Diamond - Budúca hviezda polovodičov

S rýchlym rozvojom vedy a technológie a rastúcim globálnym dopytom po vysokokvalitných a vysoko účinných polovodičových zariadeniach sa stále dôležitejšie stávajú dôležitejšie polovodičové substrátové materiály, ako kľúčové technické spojenie v polovodičovom priemyselnom reťazci. Medzi nimi je Diamond, ako potenciálny materiál „Ultimate Semiconductor“ štvrtej generácie, postupne stáva výskumným hotspotom a novým favoritom trhu v oblasti polovodičových substrátových materiálov vďaka svojim vynikajúcim fyzikálnym a chemickým vlastnostiam.

Vlastnosti diamantu

Diamant je typický atómový kryštál a kovalentný kryštál väzieb. Kryštálová štruktúra je znázornená na obrázku 1 (a). Pozostáva z atómu stredného uhlíka viazaného na ďalšie tri atómy uhlíka vo forme kovalentnej väzby. Obrázok 1 (b) je štruktúra jednotkových buniek, ktorá odráža mikroskopickú periodicitu a štrukturálnu symetriu diamantu.

Obrázok 1 Diamond (A) Kryštalická štruktúra; b) štruktúra jednotkovej bunky

Diamant je najtvrdší materiál na svete s jedinečnými fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami a vynikajúcimi vlastnosťami v oblasti mechaniky, elektriny a optiky, ako je znázornené na obrázku 2: Diamant má ultra vysokú tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu, vhodný na rezanie materiálov a indentorov atď. a dobre sa používa v brúsnych nástrojoch; (2) Diamond má najvyššiu tepelnú vodivosť (2200 W/(m · k)) medzi prírodnými látkami známymi doteraz, ktoré sú 4 -krát väčšie ako karbid kremíka (SIC), 13 -krát väčší ako kremík (SI), 43 -krát väčší ako ako kremík, 43 -krát väčší ako karbid. Arzenid gallium (GAAS) a 4 až 5-krát väčší ako meď a striebro a používa sa vo vysoko výkonných zariadeniach. Má vynikajúce vlastnosti, ako je koeficient nízkej tepelnej expanzie (0,8 x 10-6-1,5 × 10^-6K^-1) a vysoký modul pružnosti. Je to vynikajúci elektronický obalový materiál s dobrými vyhliadkami. 

Mobilita diery je 4500 cm2 · v^-1· S^-1a pohyblivosť elektrónov je 3800 cm2·V^-1· S^-1, vďaka čomu je použiteľná pre vysokorýchlostné prepínacie zariadenia; Sila poruchy poľa je 13 mV/cm, ktorá sa dá aplikovať na zariadenia s vysokým napätím; Baliga postava zásluh je až 24664, čo je oveľa vyššia ako iné materiály (čím väčšia je hodnota, tým väčší je potenciál na použitie v spínacích zariadeniach). 

Polycryštalický diamant má tiež dekoratívny efekt. Diamantový náter má nielen flash efekt, ale má aj rôzne farby. Používa sa na výrobu špičkových hodiniek, dekoratívnych povlakov pre luxusný tovar a priamo ako módny produkt. Pevnosť a tvrdosť diamantu sú 6 -krát a 10 -násobok nároku na sklo Corning, takže sa používa aj na displeje mobilných telefónov a šošovky fotoaparátu.

Obrázok 2 Vlastnosti diamantu a iných polovodičových materiálov

Príprava diamantu

Rast diamantov sa delí najmä na metódu HTHP (vysokoteplotná a vysokotlaková metóda) aMetóda CVD (metóda chemického nanášania pár). Metóda CVD sa stala hlavnou metódou na prípravu diamantových polovodičových substrátov kvôli svojim výhodám, ako je vysoký tlak odpor, veľká rádiová frekvencia, nízka cena a vysoký teplotný odpor. Tieto dve metódy rastu sa zameriavajú na rôzne aplikácie a v budúcnosti budú dlho vykazovať doplnkový vzťah.

