অতএব, এপিট্যাক্সিয়াল গ্রোথ, একটি পাতলা-স্তরযুক্ত সিঙ্গেল ক্রিস্টাল ম্যাটেরিয়াল গ্রোথ প্রযুক্তি, 1959 সালের শেষের দিকে তৈরি করা হয়েছিল। তাহলে উপকরণের অগ্রগতিতে এপিট্যাক্সি প্রযুক্তির কোন নির্দিষ্ট অবদান রয়েছে?

সিলিকনের ক্ষেত্রে, যখন সিলিকন এপিট্যাক্সিয়াল গ্রোথ টেকনোলজি শুরু হয়েছিল, তখন সিলিকন উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি এবং উচ্চ-ক্ষমতার ট্রানজিস্টর উৎপাদনের জন্য এটি সত্যিই একটি কঠিন সময় ছিল। ট্রানজিস্টরের নীতির দৃষ্টিকোণ থেকে, উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি এবং উচ্চ শক্তি অর্জনের জন্য, সংগ্রাহক এলাকার ব্রেকডাউন ভোল্টেজ উচ্চ এবং সিরিজ প্রতিরোধ ক্ষমতা ছোট হতে হবে, অর্থাৎ, স্যাচুরেশন ভোল্টেজ ড্রপ ছোট হতে হবে। প্রথমটির জন্য সংগ্রহকারী এলাকার উপাদানের প্রতিরোধ ক্ষমতা বেশি হওয়া প্রয়োজন, অন্যদিকে দ্বিতীয়টির জন্য সংগ্রহকারী এলাকার উপাদানের প্রতিরোধ ক্ষমতা কম হওয়া প্রয়োজন। দুটি প্রদেশ একে অপরের সাথে বিরোধপূর্ণ। যদি সংগ্রাহক এলাকায় উপাদানের পুরুত্ব সিরিজ প্রতিরোধ ক্ষমতা কমাতে কমানো হয়, তাহলে সিলিকন ওয়েফার প্রক্রিয়াজাতকরণের জন্য খুব পাতলা এবং ভঙ্গুর হয়ে যাবে। যদি উপাদানের প্রতিরোধ ক্ষমতা কমানো হয়, তাহলে এটি প্রথম প্রয়োজনীয়তার বিরোধিতা করবে। তবে, এপিট্যাক্সিয়াল প্রযুক্তির বিকাশ সফল হয়েছে। এই অসুবিধা সমাধান করেছে।

সমাধান: অত্যন্ত কম-প্রতিরোধী সাবস্ট্রেটে একটি উচ্চ-প্রতিরোধী এপিট্যাক্সিয়াল স্তর তৈরি করুন এবং এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের উপর ডিভাইসটি তৈরি করুন। এই উচ্চ-প্রতিরোধী এপিট্যাক্সিয়াল স্তরটি নিশ্চিত করে যে টিউবটিতে উচ্চ ব্রেকডাউন ভোল্টেজ রয়েছে, অন্যদিকে কম-প্রতিরোধী সাবস্ট্রেট এটি সাবস্ট্রেটের প্রতিরোধ ক্ষমতাও হ্রাস করে, যার ফলে স্যাচুরেশন ভোল্টেজ ড্রপ হ্রাস পায়, যার ফলে উভয়ের মধ্যে দ্বন্দ্ব সমাধান হয়।

এছাড়াও, GaAs এবং অন্যান্য III-V, II-VI এবং অন্যান্য আণবিক যৌগিক অর্ধপরিবাহী পদার্থের বাষ্প পর্যায়ের এপিট্যাক্সি এবং তরল পর্যায়ের এপিট্যাক্সির মতো এপিট্যাক্সি প্রযুক্তিগুলিও ব্যাপকভাবে বিকশিত হয়েছে এবং বেশিরভাগ মাইক্রোওয়েভ ডিভাইস, অপটোইলেক্ট্রনিক ডিভাইস, পাওয়ারের ভিত্তি হয়ে উঠেছে। এটি ডিভাইস উৎপাদনের জন্য একটি অপরিহার্য প্রক্রিয়া প্রযুক্তি, বিশেষ করে পাতলা স্তর, সুপারল্যাটিক্স, কোয়ান্টাম ওয়েল, স্ট্রেইনড সুপারল্যাটিক্স এবং পারমাণবিক-স্তরের পাতলা-স্তর এপিট্যাক্সিতে আণবিক রশ্মি এবং ধাতব জৈব বাষ্প পর্যায়ের এপিট্যাক্সি প্রযুক্তির সফল প্রয়োগ, যা সেমিকন্ডাক্টর গবেষণার একটি নতুন পদক্ষেপ। ক্ষেত্রে "শক্তি বেল্ট ইঞ্জিনিয়ারিং" এর বিকাশ একটি শক্ত ভিত্তি স্থাপন করেছে।

ব্যবহারিক প্রয়োগে, প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসগুলি প্রায় সবসময় এপিট্যাক্সিয়াল স্তরে তৈরি করা হয় এবং সিলিকন কার্বাইড ওয়েফার নিজেই কেবল সাবস্ট্রেট হিসাবে কাজ করে। অতএব, এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের নিয়ন্ত্রণ প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর শিল্পের একটি গুরুত্বপূর্ণ অংশ।

এপিট্যাক্সি প্রযুক্তিতে ৭টি প্রধান দক্ষতা

১. উচ্চ (নিম্ন) প্রতিরোধী এপিট্যাক্সিয়াল স্তরগুলি এপিট্যাক্সিক্যালি কম (উচ্চ) প্রতিরোধী স্তরগুলিতে জন্মানো যেতে পারে।
২. N (P) টাইপের এপিট্যাক্সিয়াল স্তরটি P (N) টাইপ সাবস্ট্রেটে এপিট্যাক্সিক্যালি বৃদ্ধি করে সরাসরি একটি PN জংশন তৈরি করা যেতে পারে। একক স্ফটিক সাবস্ট্রেটে PN জংশন তৈরি করার জন্য ডিফিউশন পদ্ধতি ব্যবহার করার সময় কোনও ক্ষতিপূরণ সমস্যা হয় না।
৩. মাস্ক প্রযুক্তির সাথে মিলিত হয়ে, নির্দিষ্ট এলাকায় নির্বাচনী এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধি করা হয়, যা বিশেষ কাঠামো সহ সমন্বিত সার্কিট এবং ডিভাইস তৈরির জন্য পরিস্থিতি তৈরি করে।
৪. এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধি প্রক্রিয়ার সময় প্রয়োজন অনুসারে ডোপিংয়ের ধরণ এবং ঘনত্ব পরিবর্তন করা যেতে পারে। ঘনত্বের পরিবর্তন হঠাৎ পরিবর্তন বা ধীর পরিবর্তন হতে পারে।
৫. এটি ভিন্নধর্মী, বহু-স্তরযুক্ত, বহু-উপাদান যৌগ এবং পরিবর্তনশীল উপাদান সহ অতি-পাতলা স্তর বৃদ্ধি করতে পারে।
৬. এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধি উপাদানের গলনাঙ্কের চেয়ে কম তাপমাত্রায় করা যেতে পারে, বৃদ্ধির হার নিয়ন্ত্রণযোগ্য এবং পারমাণবিক-স্তরের পুরুত্বের এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধি অর্জন করা যেতে পারে।
৭. এটি একক স্ফটিক পদার্থ জন্মাতে পারে যা টানা যায় না, যেমন GaN, তৃতীয় এবং চতুর্মুখী যৌগের একক স্ফটিক স্তর ইত্যাদি।