Diamond - 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 kovalentni kristal. Kristalna struktura je prikazana na sliki 1 (a). Sestavljen je iz srednjega ogljikovega atoma, vezanega na ostale tri ogljikove atome v obliki kovalentne vezi. Slika 1 (b) je enota celična struktura, 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 visok elastični modul. Je odličen elektronski embalažni material z dobrimi perspektivami. 

Mobilnost luknje je 4500 cm2 · V^-1· S^-1, gibljivost elektronov pa je 3800 cm2·V^-1· S^-1, zaradi česar je uporabna za stikalne naprave za visoke hitrosti; Moč polja razčlenitve je 13mV/cm, ki jo je mogoče uporabiti za visokonapetostne naprave; Številka zaslug Baliga je kar 24664, kar je veliko višji od drugih materialov (večja je vrednost, večji je potencial za uporabo v preklopnih napravah). 

Polikristalni diamant ima tudi dekorativni učinek. Diamantna prevleka ne samo, da ima učinek bliskavice, ampak ima tudi različne barve. Uporablja se pri izdelavi ur višjega cenovnega razreda, okrasnih premazov za luksuzno blago in neposredno kot modni izdelek. Moč in trdota diamanta sta 6 -krat in 10 -krat večja od Corning Glass, zato se uporablja tudi v zaslonih mobilnih telefonov in objektivih kamer.

Slika 2 Lastnosti diamanta in drugih polprevodniških materialov

Priprava diamanta

Rast diamantov se v glavnem deli 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 njegovih prednosti, kot so visoka tlačna odpornost, velika radijska frekvenca, nizka cena in visoka temperaturna odpornost. Dve metodi rasti se osredotočata na različne aplikacije in bosta v prihodnosti že dolgo pokazala komplementarno razmerje.

Metoda visoke temperature in visokega tlaka (HTHP) je, da v razmerju, ki ga določa formula surovine, in nato granuliranje, statično stiskanje, zmanjšanje vakuuma, pregledovanje, tehtanje, tehtanje, tehtanje, tehtanje, tehtanje, tehtanje, tehtanje, ki tehtanje, tehtanje, statično stiskanje, statično stiskanje, statično stiskanje, statično stiskanje, tehtanje, tehtanje, tehtanje, tehtanje, tehtanje, tehtanje, tehtanje je narediti grafitno jedro. in druge procese. Stolpec Graphite Core se nato sestavi s kompozitnim blokom, pomožnimi deli in drugimi zaprtimi mediji za prenos tlaka, da tvori sintetični blok, ki ga je mogoče uporabiti za sintezo diamantnih enojnih kristalov. Po tem se postavi v šeststransko zgornjo stiskalnico za ogrevanje in tlak ter dlje časa konstantno. Po končani rasti kristala se toplota ustavi in ​​se tlak sprosti, zatesnjeni medij za prenos tlaka pa odstranimo, da dobimo sintetični stolpec, ki ga nato očistimo in razvrstimo, da dobimo diamantne enojne kristale.

Slika 3 Diagram strukture 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

Kemična odlaganje hlapov (CVD) je najbolj priljubljena metoda za sintezo diamantnih filmov. Glavne metode vključujejo odlaganje kemičnih hlapov Hot Filament (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 filamenta 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

Ker je bil prvi umetni diamant uspešno razvit leta 1963, je po več kot 60 letih razvoja moja država postala država z največjim rezultatom umetnega diamanta na svetu, ki predstavlja več kot 90% sveta. Vendar pa so kitajski diamanti koncentrirani na trgih z nizkim in srednjim cenovnikom, kot so abrazivno brušenje, optika, čiščenje odplak in druga polja. Razvoj domačih diamantov je velik, vendar ne močan in je v pomanjkanju na številnih področjih, kot so oprema vrhunskega in elektronskega materiala. 

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 z borom, vendar je zelo težko 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 v velikih količinah, kot so enojne kristalne silicijeve rezine, težko pripraviti z velikim območjem. Zgornji dve težavi kažeta, da je obstoječo teorijo o dopingu in razvoju naprav in razvoja naprav težko rešiti težave z dopingom in sestavljanjem naprav. Potrebno je iskati druge dopinške metode in dopante ali celo razviti nova načela dopinga in razvoja naprav.

Tudi previsoke cene omejujejo 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 izdelek iz obdobja silicijevega kristala v obdobje diamantnega polprevodnika.

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, Silicijev karbidni premaz, GaN izdelki,Poseben grafit, Keramika iz silicijevega karbidainDruga polprevodniška keramika. Vetek Semiconductor se zavezuje k zagotavljanju naprednih rešitev za različne izdelke za prevleke za polprevodniško industrijo.

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

Mob/Whatsapp: +86-180 6922 0752

E-pošta: anny@veteksemi.com