Дијамант - будућа звезда полупроводника

Са брзим развојем науке и технологије и растућом глобалном потражњом за полупроводничким уређајима високих перформанси и високе ефикасности, материјали за полупроводничке супстрате, као кључна техничка карика у ланцу индустрије полупроводника, постају све важнији. Међу њима, дијамант, као потенцијални материјал „крајњег полупроводника” четврте генерације, постепено постаје истраживачко жариште и нови фаворит на тржишту у области полупроводничких супстратних материјала због својих одличних физичких и хемијских својстава.

Својства дијаманта

Дијамант је типичан атомски кристал и кристал ковалентне везе. Кристална структура је приказана на слици 1(а). Састоји се од средњег атома угљеника који је везан за остала три атома угљеника у облику ковалентне везе. Слика 1(б) је структура јединичне ћелије, која одражава микроскопску периодичност и структурну симетрију дијаманта.

Слика 1 Дијамант (а) кристална структура; (б) структуру јединичне ћелије

Дијамант је најтврђи материјал на свету, са јединственим физичким и хемијским својствима, и одличним својствима у механици, електрицитету и оптици, као што је приказано на слици 2: Дијамант има ултра-високу тврдоћу и отпорност на хабање, погодан за сечење материјала и индентера итд. ., и добро се користи у абразивним алатима; (2) Дијамант има највећу топлотну проводљивост (2200В/(м·К)) међу природним супстанцама познатим до сада, која је 4 пута већа од силицијум карбида (СиЦ), 13 пута већа од силицијум (Си), 43 пута већа од галијум арсенид (ГаАс), и 4 до 5 пута већи од бакра и сребра, и користи се у уређајима велике снаге. Има одлична својства као што је низак коефицијент топлотног ширења (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) и високог модула еластичности. То је одличан електронски материјал за паковање са добрим изгледима. 

Покретљивост рупе је 4500 цм2·В^-1·с^-1, а покретљивост електрона је 3800 цм2·В^-1·с^-1, што га чини применљивим на комутационе уређаје велике брзине; јачина поља пробоја је 13МВ/цм, што се може применити на високонапонске уређаје; вредност Балиге је чак 24664, што је много више од осталих материјала (што је већа вредност, већи је потенцијал за употребу у комутационим уређајима). 

Поликристални дијамант такође има декоративни ефекат. Дијамантски премаз не само да има блиц ефекат, већ има и разне боје. Користи се у производњи врхунских сатова, украсних премаза за луксузну робу и директно као модни производ. Чврстоћа и тврдоћа дијаманта су 6 и 10 пута већа од Цорнинг стакла, па се такође користи у екранима мобилних телефона и сочивима фотоапарата.

Слика 2 Особине дијаманта и других полупроводничких материјала

Припрема дијаманта

Раст дијаманата се углавном дели на ХТХП метод (метод високе температуре и високог притиска) иЦВД метода (метода хемијског таложења паре). ЦВД метода је постала главна метода за припрему дијамантских полупроводничких супстрата због својих предности као што су отпорност на висок притисак, велика радио фреквенција, ниска цена и отпорност на високе температуре. Две методе раста се фокусирају на различите примене и оне ће још дуго у будућности показивати комплементаран однос.

Метода високе температуре и високог притиска (ХТХП) је да се направи графитна колона мешањем графитног праха, праха металног катализатора и адитива у пропорцији која је одређена формулом сировог материјала, а затим гранулацијом, статичком пресовањем, смањењем вакуума, инспекцијом, вагањем и други процеси. Колона са графитним језгром се затим саставља са композитним блоком, помоћним деловима и другим затвореним медијима за пренос притиска да би се формирао синтетички блок који се може користити за синтетизацију монокристала дијаманата. Након тога се ставља у шестострану горњу пресу ради загревања и притиска и одржава се константно дуго времена. Након што је раст кристала завршен, топлота се зауставља и притисак се ослобађа, а затворени медијум за пренос притиска се уклања да би се добила синтетичка колона, која се затим пречишћава и сортира да би се добили монокристали дијаманта.

Слика 3 Структурни дијаграм шестостране горње пресе

Због употребе металних катализатора, честице дијаманата припремљене индустријском ХТХП методом често садрже одређене нечистоће и недостатке, а због додатка азота најчешће имају жуту нијансу. Након надоградње технологије, припрема дијаманата на високој температури и високом притиску може користити методу температурног градијента за производњу висококвалитетних монокристала дијаманата великих честица, остварујући трансформацију индустријског абразивног квалитета дијаманата у квалитет драгуља.

Слика 4 Морфологија дијаманата

Хемијско таложење паре (ЦВД) је најпопуларнији метод за синтезу дијамантских филмова. Главне методе укључују хемијско таложење паре врућих филамената (ХФЦВД) имикроталасна плазма хемијско таложење паре (МПЦВД).

(1) Хемијско таложење паре врућих филамената

Основни принцип ХФЦВД-а је да се судари реакциони гас са високотемпературном металном жицом у вакуумској комори да би се створиле различите високо активне "ненаелектрисане" групе. Генерисани атоми угљеника се таложе на материјал супстрата да би се формирали нанодијаманти. Опрема је једноставна за руковање, има ниске трошкове раста, широко се користи и лако се постиже индустријска производња. Због ниске ефикасности термичког разлагања и озбиљне контаминације атома метала из филамента и електроде, ХФЦВД се обично користи само за припрему поликристалних дијамантских филмова који садрже велику количину нечистоћа угљеника у сп2 фази на граници зрна, тако да је углавном сиво-црна. .

