एपिटैक्सियल परतें सेमीकंडक्टर उपकरणों की सहायता कैसे करती हैं?

एपिटैक्सियल वेफर नाम की उत्पत्ति

सबसे पहले, आइए एक छोटी सी अवधारणा को समझ लें: वेफर निर्माण में दो प्रमुख चरण शामिल हैं: सब्सट्रेट निर्माण और एपिटैक्सियल प्रक्रिया। सब्सट्रेट एक अर्धचालक एकल क्रिस्टल सामग्री से बना वेफर होता है। सब्सट्रेट को सीधे वेफर निर्माण प्रक्रिया में शामिल करके अर्धचालक उपकरण बनाए जा सकते हैं, या एपिटैक्सियल प्रक्रियाओं द्वारा संसाधित करके एपिटैक्सियल वेफर बनाए जा सकते हैं। एपिटैक्सी उस प्रक्रिया को संदर्भित करती है जिसमें काटने, पीसने, पॉलिश करने आदि द्वारा सावधानीपूर्वक संसाधित किए गए एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट पर एकल क्रिस्टल की एक नई परत विकसित की जाती है। नया एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट के समान सामग्री का हो सकता है, या यह एक अलग सामग्री (समरूप एपिटैक्सी या हेटरोएपिटैक्सी) का भी हो सकता है। क्योंकि नई एकल क्रिस्टल परत सब्सट्रेट के क्रिस्टल चरण के अनुसार फैलती और बढ़ती है, इसलिए इसे एपिटैक्सियल परत कहा जाता है (इसकी मोटाई आमतौर पर कुछ माइक्रोन होती है। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन को लें: सिलिकॉन एपिटैक्सियल वृद्धि का अर्थ है एक निश्चित क्रिस्टल अभिविन्यास वाले सिलिकॉन एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट पर, अच्छी जाली संरचना अखंडता और सब्सट्रेट के समान क्रिस्टल अभिविन्यास वाली, भिन्न प्रतिरोधकता और मोटाई वाली क्रिस्टल की परत उगाना)। एपिटैक्सियल परत वाले सब्सट्रेट को एपिटैक्सियल वेफर कहा जाता है (एपिटैक्सियल वेफर = एपिटैक्सियल परत + सब्सट्रेट)। जब उपकरण एपिटैक्सियल परत पर बनाया जाता है, तो इसे पॉजिटिव एपिटैक्सी कहा जाता है। यदि उपकरण सब्सट्रेट पर बनाया जाता है, तो इसे रिवर्स एपिटैक्सी कहा जाता है। इस स्थिति में, एपिटैक्सियल परत केवल सहायक भूमिका निभाती है।

पॉलिश किया हुआ वेफर

एपिटैक्सियल वृद्धि विधियाँ

मॉलिक्यूलर बीम एपिटैक्सी (एमबीई): यह एक अर्धचालक एपिटैक्सियल वृद्धि तकनीक है जो अति-उच्च निर्वात स्थितियों में की जाती है। इस तकनीक में, स्रोत सामग्री को परमाणुओं या अणुओं की किरण के रूप में वाष्पीकृत किया जाता है और फिर एक क्रिस्टलीय सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है। एमबीई एक अत्यंत सटीक और नियंत्रणीय अर्धचालक पतली फिल्म वृद्धि तकनीक है जो परमाणु स्तर पर जमा सामग्री की मोटाई को सटीक रूप से नियंत्रित कर सकती है।
मेटल ऑर्गेनिक सीवीडी (एमओसीवीडी): एमओसीवीडी प्रक्रिया में, आवश्यक तत्वों से युक्त कार्बनिक धातु और हाइड्राइड गैस नाइट्रोजन (N₂) को उपयुक्त तापमान पर सब्सट्रेट में डाला जाता है, जिससे रासायनिक प्रतिक्रिया होती है और आवश्यक अर्धचालक पदार्थ उत्पन्न होता है, जो सब्सट्रेट पर जमा हो जाता है, जबकि शेष यौगिक और प्रतिक्रिया उत्पाद बाहर निकल जाते हैं।
वाष्प चरण एपिटैक्सी (वीपीई): वाष्प चरण एपिटैक्सी अर्धचालक उपकरणों के उत्पादन में आमतौर पर उपयोग की जाने वाली एक महत्वपूर्ण तकनीक है। इसका मूल सिद्धांत वाहक गैस में मौलिक पदार्थों या यौगिकों के वाष्प को स्थानांतरित करना और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से सब्सट्रेट पर क्रिस्टल जमा करना है।

एपिटैक्सी प्रक्रिया से किन समस्याओं का समाधान होता है?

