এপিট্যাক্সিয়াল স্তরগুলো কীভাবে সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসকে সাহায্য করে?

এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফার নামের উৎপত্তি

প্রথমে, একটি ছোট ধারণা সহজ করে নেওয়া যাক: ওয়েফার প্রস্তুতির দুটি প্রধান ধাপ রয়েছে: সাবস্ট্রেট প্রস্তুতি এবং এপিট্যাক্সিয়াল প্রক্রিয়া। সাবস্ট্রেট হলো সেমিকন্ডাক্টর একক স্ফটিক উপাদান দিয়ে তৈরি একটি ওয়েফার। সাবস্ট্রেটটি সরাসরি ওয়েফার উৎপাদন প্রক্রিয়ায় প্রবেশ করে সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস তৈরি করতে পারে, অথবা এপিট্যাক্সিয়াল প্রক্রিয়ার মাধ্যমে এটিকে প্রক্রিয়াজাত করে এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফার তৈরি করা যায়। এপিট্যাক্সি বলতে এমন একটি প্রক্রিয়াকে বোঝায় যেখানে কাটা, ঘষা, পালিশ করা ইত্যাদির মাধ্যমে যত্নসহকারে প্রক্রিয়াজাত করা একটি একক স্ফটিক সাবস্ট্রেটের উপর একক স্ফটিকের একটি নতুন স্তর তৈরি করা হয়। নতুন একক স্ফটিকটি সাবস্ট্রেটের মতোই একই উপাদানের হতে পারে, অথবা এটি একটি ভিন্ন উপাদানও হতে পারে (হোমোজেনাস এপিট্যাক্সি বা হেটেরোএপিট্যাক্সি)। যেহেতু নতুন একক স্ফটিক স্তরটি সাবস্ট্রেটের স্ফটিক দশা অনুসারে প্রসারিত ও বৃদ্ধি পায়, তাই একে এপিট্যাক্সিয়াল স্তর বলা হয় (এর পুরুত্ব সাধারণত কয়েক মাইক্রন হয়, উদাহরণস্বরূপ সিলিকনের কথা বলা যায়: সিলিকন এপিট্যাক্সিয়াল গ্রোথের অর্থ হলো একটি নির্দিষ্ট স্ফটিক অভিমুখীকরণসহ সিলিকন একক স্ফটিক সাবস্ট্রেটের উপর ভালো ল্যাটিস কাঠামোগত অখণ্ডতা এবং ভিন্ন রোধ ও পুরুত্বসহ সাবস্ট্রেটের মতো একই স্ফটিক অভিমুখীকরণের একটি স্তর তৈরি করা), এবং এপিট্যাক্সিয়াল স্তরসহ সাবস্ট্রেটটিকে এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফার বলা হয় (এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফার = এপিট্যাক্সিয়াল স্তর + সাবস্ট্রেট)। যখন ডিভাইসটি এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের উপর তৈরি করা হয়, তখন একে পজিটিভ এপিট্যাক্সি বলা হয়। যদি ডিভাইসটি সাবস্ট্রেটের উপর তৈরি করা হয়, তবে একে রিভার্স এপিট্যাক্সি বলা হয়। এই সময়ে, এপিট্যাক্সিয়াল স্তরটি কেবল একটি সহায়ক ভূমিকা পালন করে।

