સેમિકન્ડક્ટર સબસ્ટ્રેટ્સ અને એપિટાક્સી: આધુનિક પાવર અને આરએફ ઉપકરણો પાછળના ટેકનિકલ પાયા

સેમિકન્ડક્ટર ટેકનોલોજીમાં પ્રગતિ બે મહત્વપૂર્ણ ક્ષેત્રોમાં પ્રગતિ દ્વારા વધુને વધુ વ્યાખ્યાયિત થાય છે:સબસ્ટ્રેટ્સઅનેએપિટેક્સિયલ સ્તરોઆ બે ઘટકો ઇલેક્ટ્રિક વાહનો, 5G બેઝ સ્ટેશન, કન્ઝ્યુમર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સમાં ઉપયોગમાં લેવાતા અદ્યતન ઉપકરણોના ઇલેક્ટ્રિકલ, થર્મલ અને વિશ્વસનીયતા પ્રદર્શનને નક્કી કરવા માટે એકસાથે કામ કરે છે.

જ્યારે સબસ્ટ્રેટ ભૌતિક અને સ્ફટિકીય પાયો પૂરો પાડે છે, ત્યારે એપિટેક્સિયલ સ્તર કાર્યાત્મક કોર બનાવે છે જ્યાં ઉચ્ચ-આવર્તન, ઉચ્ચ-શક્તિ અથવા ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક વર્તણૂકનું એન્જિનિયર્ડ થાય છે. તેમની સુસંગતતા - સ્ફટિક સંરેખણ, થર્મલ વિસ્તરણ અને વિદ્યુત ગુણધર્મો - ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા, ઝડપી સ્વિચિંગ અને વધુ ઊર્જા બચત સાથે ઉપકરણો વિકસાવવા માટે આવશ્યક છે.

આ લેખ સમજાવે છે કે સબસ્ટ્રેટ્સ અને એપિટેક્સિયલ ટેકનોલોજી કેવી રીતે કાર્ય કરે છે, તે શા માટે મહત્વપૂર્ણ છે, અને તે સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીના ભવિષ્યને કેવી રીતે આકાર આપે છે જેમ કેSi, GaN, GaAs, નીલમ, અને SiC.

૧. શું છેસેમિકન્ડક્ટર સબસ્ટ્રેટ?

સબસ્ટ્રેટ એ સિંગલ-ક્રિસ્ટલ "પ્લેટફોર્મ" છે જેના પર ઉપકરણ બનાવવામાં આવે છે. તે માળખાકીય સપોર્ટ, ગરમીનું વિસર્જન અને ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ માટે જરૂરી અણુ ટેમ્પ્લેટ પૂરું પાડે છે.

સબસ્ટ્રેટના મુખ્ય કાર્યો

• યાંત્રિક આધાર:પ્રક્રિયા અને કામગીરી દરમિયાન ઉપકરણ માળખાકીય રીતે સ્થિર રહે તેની ખાતરી કરે છે.

• ક્રિસ્ટલ ટેમ્પલેટ:એપિટેક્સિયલ સ્તરને ગોઠવાયેલ અણુ જાળી સાથે વધવા માટે માર્ગદર્શન આપે છે, ખામીઓ ઘટાડે છે.

• વિદ્યુત ભૂમિકા:વીજળીનું સંચાલન કરી શકે છે (દા.ત., Si, SiC) અથવા ઇન્સ્યુલેટર તરીકે સેવા આપી શકે છે (દા.ત., નીલમ).

સામાન્ય સબસ્ટ્રેટ સામગ્રી

સબસ્ટ્રેટ્સ કેવી રીતે બનાવવામાં આવે છે

1. સામગ્રી શુદ્ધિકરણ:સિલિકોન અથવા અન્ય સંયોજનો અત્યંત શુદ્ધતા સુધી શુદ્ધ કરવામાં આવે છે.

2. સિંગલ-સ્ફટિક વૃદ્ધિ:

   • ઝોક્રાલ્સ્કી (CZ)- સિલિકોન માટેની સૌથી સામાન્ય પદ્ધતિ.

   • ફ્લોટ-ઝોન (FZ)- અતિ-ઉચ્ચ-શુદ્ધતા સ્ફટિકો ઉત્પન્ન કરે છે.

