Diamant - budúca hviezda polovodičov

S rýchlym rozvojom vedy a techniky a rastúcim globálnym dopytom po vysokovýkonných a vysokoúčinných polovodičových zariadeniach sa polovodičové substrátové materiály ako kľúčové technické prepojenie v reťazci polovodičového priemyslu stávajú čoraz dôležitejšími. Medzi nimi sa diamant, ako potenciálny materiál "ultimátneho polovodiča" štvrtej generácie, postupne stáva výskumným centrom a novým favoritom na trhu v oblasti polovodičových substrátových materiálov vďaka svojim vynikajúcim fyzikálnym a chemickým vlastnostiam.

Vlastnosti diamantu

Diamant je typický atómový kryštál a kryštál kovalentnej väzby. Kryštalická štruktúra je znázornená na obrázku 1(a). Pozostáva zo stredného atómu uhlíka naviazaného na ďalšie tri atómy uhlíka vo forme kovalentnej väzby. Obrázok 1(b) je štruktúra jednotkovej bunky, ktorá odráža mikroskopickú periodicitu a štruktúrnu symetriu diamantu.

Obrázok 1 Diamant (a) kryštálová 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) Diamant má najvyššiu tepelnú vodivosť (2200 W/(m·K)) spomedzi doteraz známych prírodných látok, ktorá je 4-krát väčšia ako karbid kremíka (SiC), 13-krát väčšia ako kremík (Si), 43-krát väčšia ako arzenid gália (GaAs) a je 4 až 5-krát väčší ako meď a striebro a používa sa vo vysokovýkonných zariadeniach. Má vynikajúce vlastnosti, ako je nízky koeficient tepelnej rozťažnosti (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) a vysoký modul pružnosti. Je to vynikajúci elektronický obalový materiál s dobrými vyhliadkami. 

Pohyblivosť otvoru je 4500 cm2·V^-1·s^-1a pohyblivosť elektrónov je 3800 cm2·V^-1·s^-1, čo ho robí použiteľným pre vysokorýchlostné spínacie zariadenia; intenzita prierazného poľa je 13 MV/cm, čo môže byť aplikované na vysokonapäťové zariadenia; hodnota Baliga je až 24 664, čo je oveľa viac ako u iných materiálov (čím väčšia hodnota, tým väčší potenciál na použitie v spínacích zariadeniach). 

Polykryštalický diamant má tiež dekoratívny efekt. Diamantový povlak má nielen bleskový efekt, ale má aj rôzne farby. Používa sa pri výrobe špičkových hodiniek, dekoratívnych náterov pre luxusný tovar a priamo ako módny produkt. Sila a tvrdosť diamantu je 6-krát a 10-krát väčšia ako u skla Corning, preto sa používa aj v displejoch mobilných telefónov a objektívoch fotoaparátov.

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 prípravy diamantových polovodičových substrátov vďaka svojim výhodám, ako je odolnosť voči vysokému tlaku, vysoká rádiová frekvencia, nízka cena a odolnosť voči vysokej teplote. Tieto dve metódy rastu sa zameriavajú na rôzne aplikácie a v budúcnosti budú dlhodobo vykazovať komplementárny vzťah.

Vysokoteplotnou a vysokotlakovou metódou (HTHP) je vyrobiť stĺpec s grafitovým jadrom zmiešaním grafitového prášku, prášku kovového katalyzátora a prísad v pomere špecifikovanom vzorcom suroviny a potom granuláciou, statickým lisovaním, vákuovou redukciou, kontrolou, vážením. a ďalšie procesy. Stĺpec s grafitovým jadrom je potom zostavený s kompozitným blokom, pomocnými časťami a inými utesnenými médiami na prenos tlaku, aby sa vytvoril syntetický blok, ktorý možno použiť na syntézu monokryštálov diamantu. Potom sa umiestni do šesťstranného horného lisu na ohrev a natlakovanie a udržiava sa konštantný po dlhú dobu. Po dokončení rastu kryštálov sa zahrievanie zastaví a tlak sa uvoľní a utesnené médium na prenos tlaku sa odstráni, čím sa získa syntetická kolóna, ktorá sa potom čistí a triedi, aby sa získali monokryštály diamantu.

