ಸೆಮಿಕಂಡಕ್ಟರ್ ಸಬ್‌ಸ್ಟ್ರೇಟ್‌ಗಳು ಮತ್ತು ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿ: ಆಧುನಿಕ ಶಕ್ತಿ ಮತ್ತು RF ಸಾಧನಗಳ ಹಿಂದಿನ ತಾಂತ್ರಿಕ ಅಡಿಪಾಯ.

ಅರೆವಾಹಕ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನದಲ್ಲಿನ ಪ್ರಗತಿಗಳು ಎರಡು ನಿರ್ಣಾಯಕ ಕ್ಷೇತ್ರಗಳಲ್ಲಿನ ಪ್ರಗತಿಗಳಿಂದ ಹೆಚ್ಚಾಗಿ ವ್ಯಾಖ್ಯಾನಿಸಲ್ಪಡುತ್ತವೆ:ತಲಾಧಾರಗಳುಮತ್ತುಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ ಪದರಗಳು. ವಿದ್ಯುತ್ ವಾಹನಗಳು, 5G ಬೇಸ್ ಸ್ಟೇಷನ್‌ಗಳು, ಗ್ರಾಹಕ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ಸ್ ಮತ್ತು ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಸಂವಹನ ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳಲ್ಲಿ ಬಳಸಲಾಗುವ ಮುಂದುವರಿದ ಸಾಧನಗಳ ವಿದ್ಯುತ್, ಉಷ್ಣ ಮತ್ತು ವಿಶ್ವಾಸಾರ್ಹತೆಯ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯನ್ನು ನಿರ್ಧರಿಸಲು ಈ ಎರಡು ಘಟಕಗಳು ಒಟ್ಟಾಗಿ ಕೆಲಸ ಮಾಡುತ್ತವೆ.

ತಲಾಧಾರವು ಭೌತಿಕ ಮತ್ತು ಸ್ಫಟಿಕದಂತಹ ಅಡಿಪಾಯವನ್ನು ಒದಗಿಸಿದರೆ, ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ ಪದರವು ಹೆಚ್ಚಿನ ಆವರ್ತನ, ಹೆಚ್ಚಿನ ಶಕ್ತಿ ಅಥವಾ ಆಪ್ಟೊಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ ನಡವಳಿಕೆಯನ್ನು ವಿನ್ಯಾಸಗೊಳಿಸಲಾದ ಕ್ರಿಯಾತ್ಮಕ ಕೋರ್ ಅನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತದೆ. ಹೆಚ್ಚಿನ ದಕ್ಷತೆ, ವೇಗದ ಸ್ವಿಚಿಂಗ್ ಮತ್ತು ಹೆಚ್ಚಿನ ಶಕ್ತಿ ಉಳಿತಾಯದೊಂದಿಗೆ ಸಾಧನಗಳನ್ನು ಅಭಿವೃದ್ಧಿಪಡಿಸಲು ಅವುಗಳ ಹೊಂದಾಣಿಕೆ - ಸ್ಫಟಿಕ ಜೋಡಣೆ, ಉಷ್ಣ ವಿಸ್ತರಣೆ ಮತ್ತು ವಿದ್ಯುತ್ ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳು - ಅತ್ಯಗತ್ಯ.

ಈ ಲೇಖನವು ತಲಾಧಾರಗಳು ಮತ್ತು ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನಗಳು ಹೇಗೆ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುತ್ತವೆ, ಅವು ಏಕೆ ಮುಖ್ಯವಾಗಿವೆ ಮತ್ತು ಅರೆವಾಹಕ ವಸ್ತುಗಳ ಭವಿಷ್ಯವನ್ನು ಅವು ಹೇಗೆ ರೂಪಿಸುತ್ತವೆ ಎಂಬುದನ್ನು ವಿವರಿಸುತ್ತದೆ.Si, GaN, GaAs, ನೀಲಮಣಿ, ಮತ್ತು SiC.

1. ಏನುಸೆಮಿಕಂಡಕ್ಟರ್ ತಲಾಧಾರ?

ತಲಾಧಾರವು ಸಾಧನವನ್ನು ನಿರ್ಮಿಸಲಾದ ಏಕ-ಸ್ಫಟಿಕ "ವೇದಿಕೆ"ಯಾಗಿದೆ. ಇದು ರಚನಾತ್ಮಕ ಬೆಂಬಲ, ಶಾಖದ ಹರಡುವಿಕೆ ಮತ್ತು ಉತ್ತಮ-ಗುಣಮಟ್ಟದ ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ ಬೆಳವಣಿಗೆಗೆ ಅಗತ್ಯವಾದ ಪರಮಾಣು ಟೆಂಪ್ಲೇಟ್ ಅನ್ನು ಒದಗಿಸುತ್ತದೆ.