Metóda vysokej teploty a vysokého tlaku (HTHP) je vytvorenie stĺpca grafitového jadra zmiešaním grafitového prášku, prášku kovového katalyzátora a prísad v pomere špecifikovanom vzorcom surovín a potom granulovanie, statické lisovanie, vákuová redukcia, kontrola, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie, váženie a ďalšie procesy. Stĺpec jadra grafitu sa potom zostavuje s kompozitným blokom, pomocnými časťami a iným utesneným tlakovým prenosovým médiom za vzniku syntetického bloku, ktorý sa môže použiť na syntézu diamantových jednotlivých kryštálov. Potom sa umiestni do šiestich horných lisov na zahrievanie a tlak a dlho udržiava konštantnú. Po dokončení rastu kryštálu sa teplo zastavuje a uvoľní sa tlak a odstránia sa utesnené tlakové prenosové médium, aby sa získal syntetický stĺpec, ktorý sa potom čistí a triedí, aby sa získalo diamantové jednokryštály.

Obrázok 3 Schéma štruktúry šesťstranného horného lisu

V dôsledku použitia kovových katalyzátorov diamantové častice pripravené priemyselnou metódou HTHP často obsahujú určité nečistoty a defekty a vďaka pridaniu dusíka zvyčajne majú žltý odtieň. Po aktualizácii technológie môže vysokoteplotný a vysokotlakový prípravok diamantov použiť metódu teplotného gradientu na výrobu vysoko kvalitných diamantových jednotlivých kryštálov, pričom realizuje transformáciu diamantového priemyselného abrazívneho stupňa do stupňa GEM.

Obrázok 4 Diamantová morfológia

Chemická depozícia pary (CVD) je najobľúbenejšou metódou syntézy diamantových filmov. Medzi hlavné metódy patrí ukladanie chemickej pary horúceho vlákna (HFCVD) aDepozícia chemickej pary v mikrovlnnej plazme (MPCVD).

(1) Chemické nanášanie pár horúcim vláknom

Základným princípom HFCVD je kolízia reakčného plynu s vysokoteplotným kovovým drôtom vo vákuovej komore za vzniku rôznych vysoko aktívnych "nenabitých" skupín. Vygenerované atómy uhlíka sa ukladajú na materiál substrátu za vzniku nanodiamantov. Zariadenie je jednoduché na obsluhu, má nízke náklady na rast, je široko používané a ľahko sa dosahuje priemyselná výroba. Vzhľadom na nízku účinnosť tepelného rozkladu a závažnú kontamináciu atómom kovu z vlákna a elektródy sa HFCVD zvyčajne používa iba na prípravu polykryštalických diamantových filmov obsahujúcich veľké množstvo sp2 fázových uhlíkových nečistôt na hranici zŕn, takže je vo všeobecnosti šedo-čierny. .

Obrázok 5 (a) Schéma zariadenia HFCVD, b) diagram štruktúry vákuovej komory

(2) Depozícia mikrovlnnej plazmy chemickej pary

Metóda MPCVD využíva magnetrón alebo polovodičový zdroj na generovanie mikrovĺn špecifickej frekvencie, ktoré sú privádzané do reakčnej komory cez vlnovod a vytvárajú stabilné stojaté vlny nad substrátom podľa špeciálnych geometrických rozmerov reakčnej komory. 

Vysoko zaostrené elektromagnetické pole tu rozkladá reakčné plyny metán a vodík, aby vytvorili stabilnú plazmatickú guľu. Skupiny bohaté na elektróny, bohaté na ióny a aktívne atómové skupiny budú nukleovať a rásť na substráte pri primeranej teplote a tlaku, čo pomaly spôsobí homoepitaxiálny rast. V porovnaní s HFCVD sa vyhýba kontaminácii diamantového filmu spôsobeného odparovaním horúcich kovových drôtov a zvyšuje čistotu filmu Nanodiamond. V procese sa môže použiť viac reakčných plynov ako HFCVD a uložené diamantové jednokryštály sú čistejšie ako prírodné diamanty. Preto je možné pripraviť diamantové polykryštalické okná optického stupňa, jednotlivé kryštály diamantu elektronického stupňa atď.

Obrázok 6 Vnútorná štruktúra MPCVD

Vývoj a dilema diamantu

Od úspešného vyvinutia prvého umelého diamantu v roku 1963, po viac ako 60 rokoch vývoja, sa moja krajina stala krajinou s najväčšou produkciou umelého diamantu na svete, ktorá predstavuje viac ako 90 % sveta. Čínske diamanty sa však sústreďujú najmä na trhy nižšej a strednej triedy aplikácií, ako je brúsne brúsenie, optika, čistenie odpadových vôd a iné oblasti. Vývoj domácich diamantov je veľký, ale nie silný a je v nevýhode v mnohých oblastiach, ako sú špičkové zariadenia a materiály elektronickej kvality. 

