Diamant - bodoča zvezda polprevodnikov

S hitrim razvojem znanosti in tehnologije ter naraščajočim svetovnim povpraševanjem po visokozmogljivih in visoko učinkovitih polprevodniških napravah postajajo materiali za polprevodniške substrate kot ključni tehnični člen v verigi polprevodniške industrije vse pomembnejši. Med njimi diamant, kot potencialni "ultimativni polprevodniški" material četrte generacije, zaradi svojih odličnih fizikalnih in kemijskih lastnosti postopoma postaja žarišče raziskav in novi priljubljeni trg na področju polprevodniških substratnih materialov.

Lastnosti diamanta

Diamant je tipičen atomski kristal in kristal s kovalentno vezjo. Kristalna struktura je prikazana na sliki 1(a). Sestavljen je iz srednjega ogljikovega atoma, ki je vezan na ostale tri ogljikove atome v obliki kovalentne vezi. Slika 1(b) je struktura enotske celice, ki odraža mikroskopsko periodičnost in strukturno simetrijo diamanta.

Slika 1 Diamant (a) kristalna struktura; (b) strukturo enotne celice

Diamant je najtrši material na svetu z edinstvenimi fizikalnimi in kemijskimi lastnostmi ter odličnimi lastnostmi v mehaniki, elektriki in optiki, kot je prikazano na sliki 2: Diamant ima ultra visoko trdoto in odpornost proti obrabi, primeren za rezanje materialov in vdolbinic itd. ., in se dobro uporablja v abrazivnih orodjih; (2) Diamant ima največjo toplotno prevodnost (2200 W/(m·K)) med doslej znanimi naravnimi snovmi, kar je 4-krat večja od silicijevega karbida (SiC), 13-krat večja od silicija (Si), 43-krat večja od galijev arzenid (GaAs) in 4- do 5-krat večji od bakra in srebra ter se uporablja v napravah z visoko močjo. Ima odlične lastnosti, kot je nizek koeficient toplotnega raztezanja (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) in visokim modulom elastičnosti. Je odličen elektronski embalažni material z dobrimi obeti. 

Gibljivost lukenj je 4500 cm2·V^-1·s^-1, gibljivost elektronov pa je 3800 cm2·V^-1·s^-1, zaradi česar je uporaben za stikalne naprave za visoke hitrosti; jakost razgradnega polja je 13MV/cm, kar se lahko uporabi za visokonapetostne naprave; vrednost Baliga znaša kar 24664, kar je veliko več kot pri drugih materialih (večja kot je vrednost, večji je potencial za uporabo v stikalnih napravah). 

Polikristalni diamant ima tudi dekorativni učinek. Diamantna prevleka nima le bliskovitega učinka, ampak ima tudi različne barve. Uporablja se pri izdelavi vrhunskih ur, dekorativnih premazov za luksuzno blago in neposredno kot modni izdelek. Trdnost in trdota diamanta sta 6-krat in 10-krat večja od stekla Corning, zato se uporablja tudi v zaslonih mobilnih telefonov in objektivih fotoaparatov.

Slika 2 Lastnosti diamanta in drugih polprevodniških materialov

Priprava diamanta

Rast diamantov v glavnem delimo na metodo HTHP (metoda visoke temperature in visokega tlaka) inMetoda CVD (metoda kemičnega naparjevanja). Metoda CVD je postala glavna metoda za pripravo diamantnih polprevodniških substratov zaradi svojih prednosti, kot so visoka tlačna odpornost, velika radijska frekvenca, nizki stroški in visoka temperaturna odpornost. Obe metodi rasti se osredotočata na različne aplikacije in bosta še dolgo v prihodnosti kazali komplementarni odnos.

