Diamond - viitoarea vedetă a semiconductorilor

Odată cu dezvoltarea rapidă a științei și tehnologiei și cererea globală din ce în ce mai mare de dispozitive semiconductoare de înaltă performanță și de înaltă eficiență, materialele cu substrat semiconductor, ca legătură tehnică cheie în lanțul industriei semiconductoare, devin din ce în ce mai importante. Printre aceștia, Diamond, ca un potențial material „semiconductor final” din a patra generație, devine treptat un hotspot de cercetare și un nou favorit al pieței în domeniul materialelor de substrat semiconductor, datorită proprietăților sale fizice și chimice excelente.

Proprietățile diamantului

Diamantul este un cristal atomic tipic și cristal de legături covalente. Structura cristalului este prezentată în figura 1 (a). Este format din atomul de carbon mediu legat de ceilalți trei atomi de carbon sub forma unei legături covalente. Figura 1 (b) este structura celulară unitară, care reflectă periodoscopia microscopică și simetria structurală a diamantului.

Figura 1 Diamantul (a) structură cristalină; (b) structura celulei unitare

Diamantul este cel mai greu material din lume, cu proprietăți fizice și chimice unice și proprietăți excelente în mecanică, electricitate și optică, așa cum se arată în figura 2: Diamond are o duritate ultra-înaltă și rezistență la uzură, potrivită pentru tăierea materialelor și indenterilor, etc. . și este bine utilizat în instrumente abrazive; (2) Diamantul are cea mai mare conductivitate termică (2200W/(M · K)) printre substanțele naturale cunoscute până în prezent, care este de 4 ori mai mare decât carbura de siliciu (SIC), de 13 ori mai mare decât siliciul (SI), de 43 de ori mai mare decât Arsenidă de galiu (GaAs) și de 4 până la 5 ori mai mare decât cuprul și argintul și este utilizat în dispozitive de mare putere. Are proprietăți excelente, cum ar fi coeficientul de expansiune termică scăzut (0,8 × 10-6-1,5 × 10^-6K^-1) și modul elastic ridicat. Este un material de ambalare electronică excelent, cu perspective bune. 

Mobilitatea orificiului este de 4500 cm2·V^-1· S^-1, iar mobilitatea electronilor este de 3800 cm2·V^-1· S^-1, ceea ce îl face aplicabil dispozitivelor de comutare de mare viteză; intensitatea câmpului de defalcare este de 13MV/cm, care poate fi aplicată dispozitivelor de înaltă tensiune; cifra de merit Baliga este la fel de mare ca 24664, ceea ce este mult mai mare decât alte materiale (cu cât valoarea este mai mare, cu atât este mai mare potențialul de utilizare în dispozitivele de comutare). 

Diamantul policristalin are și un efect decorativ. Acoperirea cu diamant nu numai că are un efect flash, ci are și o varietate de culori. Este folosit la fabricarea de ceasuri de ultimă generație, acoperiri decorative pentru bunuri de lux și direct ca produs de modă. Rezistența și duritatea diamantului sunt de 6 ori și de 10 ori mai mari decât ale sticlei Corning, deci este folosit și în afișajele telefoanelor mobile și lentilele camerei.

Figura 2 Proprietățile diamantului și a altor materiale semiconductoare

Pregătirea diamantului

Creșterea diamantului este împărțită în principal în metoda HTHP (metoda de temperatură ridicată și de înaltă presiune) șiMetoda CVD (metoda de depunere chimică în vapori). Metoda CVD a devenit metoda principală pentru prepararea substraturilor semiconductoare cu diamante datorită avantajelor sale, cum ar fi rezistența la presiune ridicată, frecvența radio mare, costurile reduse și rezistența la temperatură ridicată. Cele două metode de creștere se concentrează pe aplicații diferite și vor arăta o relație complementară pentru o lungă perioadă de timp în viitor.