পালিশ করা ওয়েফার

এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধির পদ্ধতি

আণবিক রশ্মি এপিট্যাক্সি (MBE): এটি একটি সেমিকন্ডাক্টর এপিট্যাক্সিয়াল গ্রোথ প্রযুক্তি যা অতি-উচ্চ ভ্যাকুয়াম পরিস্থিতিতে সম্পাদিত হয়। এই পদ্ধতিতে, উৎস উপাদানকে পরমাণু বা অণুর রশ্মি আকারে বাষ্পীভূত করা হয় এবং তারপর একটি স্ফটিক সাবস্ট্রেটের উপর জমা করা হয়। MBE একটি অত্যন্ত নির্ভুল এবং নিয়ন্ত্রণযোগ্য সেমিকন্ডাক্টর পাতলা ফিল্ম গ্রোথ প্রযুক্তি যা পারমাণবিক স্তরে জমা হওয়া উপাদানের পুরুত্বকে নির্ভুলভাবে নিয়ন্ত্রণ করতে পারে।
মেটাল অর্গানিক সিভিডি (এমওসিভিডি): এমওসিভিডি প্রক্রিয়ায়, উপযুক্ত তাপমাত্রায় সাবস্ট্রেটে জৈব ধাতু এবং প্রয়োজনীয় উপাদানযুক্ত হাইড্রাইড গ্যাস (N₂) সরবরাহ করা হয়। এগুলোর মধ্যে রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে প্রয়োজনীয় সেমিকন্ডাক্টর উপাদান তৈরি হয় এবং তা সাবস্ট্রেটের উপর জমা হয়। একই সাথে, অবশিষ্ট যৌগ এবং বিক্রিয়াজাত পদার্থগুলো নিষ্কাশিত হয়ে যায়।
ভেপার ফেজ এপিট্যাক্সি (VPE): ভেপার ফেজ এপিট্যাক্সি হলো সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস উৎপাদনে বহুল ব্যবহৃত একটি গুরুত্বপূর্ণ প্রযুক্তি। এর মূল নীতি হলো, বাহক গ্যাসের মাধ্যমে মৌলিক পদার্থ বা যৌগের বাষ্প পরিবহন করে রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে সাবস্ট্রেটের উপর ক্রিস্টাল জমা করা।

এপিট্যাক্সি প্রক্রিয়া কোন সমস্যাগুলো সমাধান করে?

শুধুমাত্র বৃহৎ একক স্ফটিক উপাদান বিভিন্ন সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস তৈরির ক্রমবর্ধমান চাহিদা মেটাতে পারে না। তাই, ১৯৫৯ সালের শেষের দিকে এপিট্যাক্সিয়াল গ্রোথ, যা একটি পাতলা-স্তর বিশিষ্ট একক স্ফটিক উপাদান তৈরির প্রযুক্তি, উদ্ভাবন করা হয়েছিল। তাহলে, পদার্থের অগ্রগতিতে এপিট্যাক্সি প্রযুক্তির সুনির্দিষ্ট অবদান কী?

সিলিকনের ক্ষেত্রে, যখন সিলিকন এপিটেক্সিয়াল গ্রোথ প্রযুক্তি শুরু হয়েছিল, তখন সিলিকন উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি এবং উচ্চ-ক্ষমতার ট্রানজিস্টর উৎপাদনের জন্য এটি সত্যিই একটি কঠিন সময় ছিল। ট্রানজিস্টরের মূলনীতির দৃষ্টিকোণ থেকে, উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি এবং উচ্চ ক্ষমতা পেতে হলে, কালেক্টর অঞ্চলের ব্রেকডাউন ভোল্টেজ অবশ্যই উচ্চ হতে হবে এবং সিরিজ রেজিস্ট্যান্স অবশ্যই কম হতে হবে, অর্থাৎ, স্যাচুরেশন ভোল্টেজ ড্রপ অবশ্যই কম হতে হবে। প্রথমটির জন্য প্রয়োজন যে কালেক্টর অঞ্চলের উপাদানের রোধাঙ্ক উচ্চ হবে, অন্যদিকে দ্বিতীয়টির জন্য প্রয়োজন যে কালেক্টর অঞ্চলের উপাদানের রোধাঙ্ক কম হবে। এই দুটি দিক পরস্পরবিরোধী। যদি সিরিজ রেজিস্ট্যান্স কমানোর জন্য কালেক্টর অঞ্চলের উপাদানের পুরুত্ব কমানো হয়, তবে সিলিকন ওয়েফারটি প্রক্রিয়াকরণের জন্য খুব পাতলা এবং ভঙ্গুর হয়ে যাবে। যদি উপাদানের রোধাঙ্ক কমানো হয়, তবে এটি প্রথম শর্তটির সাথে সাংঘর্ষিক হবে। তবে, এপিটেক্সিয়াল প্রযুক্তির বিকাশ এই অসুবিধাটি সফলভাবে সমাধান করেছে।

সমাধান: অত্যন্ত কম রোধের সাবস্ট্রেটের উপর একটি উচ্চ রোধের এপিটেক্সিয়াল স্তর তৈরি করুন এবং সেই এপিটেক্সিয়াল স্তরের উপরে ডিভাইসটি তৈরি করুন। এই উচ্চ রোধের এপিটেক্সিয়াল স্তরটি টিউবের উচ্চ ব্রেকডাউন ভোল্টেজ নিশ্চিত করে, অন্যদিকে কম রোধের সাবস্ট্রেটটি সাবস্ট্রেটের রোধও কমিয়ে দেয়, যার ফলে স্যাচুরেশন ভোল্টেজ ড্রপ হ্রাস পায় এবং এর মাধ্যমে উভয়ের মধ্যকার দ্বন্দ্বের সমাধান হয়।