Слика 5 (а) дијаграм опреме ХФЦВД, (б) дијаграм структуре вакуумске коморе

(2) Микроталасна плазма хемијско таложење паре

МПЦВД метода користи магнетрон или извор чврстог стања за генерисање микроталаса одређене фреквенције, који се доводе у реакциону комору кроз таласовод и формирају стабилне стојеће таласе изнад супстрата према посебним геометријским димензијама реакционе коморе. 

Високо фокусирано електромагнетно поље овде разлаже реакционе гасове метан и водоник да би се формирала стабилна плазма кугла. Електронима богате, јонима и активне атомске групе ствараће језгро и расти на супстрату на одговарајућој температури и притиску, узрокујући споро хомоепитаксијални раст. У поређењу са ХФЦВД, избегава контаминацију дијамантског филма узроковану испаравањем вруће металне жице и повећава чистоћу нанодијамантског филма. У процесу се може користити више реакционих гасова него ХФЦВД, а депоновани монокристали дијаманата су чистији од природних дијаманата. Због тога се могу припремити дијамантски поликристални прозори оптичког квалитета, монокристали дијаманта електронског квалитета итд.

Слика 6 Унутрашња структура МПЦВД

Развој и дилема дијаманта

Од када је први вештачки дијамант успешно развијен 1963. године, после више од 60 година развоја, моја земља је постала земља са највећом производњом вештачког дијаманта на свету, чинећи више од 90% света. Међутим, кинески дијаманти су углавном концентрисани на нижим и средњим тржиштима апликација, као што су абразивно брушење, оптика, третман отпадних вода и друга поља. Развој домаћих дијаманата је велики, али не и снажан, и у недостатку је у многим областима као што су опрема врхунског квалитета и материјали електронског квалитета. 

По академским достигнућима у области ЦВД дијаманата, истраживања у Сједињеним Државама, Јапану и Европи су на водећој позицији, ау мојој земљи постоји релативно мало оригиналних истраживања. Уз подршку кључног истраживања и развоја „13. петогодишњег плана“, домаћи спојени епитаксијални монокристали дијаманта великих димензија скочили су на првокласну позицију у свету. У погледу хетерогених епитаксијалних монокристала и даље постоји велики јаз у величини и квалитету, који се може превазићи у „14. петогодишњем плану“.

Истраживачи из целог света спровели су детаљна истраживања раста, допинга и склапања дијаманата како би реализовали примену дијаманата у оптоелектронским уређајима и испунили очекивања људи за дијаманте као мултифункционални материјал. Међутим, ширина појаса дијаманта је чак 5,4 еВ. Његова проводљивост п-типа може се постићи допирањем бора, али је веома тешко добити проводљивост н-типа. Истраживачи из различитих земаља су допирали нечистоће као што су азот, фосфор и сумпор у монокристални или поликристални дијамант у облику замене атома угљеника у решетки. Међутим, због дубоког нивоа енергије донора или потешкоћа у јонизацији нечистоћа, није постигнута добра проводљивост н-типа, што у великој мери ограничава истраживање и примену електронских уређаја на бази дијаманата. 

Истовремено, монокристални дијамант велике површине је тешко припремити у великим количинама попут монокристалних силицијумских плочица, што је још једна потешкоћа у развоју полупроводничких уређаја на бази дијаманата. Горња два проблема показују да постојећа теорија допинга полупроводника и развоја уређаја тешко решава проблеме допинга дијаманта н-типа и склапања уређаја. Неопходно је тражити друге допинг методе и допанте, или чак развити нове принципе допинга и развоја уређаја.

Претерано високе цене такође ограничавају развој дијаманата. У поређењу са ценом силицијума, цена силицијум карбида је 30-40 пута већа од цене силицијума, цена галијум нитрида је 650-1300 пута већа од цене силицијума, а цена синтетичких дијамантских материјала је отприлике 10.000 пута већа од цене силицијума. Превисока цена ограничава развој и примену дијаманата. Како смањити трошкове је тачка пробоја за разбијање развојне дилеме.

Оутлоок

Иако се дијамантски полупроводници тренутно суочавају са потешкоћама у развоју, они се и даље сматрају материјалом који највише обећава за припрему следеће генерације електронских уређаја велике снаге, високе фреквенције, високе температуре и мале снаге. Тренутно, најтоплије полупроводнике заузима силицијум карбид. Силицијум карбид има структуру дијаманта, али половина његових атома је угљеник. Стога се може сматрати пола дијаманта. Силицијум карбид би требало да буде прелазни производ из ере силицијумских кристала у еру дијамантских полупроводника.

Фраза „Дијаманти су заувек, а један дијамант траје заувек“ прославила је име Де Беерса до данас. За дијамантске полупроводнике, стварање друге врсте славе може захтевати трајно и континуирано истраживање.

ВеТек Семицондуцтор је професионални кинески произвођачТантал-карбид премаз, Премаз од силицијум карбида, ГаН производи,Специјални графит, Керамика од силицијум карбидаиДруга полупроводничка керамика. ВеТек Семицондуцтор је посвећен пружању напредних решења за различите премазе за индустрију полупроводника.

Ако имате било каквих питања или су вам потребни додатни детаљи, не устручавајте се да нас контактирате.

Моб/ВхатсАПП: +86-180 6922 0752

Е-пошта: анни@ветексеми.цом