3. વેફર સ્લાઇસિંગ અને પોલિશિંગ:બુલ્સને વેફરમાં કાપવામાં આવે છે અને તેને સરળ બનાવવા માટે પોલિશ કરવામાં આવે છે.

4. સફાઈ અને નિરીક્ષણ:દૂષકો દૂર કરવા અને ખામીની ઘનતાનું નિરીક્ષણ કરવું.

ટેકનિકલ પડકારો

કેટલીક અદ્યતન સામગ્રીઓ - ખાસ કરીને SiC - અત્યંત ધીમી સ્ફટિક વૃદ્ધિ (માત્ર 0.3-0.5 મીમી/કલાક), કડક તાપમાન નિયંત્રણ આવશ્યકતાઓ અને મોટા સ્લાઇસિંગ નુકસાન (SiC કર્ફ નુકસાન >70% સુધી પહોંચી શકે છે) ને કારણે ઉત્પાદન કરવું મુશ્કેલ છે. આ જટિલતા એક કારણ છે કે ત્રીજી પેઢીની સામગ્રી મોંઘી રહે છે.

2. એપિટેક્સિયલ લેયર શું છે?

એપિટેક્સિયલ લેયર ઉગાડવાનો અર્થ એ છે કે સબસ્ટ્રેટ પર સંપૂર્ણ રીતે ગોઠવાયેલ જાળી દિશા સાથે પાતળી, ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળી, સિંગલ-ક્રિસ્ટલ ફિલ્મ જમા કરવી.

એપિટેક્સિયલ સ્તર નક્કી કરે છેવિદ્યુત વર્તનઅંતિમ ઉપકરણનું.

એપિટાક્સી શા માટે મહત્વપૂર્ણ છે

• સ્ફટિક શુદ્ધતા વધારે છે

• કસ્ટમાઇઝ્ડ ડોપિંગ પ્રોફાઇલ્સને સક્ષમ કરે છે

• સબસ્ટ્રેટ ખામીના પ્રસારને ઘટાડે છે

• ક્વોન્ટમ કુવાઓ, HEMTs અને સુપરલેટીસ જેવા એન્જિનિયર્ડ હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સ બનાવે છે

મુખ્ય એપિટાક્સી ટેકનોલોજીઓ

એપિટાક્સીમાં મહત્વપૂર્ણ પરિમાણો

• સ્તરની જાડાઈ:ક્વોન્ટમ કુવાઓ માટે નેનોમીટર, પાવર ઉપકરણો માટે 100 μm સુધી.

• ડોપિંગ:અશુદ્ધિઓના ચોક્કસ પરિચય દ્વારા વાહક સાંદ્રતાને સમાયોજિત કરે છે.

• ઇન્ટરફેસ ગુણવત્તા:જાળીના મેળ ખાતા ન હોવાથી થતી અવ્યવસ્થા અને તણાવ ઓછો કરવો જોઈએ.

હેટરોએપિટેક્ષીમાં પડકારો

• જાળીનો મેળ ખાતો નથી:ઉદાહરણ તરીકે, GaN અને નીલમ ~13% મેળ ખાતા નથી.

• થર્મલ વિસ્તરણ મેળ ખાતું નથી:ઠંડક દરમિયાન તિરાડો પડી શકે છે.

• ખામી નિયંત્રણ:બફર સ્તરો, ગ્રેડેડ સ્તરો અથવા ન્યુક્લિયેશન સ્તરોની જરૂર પડે છે.

3. સબસ્ટ્રેટ અને એપિટાક્સી એકસાથે કેવી રીતે કાર્ય કરે છે: વાસ્તવિક દુનિયાના ઉદાહરણો

નીલમ પર GaN LED

• નીલમ સસ્તું અને ઇન્સ્યુલેટીંગ છે.

• બફર સ્તરો (AlN અથવા નીચા-તાપમાન GaN) જાળીના મેળ ખાતી નથી.

• મલ્ટી-ક્વોન્ટમ કુવાઓ (InGaN/GaN) સક્રિય પ્રકાશ ઉત્સર્જન કરતો પ્રદેશ બનાવે છે.