Pokiaľ ide o akademické úspechy v oblasti CVD diamantov, výskum v Spojených štátoch, Japonsku a Európe je na poprednom mieste a v mojej krajine je relatívne málo pôvodných výskumov. S podporou kľúčového výskumu a vývoja „13. päťročného plánu“ vyskočili domáce spájané epitaxné veľkorozmerné diamantové monokryštály na svetovú pozíciu prvej triedy. Pokiaľ ide o heterogénne epitaxné monokryštály, stále existuje veľká medzera vo veľkosti a kvalite, ktorá môže byť prekonaná v "14. päťročnom pláne".

Vedci z celého sveta uskutočnili hĺbkový výskum rastu, dopingu a zostavovania diamantov zariadení s cieľom realizovať aplikáciu diamantov v optoelektronických zariadeniach a splniť očakávania ľudí pre diamanty ako multifunkčný materiál. Avšak medzera v pásme diamantu je až 5,4 ev. Jeho vodivosť typu p je možné dosiahnuť dopingom bóru, ale je veľmi ťažké získať vodivosť typu N. Vedci z rôznych krajín dotkli nečistoty, ako je dusík, fosfor a síra, do monokryštálového alebo polykryštalického diamantu vo forme nahradenia atómov uhlíka v mriežke. Avšak kvôli hlbokej úrovni energie darcu alebo ťažkostí pri ionizácii nečistôt nebola získaná dobrá vodivosť typu N, čo výrazne obmedzuje výskum a aplikáciu elektronických zariadení založených na diamantoch. 

Zároveň je ťažké pripraviť veľkoplošný monokryštálový diamant vo veľkých množstvách ako monokryštálové kremíkové doštičky, čo je ďalšou ťažkosťou pri vývoji polovodičových zariadení na báze diamantu. Vyššie uvedené dva problémy ukazujú, že existujúca teória dopovania polovodičov a vývoja zariadení je ťažké vyriešiť problémy diamantového dopovania typu n a montáže zariadenia. Je potrebné hľadať iné dopingové metódy a dopanty, prípadne vyvinúť nové princípy dopingu a vývoja zariadení.

Nadmerne vysoké ceny tiež obmedzujú vývoj diamantov. V porovnaní s cenou kremíka je cena karbidu kremíka 30-40-násobok ceny kremíka, cena nitridu gália je 650-1300-násobok ceny kremíka a cena syntetických diamantových materiálov je zhruba 10 000-násobkom kremíku. Príliš vysoká cena obmedzuje vývoj a aplikáciu diamantov. Ako znížiť náklady, je prielomom na prelomenie dilemy vývoja.

Výhľad

Aj keď diamantové polovodiče v súčasnosti čelia ťažkostiam vo vývoji, stále sa považujú za najsľubnejší materiál na prípravu elektronických zariadení s vysokou výkonnou, vysokofrekvenciou vysokofrekvenčných, vysokoteplotných a nízko-výkonných elektronických zariadení. V súčasnosti sú najhorúcejšie polovodiče obsadené kremíkovým karbidom. Karbid kremíka má štruktúru diamantu, ale polovica jeho atómov je uhlík. Preto sa dá považovať za polovicu diamantu. Karbid kremíka by mal byť prechodným produktom z éry kremíkových kryštálov do obdobia diamantových polovodičov.

Fráza „Diamonds sú navždy a jeden diamant trvá navždy“, pomenoval De Beers slávny dodnes. V prípade diamantových polovodičov môže vytváranie iného druhu slávy vyžadovať trvalé a nepretržité prieskum.

VeTek Semiconductor je profesionálny čínsky výrobcaPovlak z karbidu tantalu, Povlak z karbidu kremíka, GaN produkty,Špeciálny grafit, Keramika kremíkaaIná polovodičová keramika. VeTek Semiconductor sa zaviazal poskytovať pokročilé riešenia pre rôzne náterové produkty pre polovodičový priemysel.

Ak máte akékoľvek otázky alebo potrebujete ďalšie podrobnosti, neváhajte nás kontaktovať.

Mob/whatsapp: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com