Metoda de temperatură înaltă și presiune înaltă (HTHP) este de a face o coloană de miez de grafit amestecând pulbere de grafit, pulbere de catalizator metalic și aditivi în proporția specificată de formula materiei prime, apoi granulare, presare statică, reducerea vidului, inspecție, cântărire și alte procese. Coloana de miez de grafit este apoi asamblată cu blocul compozit, părțile auxiliare și alte medii de transmisie a presiunii sigilate pentru a forma un bloc sintetic care poate fi utilizat pentru a sintetiza cristale simple de diamant. După aceea, este plasat într-o presă de sus cu șase fețe pentru încălzire și presurizare și menținut constant pentru o lungă perioadă de timp. După ce creșterea cristalelor este finalizată, căldura este oprită și presiunea este eliberată, iar mediul de transmisie a presiunii sigilat este îndepărtat pentru a obține coloana sintetică, care este apoi purificată și sortată pentru a obține cristale simple de diamant.

Figura 3 Schema de structură a presei de sus pe șase fețe

Datorită utilizării catalizatorilor metalici, particulele de diamant preparate prin metoda industrială HTHP conțin adesea anumite impurități și defecte, iar datorită adăugării de azot, au de obicei o nuanță galbenă. După actualizarea tehnologiei, prepararea diamantelor la temperatură ridicată și la presiune înaltă poate utiliza metoda gradientului de temperatură pentru a produce cristale unice de diamant de înaltă calitate cu particule mari, realizând transformarea gradului abraziv industrial al diamantului în calitatea pietrei prețioase.

Figura 4 Morfologia diamantului

Depunerea chimică în vapori (CVD) este cea mai populară metodă de sinteză a filmelor de diamant. Principalele metode includ depunerea chimică în vapori cu filament fierbinte (HFCVD) șiDepunerea de vapori chimici cu plasmă cu microunde (MPCVD).

(1) Depunerea de vapori chimici cu filament fierbinte

Principiul de bază al HFCVD este de a ciocni gazul de reacție cu un fir de metal la temperaturi ridicate într-o cameră de vid pentru a genera o varietate de grupuri „nedezliate” extrem de active. Atomii de carbon generați sunt depuși pe materialul de substrat pentru a forma nanodiamonduri. Echipamentul este simplu de operat, are costuri de creștere scăzute, este utilizat pe scară largă și este ușor de realizat producția industrială. Datorită eficienței scăzute a descompunerii termice și a contaminării grave a atomului de metal din filament și electrod, HFCVD este de obicei utilizat doar pentru prepararea unor filme de diamant policristalin care conțin o cantitate mare de impurități de carbon în fază SP2 la limita de cereale, deci este în general în general gri-negru-negru .

Figura 5 (a) diagrama echipamentului HFCVD, (b) diagrama structurii camerei de vid

(2) Depunerea de vapori chimici cu plasmă la microunde

Metoda MPCVD folosește magnetron sau sursă în stare solidă pentru a genera microunde de frecvență specifică, care sunt introduse în camera de reacție prin ghidul de undă și formează unde stabile stabile deasupra substratului în funcție de dimensiunile geometrice speciale ale camerei de reacție. 

Câmpul electromagnetic extrem de concentrat descompune aici gazele de reacție metan și hidrogenul pentru a forma o bilă plasmatică stabilă. Grupurile atomice bogate în electroni, bogate în ioni și activi vor fi nucleate și vor crește pe substrat la temperatura și presiunea corespunzătoare, provocând lent creșterea homoepitaxială. În comparație cu HFCVD, evită contaminarea filmului de diamant cauzat de evaporarea sârmei de metal fierbinte și crește puritatea filmului nanodiamond. Mai multe gaze de reacție pot fi utilizate în proces decât HFCVD, iar cristalele unice de diamant depuse sunt mai pure decât diamantele naturale. Prin urmare, pot fi preparate ferestre policristaline cu diamante de calitate optică, cristale unice cu diamante de calitate electronică etc.

Figura 6 Structura internă a MPCVD

Dezvoltarea și dilema diamantului

De când primul diamant artificial a fost dezvoltat cu succes în 1963, după mai bine de 60 de ani de dezvoltare, țara mea a devenit țara cu cea mai mare producție de diamant artificial din lume, reprezentând mai mult de 90% din lume. Cu toate acestea, diamantele Chinei sunt concentrate în principal pe piețele de aplicare de la nivel scăzut și mediu, cum ar fi măcinarea abrazivă, optica, tratarea canalizării și alte câmpuri. Dezvoltarea diamantelor interne este mare, dar nu puternică și este în dezavantaj în multe domenii, cum ar fi echipamente de înaltă calitate și materiale de calitate electronică. 

