സെമികണ്ടക്ടർ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളും എപ്പിറ്റാക്സിയും: ആധുനിക പവർ, ആർഎഫ് ഉപകരണങ്ങൾക്ക് പിന്നിലെ സാങ്കേതിക അടിത്തറ.

രണ്ട് നിർണായക മേഖലകളിലെ മുന്നേറ്റങ്ങളാണ് അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യയിലെ പുരോഗതിയെ കൂടുതലായി നിർവചിക്കുന്നത്:അടിവസ്ത്രങ്ങൾഒപ്പംഎപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളികൾ. ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങൾ, 5G ബേസ് സ്റ്റേഷനുകൾ, കൺസ്യൂമർ ഇലക്ട്രോണിക്സ്, ഒപ്റ്റിക്കൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ സിസ്റ്റങ്ങൾ എന്നിവയിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന നൂതന ഉപകരണങ്ങളുടെ ഇലക്ട്രിക്കൽ, തെർമൽ, വിശ്വാസ്യത പ്രകടനം നിർണ്ണയിക്കാൻ ഈ രണ്ട് ഘടകങ്ങളും ഒരുമിച്ച് പ്രവർത്തിക്കുന്നു.

അടിവസ്ത്രം ഭൗതികവും സ്ഫടികവുമായ അടിത്തറ നൽകുമ്പോൾ, എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി, ഉയർന്ന പവർ അല്ലെങ്കിൽ ഒപ്റ്റോഇലക്ട്രോണിക് സ്വഭാവം രൂപകൽപ്പന ചെയ്യുന്ന പ്രവർത്തന കേന്ദ്രമായി മാറുന്നു. ഉയർന്ന കാര്യക്ഷമത, വേഗതയേറിയ സ്വിച്ചിംഗ്, കൂടുതൽ ഊർജ്ജ ലാഭം എന്നിവയുള്ള ഉപകരണങ്ങൾ വികസിപ്പിക്കുന്നതിന് അവയുടെ അനുയോജ്യത - ക്രിസ്റ്റൽ വിന്യാസം, താപ വികാസം, വൈദ്യുത ഗുണങ്ങൾ - അത്യാവശ്യമാണ്.

ഈ ലേഖനം സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളും എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യകളും എങ്ങനെ പ്രവർത്തിക്കുന്നു, അവ എന്തുകൊണ്ട് പ്രാധാന്യമർഹിക്കുന്നു, സെമികണ്ടക്ടർ വസ്തുക്കളുടെ ഭാവിയെ അവ എങ്ങനെ രൂപപ്പെടുത്തുന്നു എന്നിവ വിശദീകരിക്കുന്നു.Si, GaN, GaAs, നീലക്കല്ല്, SiC.

1. എന്താണ് ഒരുസെമികണ്ടക്ടർ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ്?

ഒരു ഉപകരണം നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്ന ഒറ്റ-ക്രിസ്റ്റൽ "പ്ലാറ്റ്‌ഫോം" ആണ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ്. ഇത് ഘടനാപരമായ പിന്തുണ, താപ വിസർജ്ജനം, ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള എപ്പിറ്റാക്സിയൽ വളർച്ചയ്ക്ക് ആവശ്യമായ ആറ്റോമിക് ടെംപ്ലേറ്റ് എന്നിവ നൽകുന്നു.

അടിവസ്ത്രത്തിന്റെ പ്രധാന പ്രവർത്തനങ്ങൾ

• മെക്കാനിക്കൽ പിന്തുണ:പ്രോസസ്സിംഗിലും പ്രവർത്തനത്തിലും ഉപകരണം ഘടനാപരമായി സ്ഥിരതയുള്ളതാണെന്ന് ഉറപ്പാക്കുന്നു.

• ക്രിസ്റ്റൽ ടെംപ്ലേറ്റ്:വിന്യസിച്ച ആറ്റോമിക് ലാറ്റിസുകൾ ഉപയോഗിച്ച് എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി വളരാൻ സഹായിക്കുന്നു, വൈകല്യങ്ങൾ കുറയ്ക്കുന്നു.