Metoda visoke temperature in visokega tlaka (HTHP) je izdelava kolone z grafitnim jedrom z mešanjem grafitnega prahu, prahu kovinskega katalizatorja in dodatkov v razmerju, ki ga določa formula surovine, nato pa granuliranje, statično stiskanje, zmanjšanje vakuuma, pregledovanje, tehtanje. in drugi procesi. Steber z grafitnim jedrom se nato sestavi s kompozitnim blokom, pomožnimi deli in drugimi zaprtimi mediji za prenos tlaka, da se oblikuje sintetični blok, ki se lahko uporabi za sintezo monokristalov diamanta. Po tem se postavi v šeststransko zgornjo stiskalnico za segrevanje in tlak in se dolgo časa ohranja konstantno. Ko je rast kristalov končana, se toplota ustavi in ​​tlak se sprosti ter zaprti medij za prenos tlaka se odstrani, da se pridobi sintetična kolona, ​​ki se nato prečisti in sortira, da se pridobijo monokristali diamanta.

Slika 3 Strukturni diagram šeststranske zgornje stiskalnice

Zaradi uporabe kovinskih katalizatorjev diamantni delci, pripravljeni po industrijski HTHP metodi, pogosto vsebujejo določene primesi in napake, zaradi dodatka dušika pa imajo običajno rumen odtenek. Po nadgradnji tehnologije lahko visokotemperaturna in visokotlačna priprava diamantov uporabi metodo temperaturnega gradienta za proizvodnjo visokokakovostnih monokristalov diamantov z velikimi delci, s čimer se uresniči preoblikovanje industrijskega abrazivnega razreda diamanta v razred dragulja.

Slika 4 Morfologija diamanta

Kemično naparjevanje (CVD) je najbolj priljubljena metoda za sintezo diamantnih filmov. Glavne metode vključujejo kemično nanašanje z vročimi filamenti (HFCVD) inmikrovalovno plazemsko kemično naparjevanje (MPCVD).

(1) Kemično nanašanje vročih filamentov s paro

Osnovno načelo HFCVD je trčenje reakcijskega plina z visokotemperaturno kovinsko žico v vakuumski komori, da se ustvarijo različne zelo aktivne "nenaelektrene" skupine. Ustvarjeni atomi ogljika se nanesejo na material substrata in tvorijo nanodiamante. Oprema je preprosta za uporabo, ima nizke stroške rasti, se široko uporablja in je enostavno doseči industrijsko proizvodnjo. Zaradi nizke učinkovitosti termične razgradnje in resne kontaminacije kovinskih atomov iz žarilne nitke in elektrode se HFCVD običajno uporablja le za pripravo polikristalnih diamantnih filmov, ki vsebujejo veliko količino ogljikovih nečistoč faze sp2 na meji zrn, zato je na splošno sivo-črn .

Slika 5 (a) diagram opreme HFCVD, (b) diagram strukture vakuumske komore

(2) Mikrovalovno plazemsko kemično nanašanje s paro

Metoda MPCVD uporablja magnetron ali polprevodniški vir za ustvarjanje mikrovalov specifične frekvence, ki se dovajajo v reakcijsko komoro skozi valovod in tvorijo stabilne stoječe valove nad podlago v skladu s posebnimi geometrijskimi dimenzijami reakcijske komore. 

Visoko fokusirano elektromagnetno polje razgradi reakcijska plina metan in vodik, da nastane stabilna plazemska krogla. Z elektroni, z ioni bogate in aktivne atomske skupine bodo nukleirale in rasle na substratu pri ustrezni temperaturi in tlaku, kar bo povzročilo počasno homoepitaksialno rast. V primerjavi s HFCVD se izogne ​​kontaminaciji diamantnega filma zaradi izhlapevanja vroče kovinske žice in poveča čistost nanodiamantnega filma. V procesu je mogoče uporabiti več reakcijskih plinov kot HFCVD, odloženi monokristali diamanta pa so čistejši od naravnih diamantov. Zato je mogoče pripraviti diamantna polikristalna okna optične kakovosti, diamantne monokristale elektronske kakovosti itd.

Slika 6 Notranja struktura MPCVD

Razvoj in dilema diamanta

Odkar je bil leta 1963 uspešno razvit prvi umetni diamant, je po več kot 60 letih razvoja moja država postala država z največjo proizvodnjo umetnega diamanta na svetu, ki predstavlja več kot 90 % svetovne proizvodnje. Vendar pa so kitajski diamanti večinoma koncentrirani na trgih nizkocenovnih in srednjecenovnih aplikacij, kot so brušenje abrazivov, optika, čiščenje odplak in druga področja. Razvoj domačih diamantov je velik, vendar ne močan, in je v slabšem položaju na številnih področjih, kot so vrhunska oprema in materiali elektronske kakovosti. 