În ceea ce privește realizările academice în domeniul diamantelor CVD, cercetările din Statele Unite, Japonia și Europa se află pe o poziție de lider și sunt relativ puține cercetări originale în țara mea. Cu sprijinul cercetării și dezvoltării cheie a „Planului cincinal al 13-lea”, cristalele unice de diamante epitaxiale de dimensiuni mari, îmbinate, au ajuns la poziția de primă clasă a lumii. În ceea ce privește monocristalele epitaxiale eterogene, există încă un decalaj mare în dimensiune și calitate, care poate fi depășit în „Planul cincinal al 14-lea”.

Cercetătorii din întreaga lume au efectuat cercetări în profunzime privind creșterea, dopajul și asamblarea dispozitivelor de diamante pentru a realiza aplicarea diamantelor pe dispozitivele optoelectronice și pentru a satisface așteptările oamenilor pentru diamante ca material multifuncțional. Cu toate acestea, diferența de bandă a diamantului este de până la 5,4 eV. Conductivitatea sa de tip P poate fi obținută prin dopaj de bor, dar este foarte dificil să se obțină conductivitate de tip N. Cercetătorii din diferite țări au dopat impurități, cum ar fi azot, fosfor și sulf în un singur cristal sau diamant policristalin sub formă de înlocuire a atomilor de carbon în rețea. Cu toate acestea, din cauza nivelului de energie profundă a donatorilor sau a dificultății în ionizarea impurităților, nu a fost obținută o bună conductivitate de tip N, ceea ce limitează considerabil cercetarea și aplicarea dispozitivelor electronice pe bază de diamant. 

În același timp, diamantul cu un singur cristal cu o suprafață mare este dificil de preparat în cantități mari, cum ar fi napolitane de siliciu cu un singur cristal, care este o altă dificultate în dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare pe bază de diamant. Cele două probleme de mai sus arată că teoria de dopaj de semiconductor și de dezvoltare a dispozitivului existentă este dificil de rezolvat problemele dopajului de tip N de diamant și asamblarea dispozitivelor. Este necesar să căutați alte metode de dopaj și dopanți sau chiar să dezvoltați noi principii de dopaj și dezvoltare a dispozitivelor.

Prețurile excesiv de mari limitează, de asemenea, dezvoltarea diamantelor. În comparație cu prețul siliconului, prețul carburii de siliciu este de 30-40 de ori mai mare decât siliciu, prețul nitridei de galiu este de 650-1300 de ori mai mare decât siliciu, iar prețul materialelor cu diamante sintetice este de aproximativ 10.000 de ori mai mare decât din siliciu. Un preț prea mare limitează dezvoltarea și aplicarea diamantelor. Modul de reducere a costurilor este un punct descoperitor pentru a rupe dilema de dezvoltare.

Perspectivă

Deși semiconductorii de diamant se confruntă în prezent cu dificultăți în dezvoltare, ei sunt încă considerați a fi cel mai promițător material pentru pregătirea următoarei generații de dispozitive electronice de mare putere, frecvență înaltă, temperatură înaltă și pierderi reduse de putere. În prezent, cei mai fierbinți semiconductori sunt ocupați de carbură de siliciu. Carbura de siliciu are structura diamantului, dar jumătate din atomii săi sunt carbon. Prin urmare, poate fi privit ca o jumătate de diamant. Carbura de siliciu ar trebui să fie un produs de tranziție de la epoca cristalului de siliciu la epoca semiconductorilor de diamant.

Expresia „Diamantele sunt pentru totdeauna, iar un diamant durează pentru totdeauna” a făcut ca numele de Beers să fie faimos până în zilele noastre. Pentru semiconductorii cu diamante, crearea unui alt tip de glorie poate necesita o explorare permanentă și continuă.

Vetek Semiconductor este un producător profesionist chinez deAcoperire cu carbură de tantalum, Acoperire cu carbură de siliciu, Produse gan,Grafit special, Ceramica din carbură de siliciuşiAlte ceramice semiconductoare. Vetek Semiconductor se angajează să ofere soluții avansate pentru diverse produse de acoperire pentru industria semiconductorilor.

Dacă aveți întrebări sau aveți nevoie de detalii suplimentare, nu ezitați să luați legătura cu noi.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com