શા માટે સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોને "એપિટેક્સિયલ લેયર" ની જરૂર પડે છે

"એપિટેક્સિયલ વેફર" નામનું મૂળ

વેફરની તૈયારીમાં બે મુખ્ય પગલાઓનો સમાવેશ થાય છે: સબસ્ટ્રેટની તૈયારી અને એપિટેક્સિયલ પ્રક્રિયા. સબસ્ટ્રેટ સેમિકન્ડક્ટર સિંગલ ક્રિસ્ટલ સામગ્રીથી બનેલું છે અને સામાન્ય રીતે સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો બનાવવા માટે પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે. તે એપિટેક્સિયલ વેફર બનાવવા માટે એપિટેક્સિયલ પ્રોસેસિંગમાંથી પણ પસાર થઈ શકે છે. Epitaxy એ કાળજીપૂર્વક પ્રક્રિયા કરેલ સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ પર નવા સિંગલ ક્રિસ્ટલ સ્તરને ઉગાડવાની પ્રક્રિયાનો સંદર્ભ આપે છે. નવું સિંગલ ક્રિસ્ટલ એ સબસ્ટ્રેટ (સમાન્ય એપિટાક્સી) અથવા અલગ સામગ્રી (વિજાતીય એપિટાક્સી) જેવી જ સામગ્રીનું હોઈ શકે છે. નવા સ્ફટિક સ્તર સબસ્ટ્રેટના ક્રિસ્ટલ ઓરિએન્ટેશન સાથે ગોઠવણીમાં વધે છે, તેથી તેને એપિટેક્સિયલ સ્તર કહેવામાં આવે છે. એપિટેક્સિયલ લેયર સાથેની વેફરને એપિટેક્સિયલ વેફર (એપિટાક્સિયલ વેફર = એપિટાક્સિયલ લેયર + સબસ્ટ્રેટ) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. એપિટેક્સિયલ લેયર પર બનાવાયેલા ઉપકરણોને "ફોરવર્ડ એપિટાક્સી" કહેવામાં આવે છે, જ્યારે સબસ્ટ્રેટ પર બનાવાયેલા ઉપકરણોને "રિવર્સ એપિટેક્સી" તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, જ્યાં એપિટેક્સિયલ લેયર માત્ર સપોર્ટ તરીકે કામ કરે છે.

સજાતીય અને વિજાતીય એપિટેક્સી

▪સજાતીય એપિટાક્સી:એપિટેક્સિયલ સ્તર અને સબસ્ટ્રેટ સમાન સામગ્રીમાંથી બનેલા છે: દા.ત., Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪વિજાતીય એપિટાક્સી:એપિટેક્સિયલ સ્તર અને સબસ્ટ્રેટ વિવિધ સામગ્રીઓથી બનેલા છે: દા.ત., Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, વગેરે.

પોલિશ્ડ વેફર્સ

એપિટેક્સી કઈ સમસ્યાઓ હલ કરે છે?

સેમિકન્ડક્ટર ડિવાઇસ ફેબ્રિકેશનની વધતી જતી જટિલ માંગને પહોંચી વળવા માટે એકલા જથ્થાબંધ સિંગલ ક્રિસ્ટલ સામગ્રીઓ અપૂરતી છે. તેથી, 1959ના અંતમાં, એપિટાક્સી તરીકે ઓળખાતી પાતળી સિંગલ ક્રિસ્ટલ મટિરિયલ ગ્રોથ ટેકનિક વિકસાવવામાં આવી હતી. પરંતુ એપિટેક્સિયલ ટેક્નોલોજીએ સામગ્રીના વિકાસમાં ખાસ કેવી રીતે મદદ કરી? સિલિકોન માટે, સિલિકોન એપિટાક્સીનો વિકાસ નિર્ણાયક સમયે થયો હતો જ્યારે ઉચ્ચ-આવર્તન, ઉચ્ચ-શક્તિવાળા સિલિકોન ટ્રાન્ઝિસ્ટરના નિર્માણમાં નોંધપાત્ર મુશ્કેલીઓનો સામનો કરવો પડ્યો હતો. ટ્રાન્ઝિસ્ટર સિદ્ધાંતોના પરિપ્રેક્ષ્યમાં, ઉચ્ચ આવર્તન અને શક્તિ પ્રાપ્ત કરવા માટે જરૂરી છે કે કલેક્ટર પ્રદેશનું બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ ઊંચું હોવું જોઈએ, અને શ્રેણી પ્રતિકાર ઓછો હોવો જોઈએ, એટલે કે સંતૃપ્તિ વોલ્ટેજ નાનું હોવું જોઈએ. પહેલાને કલેક્ટર સામગ્રીમાં ઉચ્ચ પ્રતિકારકતાની જરૂર હોય છે, જ્યારે બાદમાં ઓછી પ્રતિરોધકતાની જરૂર હોય છે, જે વિરોધાભાસ બનાવે છે. શ્રેણીના પ્રતિકારને ઘટાડવા માટે કલેક્ટર ક્ષેત્રની જાડાઈ ઘટાડવાથી સિલિકોન વેફર પ્રક્રિયા કરવા માટે ખૂબ પાતળી અને નાજુક બનશે, અને પ્રતિકારકતા ઘટાડવી એ પ્રથમ આવશ્યકતા સાથે સંઘર્ષ કરશે. એપિટેક્સિયલ ટેક્નોલૉજીના વિકાસએ આ સમસ્યાને સફળતાપૂર્વક હલ કરી. નિમ્ન-પ્રતિરોધકતા સબસ્ટ્રેટ પર ઉચ્ચ પ્રતિરોધકતા એપિટેક્સિયલ સ્તર ઉગાડવાનો ઉકેલ હતો. ઉપકરણ એપિટેક્સિયલ લેયર પર બનાવાયેલ છે, ટ્રાન્ઝિસ્ટરના ઉચ્ચ બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજની ખાતરી કરે છે, જ્યારે નીચી-પ્રતિરોધકતા સબસ્ટ્રેટ પાયાના પ્રતિકારને ઘટાડે છે અને સંતૃપ્તિ વોલ્ટેજને ઘટાડે છે, બે આવશ્યકતાઓ વચ્ચેના વિરોધાભાસને ઉકેલે છે.