• വൈദ്യുത പങ്ക്:വൈദ്യുതി കടത്തിവിടാം (ഉദാ. Si, SiC) അല്ലെങ്കിൽ ഒരു ഇൻസുലേറ്ററായി പ്രവർത്തിക്കാം (ഉദാ. നീലക്കല്ല്).

സാധാരണ അടിവസ്ത്ര വസ്തുക്കൾ

സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ എങ്ങനെ നിർമ്മിക്കപ്പെടുന്നു

1. മെറ്റീരിയൽ ശുദ്ധീകരണം:സിലിക്കൺ അല്ലെങ്കിൽ മറ്റ് സംയുക്തങ്ങൾ അങ്ങേയറ്റം ശുദ്ധതയിലേക്ക് ശുദ്ധീകരിക്കപ്പെടുന്നു.

2. ഏക-ക്രിസ്റ്റൽ വളർച്ച:

   • സോക്രാൽസ്കി (CZ)– സിലിക്കണിനുള്ള ഏറ്റവും സാധാരണമായ രീതി.

   • ഫ്ലോട്ട്-സോൺ (FZ)- അൾട്രാ-ഹൈ-പ്യുരിറ്റി ക്രിസ്റ്റലുകൾ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു.

3. വേഫർ സ്ലൈസിംഗും പോളിഷിംഗും:ബൗളുകൾ വേഫറുകളായി മുറിച്ച് ആറ്റോമിക് മിനുസത്തിലേക്ക് മിനുസപ്പെടുത്തുന്നു.

4. വൃത്തിയാക്കലും പരിശോധനയും:മാലിന്യങ്ങൾ നീക്കം ചെയ്യുകയും വൈകല്യ സാന്ദ്രത പരിശോധിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

സാങ്കേതിക വെല്ലുവിളികൾ

വളരെ മന്ദഗതിയിലുള്ള ക്രിസ്റ്റൽ വളർച്ച (മണിക്കൂർ 0.3–0.5 മിമി മാത്രം), കർശനമായ താപനില നിയന്ത്രണ ആവശ്യകതകൾ, വലിയ സ്ലൈസിംഗ് നഷ്ടങ്ങൾ (SiC കെർഫ് നഷ്ടം >70% വരെ എത്താം) എന്നിവ കാരണം ചില നൂതന വസ്തുക്കൾ - പ്രത്യേകിച്ച് SiC - ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ പ്രയാസമാണ്. മൂന്നാം തലമുറ വസ്തുക്കൾ വിലയേറിയതായി തുടരുന്നതിനുള്ള ഒരു കാരണം ഈ സങ്കീർണ്ണതയാണ്.

2. എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി എന്താണ്?

ഒരു എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി വളർത്തുക എന്നതിനർത്ഥം, തികച്ചും വിന്യസിച്ച ലാറ്റിസ് ഓറിയന്റേഷനോടുകൂടിയ അടിവസ്ത്രത്തിൽ നേർത്തതും ഉയർന്ന പരിശുദ്ധിയുള്ളതുമായ ഒരു ഒറ്റ-ക്രിസ്റ്റൽ ഫിലിം നിക്ഷേപിക്കുക എന്നാണ്.

എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി നിർണ്ണയിക്കുന്നത്വൈദ്യുത സ്വഭാവംഅന്തിമ ഉപകരണത്തിന്റെ.

എപ്പിറ്റാക്സി എന്തുകൊണ്ട് പ്രധാനമാണ്

• ക്രിസ്റ്റൽ പരിശുദ്ധി വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു

• ഇഷ്ടാനുസൃതമാക്കിയ ഡോപ്പിംഗ് പ്രൊഫൈലുകൾ പ്രാപ്തമാക്കുന്നു

• അടിവസ്ത്ര വൈകല്യ വ്യാപനം കുറയ്ക്കുന്നു

• ക്വാണ്ടം കിണറുകൾ, HEMT-കൾ, സൂപ്പർലാറ്റിസുകൾ തുടങ്ങിയ എഞ്ചിനീയറിംഗ് ഹെറ്ററോസ്ട്രക്ചറുകൾ രൂപപ്പെടുത്തുന്നു.