ತಲಾಧಾರದ ಪ್ರಮುಖ ಕಾರ್ಯಗಳು

• ಯಾಂತ್ರಿಕ ಬೆಂಬಲ:ಸಂಸ್ಕರಣೆ ಮತ್ತು ಕಾರ್ಯಾಚರಣೆಯ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ಸಾಧನವು ರಚನಾತ್ಮಕವಾಗಿ ಸ್ಥಿರವಾಗಿರುವುದನ್ನು ಖಚಿತಪಡಿಸುತ್ತದೆ.

• ಸ್ಫಟಿಕ ಟೆಂಪ್ಲೇಟ್:ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ ಪದರವು ಜೋಡಿಸಲಾದ ಪರಮಾಣು ಲ್ಯಾಟಿಸ್‌ಗಳೊಂದಿಗೆ ಬೆಳೆಯಲು ಮಾರ್ಗದರ್ಶನ ನೀಡುತ್ತದೆ, ದೋಷಗಳನ್ನು ಕಡಿಮೆ ಮಾಡುತ್ತದೆ.

• ವಿದ್ಯುತ್ ಪಾತ್ರ:ವಿದ್ಯುತ್ ವಾಹಕವಾಗಬಹುದು (ಉದಾ. Si, SiC) ಅಥವಾ ನಿರೋಧಕವಾಗಿ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸಬಹುದು (ಉದಾ. ನೀಲಮಣಿ).

ಸಾಮಾನ್ಯ ತಲಾಧಾರ ವಸ್ತುಗಳು

ತಲಾಧಾರಗಳನ್ನು ಹೇಗೆ ತಯಾರಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ

1. ವಸ್ತು ಶುದ್ಧೀಕರಣ:ಸಿಲಿಕಾನ್ ಅಥವಾ ಇತರ ಸಂಯುಕ್ತಗಳನ್ನು ತೀವ್ರ ಶುದ್ಧತೆಗೆ ಸಂಸ್ಕರಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ.

2. ಏಕ-ಸ್ಫಟಿಕ ಬೆಳವಣಿಗೆ:

   • ಝೋಕ್ರಾಲ್ಸ್ಕಿ (CZ)– ಸಿಲಿಕಾನ್‌ಗೆ ಅತ್ಯಂತ ಸಾಮಾನ್ಯವಾದ ವಿಧಾನ.

   • ಫ್ಲೋಟ್-ಝೋನ್ (FZ)- ಅತಿ-ಹೆಚ್ಚಿನ ಶುದ್ಧತೆಯ ಹರಳುಗಳನ್ನು ಉತ್ಪಾದಿಸುತ್ತದೆ.

3. ವೇಫರ್ ಸ್ಲೈಸಿಂಗ್ ಮತ್ತು ಪಾಲಿಶ್:ಬೌಲ್‌ಗಳನ್ನು ವೇಫರ್‌ಗಳಾಗಿ ಕತ್ತರಿಸಿ ಪರಮಾಣು ಮೃದುತ್ವಕ್ಕೆ ಹೊಳಪು ಮಾಡಲಾಗುತ್ತದೆ.

4. ಶುಚಿಗೊಳಿಸುವಿಕೆ ಮತ್ತು ತಪಾಸಣೆ:ಮಾಲಿನ್ಯಕಾರಕಗಳನ್ನು ತೆಗೆದುಹಾಕುವುದು ಮತ್ತು ದೋಷದ ಸಾಂದ್ರತೆಯನ್ನು ಪರಿಶೀಲಿಸುವುದು.

ತಾಂತ್ರಿಕ ಸವಾಲುಗಳು

ಕೆಲವು ಮುಂದುವರಿದ ವಸ್ತುಗಳು - ವಿಶೇಷವಾಗಿ SiC - ಅತ್ಯಂತ ನಿಧಾನವಾದ ಸ್ಫಟಿಕ ಬೆಳವಣಿಗೆ (ಕೇವಲ 0.3–0.5 ಮಿಮೀ/ಗಂಟೆ), ಬಿಗಿಯಾದ ತಾಪಮಾನ ನಿಯಂತ್ರಣ ಅವಶ್ಯಕತೆಗಳು ಮತ್ತು ದೊಡ್ಡ ಸ್ಲೈಸಿಂಗ್ ನಷ್ಟಗಳು (SiC ಕೆರ್ಫ್ ನಷ್ಟವು >70% ತಲುಪಬಹುದು) ಕಾರಣದಿಂದಾಗಿ ಉತ್ಪಾದಿಸುವುದು ಕಷ್ಟಕರವಾಗಿದೆ. ಈ ಸಂಕೀರ್ಣತೆಯು ಮೂರನೇ ತಲೆಮಾರಿನ ವಸ್ತುಗಳು ದುಬಾರಿಯಾಗಿ ಉಳಿಯಲು ಒಂದು ಕಾರಣವಾಗಿದೆ.

2. ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ ಪದರ ಎಂದರೇನು?

ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ ಪದರವನ್ನು ಬೆಳೆಸುವುದು ಎಂದರೆ ತೆಳುವಾದ, ಹೆಚ್ಚಿನ ಶುದ್ಧತೆಯ, ಏಕ-ಸ್ಫಟಿಕ ಫಿಲ್ಮ್ ಅನ್ನು ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಜೋಡಿಸಲಾದ ಲ್ಯಾಟಿಸ್ ದೃಷ್ಟಿಕೋನದೊಂದಿಗೆ ತಲಾಧಾರದ ಮೇಲೆ ಠೇವಣಿ ಇಡುವುದು.

ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ ಪದರವು ನಿರ್ಧರಿಸುತ್ತದೆವಿದ್ಯುತ್ ವರ್ತನೆಅಂತಿಮ ಸಾಧನದ.

ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿ ಏಕೆ ಮುಖ್ಯ?

• ಸ್ಫಟಿಕ ಶುದ್ಧತೆಯನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸುತ್ತದೆ

• ಕಸ್ಟಮೈಸ್ ಮಾಡಿದ ಡೋಪಿಂಗ್ ಪ್ರೊಫೈಲ್‌ಗಳನ್ನು ಸಕ್ರಿಯಗೊಳಿಸುತ್ತದೆ

• ತಲಾಧಾರ ದೋಷ ಪ್ರಸರಣವನ್ನು ಕಡಿಮೆ ಮಾಡುತ್ತದೆ

• ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಬಾವಿಗಳು, HEMT ಗಳು ಮತ್ತು ಸೂಪರ್‌ಲ್ಯಾಟಿಸ್‌ಗಳಂತಹ ಎಂಜಿನಿಯರ್ಡ್ ಹೆಟೆರೊಸ್ಟ್ರಕ್ಚರ್‌ಗಳನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತದೆ.

ಮುಖ್ಯ ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನಗಳು

ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ಲಿ ನಿರ್ಣಾಯಕ ನಿಯತಾಂಕಗಳು

• ಪದರದ ದಪ್ಪ:ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಬಾವಿಗಳಿಗೆ ನ್ಯಾನೊಮೀಟರ್‌ಗಳು, ವಿದ್ಯುತ್ ಸಾಧನಗಳಿಗೆ 100 μm ವರೆಗೆ.

• ಡೋಪಿಂಗ್:ಕಲ್ಮಶಗಳ ನಿಖರವಾದ ಪರಿಚಯದ ಮೂಲಕ ವಾಹಕ ಸಾಂದ್ರತೆಯನ್ನು ಸರಿಹೊಂದಿಸುತ್ತದೆ.

• ಇಂಟರ್ಫೇಸ್ ಗುಣಮಟ್ಟ:ಜಾಲರಿ ಅಸಾಮರಸ್ಯದಿಂದ ಉಂಟಾಗುವ ಸ್ಥಳಾಂತರಗಳು ಮತ್ತು ಒತ್ತಡವನ್ನು ಕಡಿಮೆ ಮಾಡಬೇಕು.

ಹೆಟೆರೊಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ಲಿನ ಸವಾಲುಗಳು

• ಲ್ಯಾಟಿಸ್ ಅಸಾಮರಸ್ಯ:ಉದಾಹರಣೆಗೆ, GaN ಮತ್ತು ನೀಲಮಣಿಯ ಅಸಾಮರಸ್ಯ ~13% ರಷ್ಟು.

• ಉಷ್ಣ ವಿಸ್ತರಣಾ ಹೊಂದಾಣಿಕೆಯಿಲ್ಲ:ತಂಪಾಗಿಸುವ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ಬಿರುಕು ಬಿಡಬಹುದು.

• ದೋಷ ನಿಯಂತ್ರಣ:ಬಫರ್ ಪದರಗಳು, ಶ್ರೇಣೀಕೃತ ಪದರಗಳು ಅಥವಾ ನ್ಯೂಕ್ಲಿಯೇಶನ್ ಪದರಗಳು ಬೇಕಾಗುತ್ತವೆ.