• 10⁸ cm⁻² થી ઓછી ખામી ઘનતા અને ઉચ્ચ તેજસ્વી કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરે છે.

SiC પાવર MOSFET

• ઉચ્ચ ભંગાણ ક્ષમતાવાળા 4H-SiC સબસ્ટ્રેટનો ઉપયોગ કરે છે.

• એપિટેક્સિયલ ડ્રિફ્ટ સ્તરો (10-100 μm) વોલ્ટેજ રેટિંગ નક્કી કરે છે.

• સિલિકોન પાવર ડિવાઇસ કરતાં ~90% ઓછું વહન નુકસાન આપે છે.

GaN-ઓન-સિલિકોન RF ઉપકરણો

• સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ્સ ખર્ચ ઘટાડે છે અને CMOS સાથે એકીકરણની મંજૂરી આપે છે.

• AlN ન્યુક્લિયેશન સ્તરો અને એન્જિનિયર્ડ બફર્સ તાણને નિયંત્રિત કરે છે.

• મિલિમીટર-વેવ ફ્રીક્વન્સીઝ પર કાર્યરત 5G PA ચિપ્સ માટે વપરાય છે.

4. સબસ્ટ્રેટ વિરુદ્ધ એપિટાક્સી: મુખ્ય તફાવતો

૫. આ ટેકનોલોજીઓ ક્યાં જઈ રહી છે

મોટા વેફર કદ

• Si ૧૨-ઇંચ પર શિફ્ટ થઈ રહ્યું છે

• SiC 6-ઇંચથી 8-ઇંચ સુધી ખસેડી રહ્યું છે (ખર્ચમાં મોટો ઘટાડો)

• મોટો વ્યાસ થ્રુપુટ સુધારે છે અને ઉપકરણ ખર્ચ ઘટાડે છે

ઓછી કિંમતની વિજાતીયતા

મોંઘા સ્થાનિક GaN સબસ્ટ્રેટ્સના વિકલ્પ તરીકે GaN-on-Si અને GaN-on-sapphire લોકપ્રિયતા મેળવી રહ્યા છે.

અદ્યતન કટીંગ અને વૃદ્ધિ તકનીકો

• કોલ્ડ-સ્પ્લિટ સ્લાઇસિંગ SiC કર્ફ નુકશાનને ~75% થી ઘટાડીને ~50% કરી શકે છે.

• સુધારેલ ભઠ્ઠી ડિઝાઇન SiC ઉપજ અને એકરૂપતામાં વધારો કરે છે.

ઓપ્ટિકલ, પાવર અને RF કાર્યોનું એકીકરણ

એપિટાક્સી ભવિષ્યના સંકલિત ફોટોનિક્સ અને ઉચ્ચ-કાર્યક્ષમતા પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ માટે જરૂરી ક્વોન્ટમ કુવાઓ, સુપરલેટીસ અને તાણવાળા સ્તરોને સક્ષમ બનાવે છે.

નિષ્કર્ષ

સબસ્ટ્રેટ્સ અને એપિટાક્સી આધુનિક સેમિકન્ડક્ટર્સની ટેકનોલોજીકલ કરોડરજ્જુ બનાવે છે. સબસ્ટ્રેટ ભૌતિક, થર્મલ અને સ્ફટિકીય પાયો સેટ કરે છે, જ્યારે એપિટાક્સિયલ સ્તર વિદ્યુત કાર્યક્ષમતાઓને વ્યાખ્યાયિત કરે છે જે અદ્યતન ઉપકરણ પ્રદર્શનને સક્ષમ કરે છે.

જેમ જેમ માંગ વધે છે તેમઉચ્ચ શક્તિ, ઉચ્ચ આવર્તન અને ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાસિસ્ટમો - ઇલેક્ટ્રિક વાહનોથી લઈને ડેટા સેન્ટરો સુધી - આ બે તકનીકો એકસાથે વિકસિત થતી રહેશે. વેફર કદ, ખામી નિયંત્રણ, હેટરોએપિટેક્ષી અને સ્ફટિક વૃદ્ધિમાં નવીનતાઓ આગામી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી અને ઉપકરણ સ્થાપત્યને આકાર આપશે.