പ്രധാന എപ്പിറ്റാക്സി സാങ്കേതികവിദ്യകൾ

എപ്പിറ്റാക്സിയിലെ നിർണായക പാരാമീറ്ററുകൾ

• പാളി കനം:ക്വാണ്ടം കിണറുകൾക്ക് നാനോമീറ്ററുകൾ, പവർ ഉപകരണങ്ങൾക്ക് 100 μm വരെ.

• ഉത്തേജക മരുന്ന്:മാലിന്യങ്ങൾ കൃത്യമായി ഉൾപ്പെടുത്തുന്നതിലൂടെ കാരിയർ സാന്ദ്രത ക്രമീകരിക്കുന്നു.

• ഇന്റർഫേസ് നിലവാരം:ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട് മൂലമുണ്ടാകുന്ന സ്ഥാനഭ്രംശങ്ങളും സമ്മർദ്ദവും കുറയ്ക്കണം.

ഹെറ്ററോഎപിറ്റക്സിയിലെ വെല്ലുവിളികൾ

• ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട്:ഉദാഹരണത്തിന്, GaN ഉം സഫയറും തമ്മിലുള്ള പൊരുത്തക്കേട് ~13% ആയി.

• താപ വികാസ പൊരുത്തക്കേട്:തണുപ്പിക്കുമ്പോൾ പൊട്ടലിന് കാരണമാകും.

• തകരാറ് നിയന്ത്രണം:ബഫർ പാളികൾ, ഗ്രേഡഡ് പാളികൾ അല്ലെങ്കിൽ ന്യൂക്ലിയേഷൻ പാളികൾ ആവശ്യമാണ്.

3. സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റും എപ്പിറ്റാക്സിയും എങ്ങനെ ഒരുമിച്ച് പ്രവർത്തിക്കുന്നു: യഥാർത്ഥ ലോക ഉദാഹരണങ്ങൾ

നീലക്കല്ലിൽ GaN LED

• നീലക്കല്ല് വിലകുറഞ്ഞതും ഇൻസുലേഷൻ ഗുണങ്ങളുള്ളതുമാണ്.

• ബഫർ പാളികൾ (AlN അല്ലെങ്കിൽ താഴ്ന്ന താപനില GaN) ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട് കുറയ്ക്കുന്നു.

• മൾട്ടി-ക്വാണ്ടം കിണറുകൾ (InGaN/GaN) സജീവ പ്രകാശം പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന മേഖലയായി മാറുന്നു.

• 10⁸ cm⁻²-ൽ താഴെയുള്ള വൈകല്യ സാന്ദ്രതയും ഉയർന്ന പ്രകാശ കാര്യക്ഷമതയും കൈവരിക്കുന്നു.

സിഐസി പവർ മോസ്ഫെറ്റ്

• ഉയർന്ന വിഘടിപ്പിക്കൽ ശേഷിയുള്ള 4H-SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

• എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഡ്രിഫ്റ്റ് പാളികൾ (10–100 μm) വോൾട്ടേജ് റേറ്റിംഗ് നിർണ്ണയിക്കുന്നു.

• സിലിക്കൺ പവർ ഉപകരണങ്ങളെ അപേക്ഷിച്ച് 90% കുറവ് ചാലക നഷ്ടം വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു.

GaN-ഓൺ-സിലിക്കൺ RF ഉപകരണങ്ങൾ

• സിലിക്കൺ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ ചെലവ് കുറയ്ക്കുകയും CMOS-മായി സംയോജനം അനുവദിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

• AlN ന്യൂക്ലിയേഷൻ പാളികളും എഞ്ചിനീയറിംഗ് ബഫറുകളും സ്ട്രെയിൻ നിയന്ത്രിക്കുന്നു.

