Diament - przyszła gwiazda półprzewodników

Wraz z szybkim rozwojem nauki i technologii oraz rosnącego globalnego popytu na wysokowydajne i wysokowydajne urządzenia półprzewodników, staje się coraz ważniejsze. Wśród nich Diamond, jako potencjalny „najwyższy materiał na półprzewodnik” czwartej generacji, stopniowo staje się hotspotem badawczym i nowym ulubionym rynkiem w dziedzinie materiałów podłoża półprzewodnikowego ze względu na jego doskonałe właściwości fizyczne i chemiczne.

Właściwości diamentu

Diament jest typowym kryształem atomowym i kowalencyjnym kryształem wiązania. Struktura krystaliczna pokazano na rycinie 1 (a). Składa się z środkowego atomu węgla związanego z pozostałymi trzema atomami węgla w postaci kowalencyjnego wiązania. Rycina 1 (b) to struktura komórki jednostkowej, która odzwierciedla mikroskopową okresowość i symetrię strukturalną diamentu.

Rysunek 1 struktura krystaliczna diamentu (a); (b) Struktura komórki jednostkowej

Diament to najtwardszy materiał na świecie, o unikalnych właściwościach fizycznych i chemicznych oraz doskonałych właściwościach mechanicznych, elektrycznych i optycznych, jak pokazano na rysunku 2: Diament ma bardzo wysoką twardość i odporność na zużycie, nadaje się do materiałów skrawających, wgłębników itp. .i jest dobrze stosowany w narzędziach ściernych; (2) Diament ma najwyższą przewodność cieplną (2200 W/(m·K)) spośród znanych dotychczas substancji naturalnych, która jest 4 razy większa niż węglik krzemu (SiC), 13 razy większa niż krzem (Si), 43 razy większa niż arsenku galu (GaAs) i 4 do 5 razy więcej niż miedź i srebro i jest stosowany w urządzeniach dużej mocy. Ma doskonałe właściwości, takie jak niski współczynnik rozszerzalności cieplnej (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) i wysoki moduł sprężystości. Jest to doskonały materiał opakowaniowy do elektroniki, który ma dobre perspektywy. 

Ruchliwość otworów wynosi 4500 cm2·V^-1·S^-1, a ruchliwość elektronów wynosi 3800 cm2·V^-1·S^-1, co sprawia, że ​​ma zastosowanie do szybkich urządzeń przełączających; Wytrzymałość pola rozkładu wynosi 13 mV/cm, które można zastosować do urządzeń o wysokim napięciu; Dokument zasługi Baligi jest nawet wysoki jak 24664, który jest znacznie wyższy niż inne materiały (im większa wartość, tym większy potencjał stosowania w urządzeniach przełączających). 

Diament polikrystaliczny ma również efekt dekoracyjny. Powłoka diamentowa ma nie tylko efekt flash, ale także różnorodne kolory. Jest stosowany w produkcji wysokiej klasy zegarków, powłok dekoracyjnych dla towarów luksusowych i bezpośrednio jako produkt modowy. Siła i twardość diamentu są 6 razy i 10 razy większe niż w Corning Glass, więc jest również używany w wyświetlaczach telefonów komórkowych i obiektywach aparatu.

Rysunek 2 Właściwości diamentu i innych materiałów półprzewodnikowych

Przygotowanie diamentu

Hodowlę diamentów dzieli się głównie na metodę HTHP (metoda wysokotemperaturowa i wysokociśnieniowa) orazMetoda CVD (metoda osadzania pary chemicznej). Metoda CVD stała się głównym nurtem metody przygotowywania substratów półprzewodników diamentowych ze względu na jej zalety, takie jak oporność pod wysokim ciśnieniem, duża częstotliwość radiowa, niski koszt i opór o wysokiej temperaturze. Dwie metody wzrostu koncentrują się na różnych zastosowaniach i przez długi czas pokażą uzupełniające się relacje.