এছাড়াও, GaAs এবং অন্যান্য III-V, II-VI ও অন্যান্য আণবিক যৌগ সেমিকন্ডাক্টর পদার্থের ভেপার ফেজ এপিট্যাক্সি এবং লিকুইড ফেজ এপিট্যাক্সির মতো এপিট্যাক্সি প্রযুক্তিগুলোও ব্যাপকভাবে বিকশিত হয়েছে এবং বেশিরভাগ মাইক্রোওয়েভ ডিভাইস, অপটোইলেকট্রনিক ডিভাইস, পাওয়ার ডিভাইস উৎপাদনের ভিত্তি হয়ে উঠেছে। এটি একটি অপরিহার্য প্রক্রিয়া প্রযুক্তি, বিশেষ করে থিন লেয়ার, সুপারল্যাটিস, কোয়ান্টাম ওয়েল, স্ট্রেইনড সুপারল্যাটিস এবং পারমাণবিক-স্তরের থিন-লেয়ার এপিট্যাক্সিতে মলিকুলার বিম এবং মেটাল অর্গানিক ভেপার ফেজ এপিট্যাক্সি প্রযুক্তির সফল প্রয়োগ সেমিকন্ডাক্টর গবেষণায় একটি নতুন পদক্ষেপ। এই ক্ষেত্রে “এনার্জি বেল্ট ইঞ্জিনিয়ারিং”-এর বিকাশ একটি দৃঢ় ভিত্তি স্থাপন করেছে।

ব্যবহারিক প্রয়োগে, প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসগুলো প্রায় সবসময়ই এপিথেক্সিয়াল স্তরের উপর তৈরি করা হয় এবং সিলিকন কার্বাইড ওয়েফারটি শুধুমাত্র সাবস্ট্রেট হিসেবে কাজ করে। তাই, এপিথেক্সিয়াল স্তরের নিয়ন্ত্রণ প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর শিল্পের একটি গুরুত্বপূর্ণ অংশ।

এপিট্যাক্সি প্রযুক্তিতে ৭টি প্রধান দক্ষতা

১. কম (বেশি) রোধের সাবস্ট্রেটের উপর বেশি (কম) রোধের এপিট্যাক্সিয়াল স্তর তৈরি করা যেতে পারে।
২. সরাসরি পিএন জংশন গঠনের জন্য পি(এন) টাইপ সাবস্ট্রেটের উপর এন(পি) টাইপ এপিট্যাক্সিয়াল স্তর বৃদ্ধি করা যেতে পারে। একক ক্রিস্টাল সাবস্ট্রেটের উপর পিএন জংশন তৈরির জন্য ডিফিউশন পদ্ধতি ব্যবহার করলে কোনো ক্ষতিপূরণ সমস্যা হয় না।
৩. মাস্ক প্রযুক্তির সাথে মিলিতভাবে, নির্দিষ্ট এলাকায় নির্বাচিত এপিটেক্সিয়াল বৃদ্ধি ঘটানো হয়, যা বিশেষ কাঠামোযুক্ত ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট ও ডিভাইস উৎপাদনের জন্য অনুকূল পরিবেশ তৈরি করে।
৪. এপিথেক্সিয়াল গ্রোথ প্রক্রিয়ার সময় প্রয়োজন অনুযায়ী ডোপিং-এর ধরন ও ঘনত্ব পরিবর্তন করা যেতে পারে। ঘনত্বের এই পরিবর্তন আকস্মিক বা ধীর হতে পারে।
৫. এটি অসমসত্ত্ব, বহুস্তরীয়, বহু-উপাদানযুক্ত যৌগ এবং পরিবর্তনশীল উপাদানসহ অতি-পাতলা স্তর গঠন করতে পারে।
৬. পদার্থের গলনাঙ্কের চেয়ে কম তাপমাত্রায় এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধি ঘটানো যায়, এর বৃদ্ধির হার নিয়ন্ত্রণযোগ্য এবং পারমাণবিক স্তরের পুরুত্ববিশিষ্ট এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধি অর্জন করা সম্ভব।
৭. এটি এমন সব একক স্ফটিক পদার্থ তৈরি করতে পারে যেগুলোকে টানা যায় না, যেমন GaN, টারশিয়ারি ও কোয়াটারনারি যৌগের একক স্ফটিক স্তর ইত্যাদি।