Po akademskih dosežkih na področju CVD diamantov prednjačijo raziskave v ZDA, na Japonskem in v Evropi, pri nas pa je izvirnih raziskav relativno malo. S podporo ključnih raziskav in razvoja "13. petletnega načrta" so domači spojeni epitaksialni monokristali diamantov velike velikosti skočili na prvorazredni položaj na svetu. V smislu heterogenih epitaksialnih monokristalov še vedno obstaja velika vrzel v velikosti in kakovosti, ki bo morda presežena v "14. petletki".

Raziskovalci z vsega sveta so izvedli poglobljene raziskave o rasti, dopiranju in sestavljanju naprav diamantov, da bi realizirali uporabo diamantov v optoelektronskih napravah in izpolnili pričakovanja ljudi glede diamantov kot večnamenskega materiala. Vendar je pasovna vrzel diamanta kar 5,4 eV. Njegovo prevodnost tipa p je mogoče doseči z dopiranjem bora, zelo težko pa je doseči prevodnost tipa n. Raziskovalci iz različnih držav so dopirali nečistoče, kot so dušik, fosfor in žveplo, v monokristalni ali polikristalni diamant v obliki nadomeščanja ogljikovih atomov v rešetki. Vendar pa zaradi globoke donorske ravni energije ali težav pri ionizaciji nečistoč ni bila dosežena dobra prevodnost tipa n, kar močno omejuje raziskave in uporabo elektronskih naprav na osnovi diamantov. 

Hkrati je monokristalni diamant z veliko površino težko pripraviti v velikih količinah, kot so monokristalne silicijeve rezine, kar je še ena težava pri razvoju polprevodniških naprav na osnovi diamanta. Zgornja dva problema kažeta, da je z obstoječo teorijo polprevodniškega dopinga in razvoja naprav težko rešiti probleme diamantnega dopinga n-tipa in sestavljanja naprav. Treba je poiskati druge metode dopinga in dopante ali celo razviti nove principe dopinga in razvoja naprav.

Previsoke cene omejujejo tudi razvoj diamantov. V primerjavi s ceno silicija je cena silicijevega karbida 30-40-krat višja od silicija, cena galijevega nitrida je 650-1300-krat višja od silicija, cena sintetičnih diamantnih materialov pa je približno 10.000-krat višja od silicija. Previsoka cena omejuje razvoj in uporabo diamantov. Kako zmanjšati stroške, je prelomna točka, da rešimo razvojno dilemo.

Outlook

Čeprav se diamantni polprevodniki trenutno soočajo s težavami pri razvoju, še vedno veljajo za najbolj obetaven material za pripravo naslednje generacije visokozmogljivih, visokofrekvenčnih, visokotemperaturnih in nizkoenergetskih elektronskih naprav. Trenutno najbolj vroče polprevodnike zaseda silicijev karbid. Silicijev karbid ima strukturo diamanta, vendar je polovica njegovih atomov ogljika. Zato ga lahko štejemo za polovico diamanta. Silicijev karbid bi moral biti prehodni produkt iz obdobja silicijevih kristalov v obdobje diamantnih polprevodnikov.

Beseda "Diamanti so večni in en diamant traja večno" je ime De Beers zaslovelo do danes. Za diamantne polprevodnike lahko ustvarjanje druge vrste slave zahteva stalno in nenehno raziskovanje.

VeTek Semiconductor je profesionalni kitajski proizvajalecPrevleka iz tantalovega karbida, Prevleka iz silicijevega karbida, GaN izdelki,Poseben grafit, Keramika iz silicijevega karbidainDruga polprevodniška keramika. VeTek Semiconductor je zavezan zagotavljanju naprednih rešitev za različne premazne izdelke za industrijo polprevodnikov.

Če imate kakršna koli vprašanja ali potrebujete dodatne podrobnosti, ne oklevajte in stopite v stik z nami.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Elektronski naslov: anny@veteksemi.com