Metoda wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia (HTHP) polega na stworzeniu grafitowej kolumny rdzenia poprzez zmieszanie grafitu proszku, proszku katalizatora metalu i dodatków w proporcjach określonych przez formułę surowca, a następnie granulowanie, prasowanie statyczne, redukcja próżniowa, inspekcja, ważenie i inne procesy. Kolumna grafitowa jest następnie montowana z kompozytowym blokiem, częściami pomocniczymi i innymi uszczelnionymi środkami transmisyjnymi ciśnieniowymi, tworząc syntetyczny blok, który można użyć do syntezy pojedynczych kryształów diamentowych. Następnie umieszcza się go w sześciokątnej górnej prasie w celu ogrzewania i ciśnienia i utrzymuje się na stałym czasie przez długi czas. Po zakończeniu kryształów ciepło jest zatrzymywane, a ciśnienie jest uwalniane, a uszczelniona pożywka przenoszenia ciśnienia jest usuwana w celu uzyskania syntetycznej kolumny, która następnie jest oczyszczana i sortowana w celu uzyskania diamentów pojedynczych kryształów.

Rysunek 3 Schemat budowy sześciostronnej prasy górnej

Ze względu na zastosowanie katalizatorów metali, cząsteczki diamentów przygotowywane przez przemysłową metodę HTH często zawierają pewne zanieczyszczenia i defekty, a ze względu na dodanie azotu zwykle mają żółty odcień. Po uaktualnieniu technologii preparat w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem diamentów może wykorzystywać metodę gradientu temperatury do wytworzenia wysokiej jakości pojedynczych kryształów o dużej wysokiej jakości, zdając sobie sprawę z transformacji diamentów przemysłowej oceny ściernej na klejnot.

Rycina 4 Morfologia diamentów

Chemiczne odkładanie pary (CVD) jest najpopularniejszą metodą syntezy folii diamentowych. Główne metody obejmują osadzanie pary chemicznej gorącego filamentu (HFCVD) ichemiczne osadzanie z fazy gazowej w plazmie mikrofalowej (MPCVD).

(1) Chemiczne osadzanie z fazy gazowej na gorąco włókien

Podstawową zasadą HFCVD jest zderzenie gazu reakcyjnego z drutem metalowym o wysokiej temperaturze w komorze próżniowej w celu wygenerowania różnych wysoce aktywnych „nieładnych” grup. Wygenerowane atomy węgla są osadzane na materiale podłoża w celu utworzenia nanodiamondów. Sprzęt jest prosty w obsłudze, ma niskie koszty wzrostu, jest szeroko stosowany i jest łatwy do osiągnięcia produkcji przemysłowej. Ze względu na niską wydajność rozkładu termicznego i poważne zanieczyszczenie atomu metalu z włókna i elektrody, HFCVD jest zwykle stosowany tylko do przygotowania polikrystalicznych folii diamentów zawierających dużą ilość zanieczyszczeń węgla SP2 na granicy ziarna, więc jest ogólnie szaro-czarny .

Rysunek 5 (a) schemat wyposażenia HFCVD, (b) schemat struktury komory próżniowej

(2) Chemiczne odkładanie pary mikrofalowej plazmy

Metoda MPCVD wykorzystuje magnetron lub źródło półprzewodnikowe do generowania mikrofal o określonej częstotliwości, które wprowadzane są do komory reakcyjnej przez falowód i tworzą stabilne fale stojące nad podłożem zgodnie ze specjalnymi wymiarami geometrycznymi komory reakcyjnej. 

Silnie skupione pole elektromagnetyczne rozkłada gazy reakcyjne, metan i wodór, tworząc stabilną kulę plazmy. Bogate w elektrony, bogate w jony i aktywne grupy atomowe będą zarodkować i rosnąć na podłożu w odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu, powodując powolny wzrost homoepitaksyjny. W porównaniu z HFCVD pozwala uniknąć zanieczyszczenia warstwy diamentu spowodowanego odparowaniem gorącego drutu metalowego i zwiększa czystość warstwy nanodiamentu. W procesie można zastosować więcej gazów reakcyjnych niż HFCVD, a osadzone monokryształy diamentu są czystsze niż diamenty naturalne. Dlatego można przygotować diamentowe okna polikrystaliczne o jakości optycznej, monokryształy diamentu o jakości elektronicznej itp.

Rysunek 6 Wewnętrzna struktura MPCVD

Rozwój i dylematy diamentu

Ponieważ pierwszy sztuczny diament został z powodzeniem opracowany w 1963 roku, po ponad 60 latach rozwoju mój kraj stał się krajem z największą produkcją sztucznego diamentu na świecie, co stanowi ponad 90% świata. Jednak chińskie diamenty koncentrują się głównie na rynkach aplikacji o niskiej i średniej części, takich jak szlifowanie ścierne, optyka, oczyszczanie ścieków i inne pola. Rozwój domowych diamentów jest duży, ale nie silny i jest w niekorzystnej sytuacji w wielu dziedzinach, takich jak sprzęt wysokiej klasy i materiały elektroniczne. 