• മില്ലിമീറ്റർ-വേവ് ഫ്രീക്വൻസികളിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്ന 5G PA ചിപ്പുകളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

4. സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് vs. എപ്പിറ്റാക്സി: പ്രധാന വ്യത്യാസങ്ങൾ

5. ഈ സാങ്കേതികവിദ്യകൾ എവിടേക്കാണ് നീങ്ങുന്നത്?

വലിയ വേഫർ വലുപ്പങ്ങൾ

• Si 12-ഇഞ്ചിലേക്ക് മാറുന്നു

• SiC 6-ഇഞ്ചിൽ നിന്ന് 8-ഇഞ്ചിലേക്ക് മാറുന്നു (പ്രധാന ചെലവ് കുറവ്)

• വലിയ വ്യാസം ത്രൂപുട്ട് മെച്ചപ്പെടുത്തുകയും ഉപകരണ ചെലവ് കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു

ചെലവുകുറഞ്ഞ ഹെറ്ററോഎപിറ്റാക്സി

വിലകൂടിയ തദ്ദേശീയ GaN അടിവസ്ത്രങ്ങൾക്ക് പകരമായി GaN-on-Si ഉം GaN-on-sapphire ഉം പ്രചാരം നേടിക്കൊണ്ടിരിക്കുന്നു.

നൂതനമായ കട്ടിംഗ്, ഗ്രോത്ത് ടെക്നിക്കുകൾ

• കോൾഡ്-സ്പ്ലിറ്റ് സ്ലൈസിംഗ് SiC കെർഫ് നഷ്ടം ~75% ൽ നിന്ന് ~50% ആയി കുറയ്ക്കാൻ സഹായിക്കും.

• മെച്ചപ്പെട്ട ഫർണസ് ഡിസൈനുകൾ SiC യീൽഡും ഏകീകൃതതയും വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു.

ഒപ്റ്റിക്കൽ, പവർ, ആർഎഫ് ഫംഗ്ഷനുകളുടെ സംയോജനം

ഭാവിയിലെ സംയോജിത ഫോട്ടോണിക്‌സിനും ഉയർന്ന കാര്യക്ഷമതയുള്ള പവർ ഇലക്ട്രോണിക്‌സിനും ആവശ്യമായ ക്വാണ്ടം കിണറുകൾ, സൂപ്പർലാറ്റിസുകൾ, സ്‌ട്രെയിൻഡ് പാളികൾ എന്നിവ എപ്പിറ്റാക്‌സി പ്രാപ്തമാക്കുന്നു.

തീരുമാനം

ആധുനിക സെമികണ്ടക്ടറുകളുടെ സാങ്കേതിക നട്ടെല്ലാണ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളും എപ്പിറ്റാക്സിയും. ഫിസിക്കൽ, തെർമൽ, ക്രിസ്റ്റലിൻ ഫൗണ്ടേഷനുകൾ സജ്ജീകരിക്കുന്നത് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റാണ്, അതേസമയം വിപുലമായ ഉപകരണ പ്രകടനം സാധ്യമാക്കുന്ന വൈദ്യുത പ്രവർത്തനങ്ങളെ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി നിർവചിക്കുന്നു.

ആവശ്യകത വർദ്ധിക്കുന്നതിനനുസരിച്ച്ഉയർന്ന പവർ, ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി, ഉയർന്ന കാര്യക്ഷമതഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങൾ മുതൽ ഡാറ്റാ സെന്ററുകൾ വരെയുള്ള സിസ്റ്റങ്ങൾ - ഈ രണ്ട് സാങ്കേതികവിദ്യകളും ഒരുമിച്ച് പരിണമിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കും. വേഫർ വലുപ്പം, വൈകല്യ നിയന്ത്രണം, ഹെറ്ററോഎപിറ്റാക്സി, ക്രിസ്റ്റൽ വളർച്ച എന്നിവയിലെ നൂതനാശയങ്ങൾ അടുത്ത തലമുറയിലെ സെമികണ്ടക്ടർ മെറ്റീരിയലുകളെയും ഉപകരണ ആർക്കിടെക്ചറുകളെയും രൂപപ്പെടുത്തും.