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

सिलिकॉन के लिए, जब सिलिकॉन एपिटैक्सियल ग्रोथ तकनीक शुरू हुई, तब सिलिकॉन के उच्च आवृत्ति और उच्च शक्ति वाले ट्रांजिस्टरों का उत्पादन वास्तव में एक कठिन दौर 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 कम होना चाहिए, यानी संतृप्ति वोल्टेज ड्रॉप कम होना चाहिए। पहले के लिए आवश्यक है कि कलेक्टर क्षेत्र में सामग्री की प्रतिरोधकता उच्च हो, जबकि दूसरे के लिए आवश्यक है कि कलेक्टर क्षेत्र में सामग्री की प्रतिरोधकता कम हो। ये दोनों स्थितियाँ एक-दूसरे के विपरीत हैं। यदि श्रृंखला प्रतिरोध को कम करने के लिए कलेक्टर क्षेत्र में सामग्री की मोटाई कम की जाती है, तो सिलिकॉन वेफर बहुत पतला और नाजुक हो जाएगा, जिससे उस पर काम करना मुश्किल हो जाएगा। यदि सामग्री की प्रतिरोधकता कम की जाती है, तो यह पहली आवश्यकता के विपरीत होगा। हालांकि, एपिटैक्सियल तकनीक के विकास ने इस समस्या को सफलतापूर्वक हल कर दिया है।

समाधान: एक अत्यंत कम प्रतिरोध वाले सबस्ट्रेट पर उच्च प्रतिरोधकता वाली एपिटैक्सियल परत विकसित करें और डिवाइस को इसी एपिटैक्सियल परत पर बनाएं। यह उच्च प्रतिरोधकता वाली एपिटैक्सियल परत ट्यूब के उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज को सुनिश्चित करती है, जबकि कम प्रतिरोध वाला सबस्ट्रेट सबस्ट्रेट के प्रतिरोध को कम करता है, जिससे संतृप्ति वोल्टेज ड्रॉप कम हो जाता है और इस प्रकार दोनों के बीच का विरोधाभास दूर हो जाता है।

इसके अतिरिक्त, GaAs और अन्य III-V, II-VI और अन्य आणविक यौगिक अर्धचालक पदार्थों के वाष्प चरण एपिटैक्सी और तरल चरण एपिटैक्सी जैसी एपिटैक्सी प्रौद्योगिकियों का भी अत्यधिक विकास हुआ है और ये अधिकांश माइक्रोवेव उपकरणों, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और विद्युत उपकरणों के उत्पादन के लिए आधार बन गई हैं। विशेष रूप से पतली परतों, सुपरलैटिस, क्वांटम कुओं, तनावग्रस्त सुपरलैटिस और परमाणु-स्तर की पतली परत एपिटैक्सी में आणविक बीम और धातु कार्बनिक वाष्प चरण एपिटैक्सी प्रौद्योगिकी का सफल अनुप्रयोग, अर्धचालक अनुसंधान में एक नया कदम है। इस क्षेत्र में "ऊर्जा बेल्ट इंजीनियरिंग" के विकास ने एक ठोस आधार तैयार किया है।

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

एपिटैक्सी तकनीक में 7 प्रमुख कौशल

1. उच्च (निम्न) प्रतिरोध वाली एपिटैक्सियल परतों को निम्न (उच्च) प्रतिरोध वाले सब्सट्रेट पर एपिटैक्सियल रूप से उगाया जा सकता है।
2. एन (पी) प्रकार की एपिटैक्सियल परत को पी (एन) प्रकार के सब्सट्रेट पर एपिटैक्सियल रूप से विकसित करके सीधे पीएन जंक्शन बनाया 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 तकनीक के साथ संयुक्त रूप से, निर्दिष्ट क्षेत्रों में चयनात्मक एपिटैक्सियल वृद्धि की जाती है, जिससे विशेष संरचना वाले एकीकृत सर्किट और उपकरणों के उत्पादन के लिए स्थितियां बनती हैं।
4. एपिटैक्सियल वृद्धि प्रक्रिया के दौरान आवश्यकतानुसार डोपिंग के प्रकार और सांद्रता को बदला जा सकता है। सांद्रता में परिवर्तन अचानक या धीरे-धीरे हो सकता है।
5. यह विभिन्न घटकों वाले विषम, बहुस्तरीय, बहुघटक यौगिकों और अति-पतली परतों को विकसित कर सकता है।
6. एपिटैक्सियल वृद्धि को सामग्री के गलनांक से कम तापमान पर किया जा सकता है, वृद्धि दर नियंत्रणीय होती है, और परमाणु-स्तर की मोटाई की एपिटैक्सियल वृद्धि प्राप्त की जा सकती है।
7. यह उन एकल क्रिस्टलीय पदार्थों को विकसित कर सकता है जिन्हें खींचा नहीं जा सकता, जैसे कि GaN, तृतीयक और चतुर्धातुक यौगिकों की एकल क्रिस्टलीय परतें, आदि।