Jeśli chodzi o osiągnięcia akademickie w dziedzinie diamentów CVD, badania w Stanach Zjednoczonych, Japonii i Europie są na wiodącym stanowisku, a w moim kraju jest stosunkowo niewiele oryginalnych badań. Dzięki wsparciu kluczowych badań i rozwoju „13. pięcioletniego planu”, splicowane komendy epitaksyjne wielkości diamentu pojedyncze kryształy skoczyły na pierwszą klasę na świecie. Jeśli chodzi o heterogeniczne pojedyncze kryształy epitaksjalne, nadal istnieje duża luka wielkości i jakości, która może zostać przekroczona w „14. pięcioletnim planie”.

Naukowcy z całego świata przeprowadzili dogłębne badania nad wzrostem, domieszkowaniem i montażem urządzeń diamentów, aby uświadomić sobie zastosowanie diamentów w urządzeniach optoelektronicznych i spełnić oczekiwania ludzi dotyczące diamentów jako materiału wielofunkcyjnego. Jednakże przerwa wzbroniona diamentu wynosi aż 5,4 eV. Jego przewodnictwo typu p można osiągnąć przez domieszkowanie borem, ale bardzo trudno jest uzyskać przewodnictwo typu n. Naukowcy z różnych krajów domieszkowali zanieczyszczenia, takie jak azot, fosfor i siarka, w monokrysztale lub diament polikrystaliczny w postaci zastąpienia atomów węgla w siatce. Jednak ze względu na głęboki poziom energii donora lub trudności w jonizacji zanieczyszczeń nie uzyskano dobrej przewodności typu n, co znacznie ogranicza badania i zastosowanie urządzeń elektronicznych na bazie diamentu. 

Jednocześnie wielkopowierzchniowy monokryształowy diament jest trudny do przygotowania w dużych ilościach, podobnie jak monokrystaliczne płytki krzemowe, co stanowi kolejną trudność w opracowywaniu urządzeń półprzewodnikowych na bazie diamentu. Powyższe dwa problemy pokazują, że istniejąca teoria domieszkowania półprzewodników i rozwoju urządzeń jest trudna do rozwiązania problemów domieszkowania diamentu typu n i montażu urządzeń. Konieczne jest poszukiwanie innych metod domieszkowania i domieszek, a nawet opracowanie nowych zasad dopingu i rozwoju urządzeń.

Nadmiernie wysokie ceny ograniczają również rozwój diamentów. W porównaniu z ceną krzemu cena węgliku krzemu wynosi 30-40 razy większa niż krzem, cena azotku galu wynosi 650-1300 razy większa niż krzem, a cena syntetycznych materiałów diamentów wynosi około 10 000 razy krzem. Zbyt wysoka cena ogranicza rozwój i zastosowanie diamentów. Sposób obniżenia kosztów jest przełomowym punktem przełamania dylematu rozwoju.

Perspektywy

Chociaż rozwój półprzewodników diamentowych napotyka obecnie trudności, nadal uważa się je za najbardziej obiecujący materiał do przygotowania nowej generacji urządzeń elektronicznych o dużej mocy, wysokiej częstotliwości, wysokiej temperaturze i niskich stratach mocy. Obecnie najgorętsze półprzewodniki zajmują węglik krzemu. Węglik krzemu ma strukturę diamentu, ale połowa jego atomów to węgiel. Dlatego można go uznać za pół diamentu. Węglik krzemu powinien być produktem przejściowym od ery kryształów krzemu do ery półprzewodników diamentu.

Wyrażenie „Diamenty są na zawsze, a jeden diament trwa na zawsze”, która znana jest do dziś. W przypadku półprzewodników diamentowych tworzenie innego rodzaju chwały może wymagać trwałej i ciągłej eksploracji.

VeTek Semiconductor to profesjonalny chiński producentPowłoka z węglika tantalu, Powłoka z węglików silikonowych, produkty GaN,Specjalny grafit, Ceramika z węglika krzemuIInne ceramika półprzewodników. Vetek Semiconductor jest zaangażowany w dostarczanie zaawansowanych rozwiązań dla różnych produktów powłokowych dla przemysłu półprzewodnikowego.

Jeśli masz jakiekolwiek pytania lub potrzebujesz dodatkowych szczegółów, nie wahaj się z nami skontaktować.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

E -mail: anny@vetesemi.com