3. ತಲಾಧಾರ ಮತ್ತು ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿ ಹೇಗೆ ಒಟ್ಟಿಗೆ ಕೆಲಸ ಮಾಡುತ್ತವೆ: ನೈಜ-ಪ್ರಪಂಚದ ಉದಾಹರಣೆಗಳು

ನೀಲಮಣಿಯ ಮೇಲೆ GaN LED

• ನೀಲಮಣಿ ಅಗ್ಗವಾಗಿದ್ದು ನಿರೋಧಕವಾಗಿದೆ.

• ಬಫರ್ ಪದರಗಳು (AlN ಅಥವಾ ಕಡಿಮೆ-ತಾಪಮಾನದ GaN) ಜಾಲರಿ ಅಸಾಮರಸ್ಯವನ್ನು ಕಡಿಮೆ ಮಾಡುತ್ತದೆ.

• ಬಹು-ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಬಾವಿಗಳು (InGaN/GaN) ಸಕ್ರಿಯ ಬೆಳಕು-ಹೊರಸೂಸುವ ಪ್ರದೇಶವನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತವೆ.

• 10⁸ cm⁻² ಗಿಂತ ಕಡಿಮೆ ದೋಷ ಸಾಂದ್ರತೆ ಮತ್ತು ಹೆಚ್ಚಿನ ಪ್ರಕಾಶಕ ದಕ್ಷತೆಯನ್ನು ಸಾಧಿಸುತ್ತದೆ.

SiC ಪವರ್ MOSFET

• ಹೆಚ್ಚಿನ ವಿಭಜನೆ ಸಾಮರ್ಥ್ಯವಿರುವ 4H-SiC ತಲಾಧಾರಗಳನ್ನು ಬಳಸುತ್ತದೆ.

• ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ ಡ್ರಿಫ್ಟ್ ಪದರಗಳು (10–100 μm) ವೋಲ್ಟೇಜ್ ರೇಟಿಂಗ್ ಅನ್ನು ನಿರ್ಧರಿಸುತ್ತವೆ.

• ಸಿಲಿಕಾನ್ ವಿದ್ಯುತ್ ಸಾಧನಗಳಿಗಿಂತ ~90% ಕಡಿಮೆ ವಹನ ನಷ್ಟವನ್ನು ನೀಡುತ್ತದೆ.

GaN-ಆನ್-ಸಿಲಿಕಾನ್ RF ಸಾಧನಗಳು

• ಸಿಲಿಕಾನ್ ತಲಾಧಾರಗಳು ವೆಚ್ಚವನ್ನು ಕಡಿಮೆ ಮಾಡುತ್ತವೆ ಮತ್ತು CMOS ನೊಂದಿಗೆ ಏಕೀಕರಣವನ್ನು ಅನುಮತಿಸುತ್ತವೆ.

• AlN ನ್ಯೂಕ್ಲಿಯೇಶನ್ ಪದರಗಳು ಮತ್ತು ಎಂಜಿನಿಯರ್ಡ್ ಬಫರ್‌ಗಳು ಒತ್ತಡವನ್ನು ನಿಯಂತ್ರಿಸುತ್ತವೆ.

• ಮಿಲಿಮೀಟರ್-ತರಂಗ ಆವರ್ತನಗಳಲ್ಲಿ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುವ 5G PA ಚಿಪ್‌ಗಳಿಗೆ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ.

4. ತಲಾಧಾರ vs. ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿ: ಪ್ರಮುಖ ವ್ಯತ್ಯಾಸಗಳು

5. ಈ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನಗಳು ಎಲ್ಲಿಗೆ ಹೋಗುತ್ತಿವೆ

ದೊಡ್ಡ ವೇಫರ್ ಗಾತ್ರಗಳು

• Si 12-ಇಂಚಿಗೆ ಬದಲಾಯಿಸಲಾಗುತ್ತಿದೆ

• SiC 6-ಇಂಚಿನಿಂದ 8-ಇಂಚಿಗೆ ಬದಲಾಗುತ್ತಿದೆ (ಪ್ರಮುಖ ವೆಚ್ಚ ಕಡಿತ)

• ದೊಡ್ಡ ವ್ಯಾಸವು ಥ್ರೋಪುಟ್ ಅನ್ನು ಸುಧಾರಿಸುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಸಾಧನದ ವೆಚ್ಚವನ್ನು ಕಡಿಮೆ ಮಾಡುತ್ತದೆ

ಕಡಿಮೆ ವೆಚ್ಚದ ಹೆಟೆರೊಎಪಿಟಾಕ್ಸಿ

ದುಬಾರಿ ಸ್ಥಳೀಯ GaN ತಲಾಧಾರಗಳಿಗೆ ಪರ್ಯಾಯವಾಗಿ GaN-on-Si ಮತ್ತು GaN-on-sapphire ಜನಪ್ರಿಯತೆಯನ್ನು ಗಳಿಸುತ್ತಲೇ ಇವೆ.