વધુમાં, III-V અને II-VI કમ્પાઉન્ડ સેમિકન્ડક્ટર જેમ કે GaAs, GaN અને અન્ય માટે એપિટેક્સિયલ ટેક્નોલોજીઓ, જેમાં બાષ્પ તબક્કો અને લિક્વિડ ફેઝ એપિટાક્સીનો સમાવેશ થાય છે, તેમાં નોંધપાત્ર પ્રગતિ જોવા મળી છે. આ તકનીકો ઘણા માઇક્રોવેવ, ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક અને પાવર ઉપકરણોના નિર્માણ માટે આવશ્યક બની ગઈ છે. ખાસ કરીને, મોલેક્યુલર બીમ એપિટેક્સી (MBE) અને મેટલ-ઓર્ગેનિક કેમિકલ વેપર ડિપોઝિશન (MOCVD) જેવી તકનીકો પાતળા સ્તરો, સુપરલેટીસ, ક્વોન્ટમ વેલ્સ, સ્ટ્રેઇન્ડ સુપરલેટીસ અને અણુ-સ્કેલ પાતળા એપિટેક્સિયલ સ્તરો પર સફળતાપૂર્વક લાગુ કરવામાં આવી છે, જે મજબૂત પાયો નાખવા માટે છે. નવા સેમિકન્ડક્ટર ક્ષેત્રોનો વિકાસ જેમ કે "બેન્ડ એન્જિનિયરિંગ."

પ્રેક્ટિકલ એપ્લીકેશનમાં, મોટાભાગના વાઈડ-બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો એપિટેક્સિયલ સ્તરો પર બનાવવામાં આવે છે, જેમાં સિલિકોન કાર્બાઈડ (SiC) જેવી સામગ્રીનો ઉપયોગ ફક્ત સબસ્ટ્રેટ તરીકે થાય છે. તેથી, વાઈડ-બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં એપિટેક્સિયલ સ્તરને નિયંત્રિત કરવું એ એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ છે.

Epitaxy ટેકનોલોજી: સાત મુખ્ય લક્ષણો

1. એપિટાક્સી નીચા (અથવા ઉચ્ચ) પ્રતિકારક સબસ્ટ્રેટ પર ઉચ્ચ (અથવા નીચું) પ્રતિકારક સ્તર ઉગાડી શકે છે.

2. એપિટેક્સી P (અથવા N) પ્રકારના સબસ્ટ્રેટ પર N (અથવા P) પ્રકારના એપિટેક્સિયલ સ્તરોના વિકાસને મંજૂરી આપે છે, જે એક જ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ પર PN જંકશન બનાવવા માટે પ્રસરણનો ઉપયોગ કરતી વખતે ઉદ્ભવતા વળતરના મુદ્દાઓ વિના સીધા જ PN જંકશન બનાવે છે.

3. જ્યારે માસ્ક ટેક્નોલૉજી સાથે જોડવામાં આવે છે, ત્યારે વિશિષ્ટ ક્ષેત્રોમાં પસંદગીયુક્ત એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ કરી શકાય છે, જે વિશિષ્ટ સ્ટ્રક્ચર્સ સાથે સંકલિત સર્કિટ અને ઉપકરણોના ફેબ્રિકેશનને સક્ષમ કરે છે.

4. એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ ડોપિંગ પ્રકારો અને સાંદ્રતાના નિયંત્રણ માટે પરવાનગી આપે છે, એકાગ્રતામાં અચાનક અથવા ધીમે ધીમે ફેરફારો પ્રાપ્ત કરવાની ક્ષમતા સાથે.

5. એપિટાક્સી અતિ-પાતળા સ્તરો સહિત વેરિયેબલ કમ્પોઝિશન સાથે વિજાતીય, બહુ-સ્તરીય, બહુ-ઘટક સંયોજનો વિકસી શકે છે.

6. એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ સામગ્રીના ગલનબિંદુથી નીચેના તાપમાને થઈ શકે છે, નિયંત્રણક્ષમ વૃદ્ધિ દર સાથે, સ્તરની જાડાઈમાં અણુ-સ્તરની ચોકસાઇ માટે પરવાનગી આપે છે.

7. Epitaxy સામગ્રીના સિંગલ ક્રિસ્ટલ સ્તરોના વિકાસને સક્ષમ કરે છે જેને ક્રિસ્ટલ્સમાં ખેંચી શકાતું નથી, જેમ કે GaN અને તૃતીય/ચતુર્થાંશ સંયોજન સેમિકન્ડક્ટર.

વિવિધ એપિટેક્સિયલ સ્તરો અને એપિટેક્સિયલ પ્રક્રિયાઓ

સારાંશમાં, એપિટેક્સિયલ સ્તરો બલ્ક સબસ્ટ્રેટ કરતાં વધુ સરળતાથી નિયંત્રિત અને સંપૂર્ણ ક્રિસ્ટલ માળખું પ્રદાન કરે છે, જે અદ્યતન સામગ્રીના વિકાસ માટે ફાયદાકારક છે.