Obrázok 3 Schéma štruktúry šesťstranného horného lisu

Vďaka použitiu kovových katalyzátorov diamantové častice pripravené priemyselnou metódou HTHP často obsahujú určité nečistoty a defekty a vďaka prídavku dusíka majú zvyčajne žltý odtieň. Po modernizácii technológie môže vysokoteplotná a vysokotlaková príprava diamantov použiť metódu teplotného gradientu na výrobu vysokokvalitných diamantových monokryštálov s veľkými časticami, pričom sa realizuje transformácia diamantového priemyselného brusiva na drahokamový stupeň.

Obrázok 4 Morfológia diamantu

Chemická depozícia z plynnej fázy (CVD) je najpopulárnejšia metóda na syntézu diamantových filmov. Medzi hlavné metódy patrí chemická depozícia z pary horúceho vlákna (HFCVD) amikrovlnná plazmová chemická depozícia z plynnej fázy (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) Schéma štruktúry vákuovej komory

(2) Mikrovlnná plazmovo-chemická depozícia z pár

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 sústredené elektromagnetické pole rozkladá reakčné plyny metán a vodík a vytvára stabilnú plazmovú guľu. Elektróny bohaté, iónovo bohaté a aktívne atómové skupiny budú nukleovať a rásť na substráte pri vhodnej teplote a tlaku, čo spôsobí pomalý homoepitaxiálny rast. V porovnaní s HFCVD zabraňuje kontaminácii diamantového filmu spôsobenej odparovaním horúceho kovového drôtu a zvyšuje čistotu nanodiamantového filmu. V procese je možné použiť viac reakčných plynov ako HFCVD a nanesené diamantové monokryštály sú čistejšie ako prírodné diamanty. Preto je možné pripraviť diamantové polykryštalické okienka optickej kvality, monokryštály diamantu elektronickej kvality 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".

Výskumníci z celého sveta vykonali hĺbkový výskum rastu, dopingu a zostavovania diamantov s cieľom realizovať aplikáciu diamantov v optoelektronických zariadeniach a splniť očakávania ľudí od diamantov ako multifunkčného materiálu. Pásmová medzera diamantu je však až 5,4 eV. Jeho vodivosť typu p sa dá dosiahnuť dopovaním bóru, ale je veľmi ťažké získať vodivosť typu n. Výskumníci z rôznych krajín dopovali nečistoty, ako je dusík, fosfor a síra, do monokryštálu alebo polykryštalického diamantu vo forme nahradenia atómov uhlíka v mriežke. Avšak kvôli vysokej úrovni energie darcu alebo ťažkostiam s ionizáciou nečistôt sa nezískala dobrá vodivosť typu n, čo značne obmedzuje výskum a aplikáciu elektronických zariadení na báze diamantu. 

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.

Príliš vysoké ceny obmedzujú aj vývoj diamantov. V porovnaní s cenou kremíka je cena karbidu kremíka 30-40-krát vyššia ako cena kremíka, cena nitridu gália je 650-1300-krát vyššia ako cena kremíka a cena syntetických diamantových materiálov je zhruba 10 000-krát vyššia ako cena kremíka. Príliš vysoká cena obmedzuje vývoj a uplatnenie diamantov. Ako znížiť náklady je prelomovým bodom na prelomenie vývojovej dilemy.

Outlook

Hoci diamantové polovodiče v súčasnosti čelia ťažkostiam vo vývoji, stále sa považujú za najsľubnejší materiál na prípravu ďalšej generácie vysokovýkonných, vysokofrekvenčných, vysokoteplotných a nízkostratových elektronických zariadení. V súčasnosti sú najhorúcejšie polovodiče obsadené karbidom kremíka. Karbid kremíka má štruktúru diamantu, ale polovicu jeho atómov tvorí uhlík. Preto ho možno považovať za polovicu diamantu. Karbid kremíka by mal byť prechodným produktom z éry kremíkových kryštálov do éry diamantových polovodičov.

Fráza „Diamonds are forever, and one diamond lasts forever“ preslávila meno De Beers dodnes. V prípade diamantových polovodičov môže vytvorenie iného druhu slávy vyžadovať trvalé a nepretržité skúmanie.

VeTek Semiconductor je profesionálny čínsky výrobcaPovlak z karbidu tantalu, Povlak z karbidu kremíka, GaN produkty,Špeciálny grafit, Keramika z karbidu 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