ಸುಧಾರಿತ ಕತ್ತರಿಸುವುದು ಮತ್ತು ಬೆಳವಣಿಗೆಯ ತಂತ್ರಗಳು

• ಕೋಲ್ಡ್-ಸ್ಪ್ಲಿಟ್ ಸ್ಲೈಸಿಂಗ್ SiC ಕೆರ್ಫ್ ನಷ್ಟವನ್ನು ~75% ರಿಂದ ~50% ಕ್ಕೆ ಕಡಿಮೆ ಮಾಡಬಹುದು.

• ಸುಧಾರಿತ ಕುಲುಮೆ ವಿನ್ಯಾಸಗಳು SiC ಇಳುವರಿ ಮತ್ತು ಏಕರೂಪತೆಯನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸುತ್ತವೆ.

ಆಪ್ಟಿಕಲ್, ಪವರ್ ಮತ್ತು ಆರ್ಎಫ್ ಕಾರ್ಯಗಳ ಏಕೀಕರಣ

ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯು ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಬಾವಿಗಳು, ಸೂಪರ್‌ಲ್ಯಾಟಿಸ್‌ಗಳು ಮತ್ತು ಭವಿಷ್ಯದ ಸಂಯೋಜಿತ ಫೋಟೊನಿಕ್ಸ್ ಮತ್ತು ಹೆಚ್ಚಿನ ದಕ್ಷತೆಯ ವಿದ್ಯುತ್ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ಸ್‌ಗೆ ಅಗತ್ಯವಾದ ಸ್ಟ್ರೈನ್ಡ್ ಪದರಗಳನ್ನು ಸಕ್ರಿಯಗೊಳಿಸುತ್ತದೆ.

ತೀರ್ಮಾನ

ಆಧುನಿಕ ಅರೆವಾಹಕಗಳ ತಾಂತ್ರಿಕ ಬೆನ್ನೆಲುಬಾಗಿ ತಲಾಧಾರಗಳು ಮತ್ತು ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿ ರೂಪುಗೊಳ್ಳುತ್ತವೆ. ತಲಾಧಾರವು ಭೌತಿಕ, ಉಷ್ಣ ಮತ್ತು ಸ್ಫಟಿಕದಂತಹ ಅಡಿಪಾಯವನ್ನು ಹೊಂದಿಸುತ್ತದೆ, ಆದರೆ ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ ಪದರವು ಸುಧಾರಿತ ಸಾಧನ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯನ್ನು ಸಕ್ರಿಯಗೊಳಿಸುವ ವಿದ್ಯುತ್ ಕಾರ್ಯಗಳನ್ನು ವ್ಯಾಖ್ಯಾನಿಸುತ್ತದೆ.

ಬೇಡಿಕೆ ಹೆಚ್ಚಾದಂತೆಹೆಚ್ಚಿನ ಶಕ್ತಿ, ಹೆಚ್ಚಿನ ಆವರ್ತನ ಮತ್ತು ಹೆಚ್ಚಿನ ದಕ್ಷತೆವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳು - ವಿದ್ಯುತ್ ವಾಹನಗಳಿಂದ ದತ್ತಾಂಶ ಕೇಂದ್ರಗಳವರೆಗೆ - ಈ ಎರಡು ತಂತ್ರಜ್ಞಾನಗಳು ಒಟ್ಟಿಗೆ ವಿಕಸನಗೊಳ್ಳುತ್ತಲೇ ಇರುತ್ತವೆ. ವೇಫರ್ ಗಾತ್ರ, ದೋಷ ನಿಯಂತ್ರಣ, ಹೆಟೆರೊಎಪಿಟಾಕ್ಸಿ ಮತ್ತು ಸ್ಫಟಿಕ ಬೆಳವಣಿಗೆಯಲ್ಲಿನ ನಾವೀನ್ಯತೆಗಳು ಮುಂದಿನ ಪೀಳಿಗೆಯ ಅರೆವಾಹಕ ವಸ್ತುಗಳು ಮತ್ತು ಸಾಧನ ವಾಸ್ತುಶಿಲ್ಪಗಳನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತವೆ.