Diamant - budoucí hvězda polovodičů

S rychlým rozvojem vědy a techniky a rostoucí celosvětovou poptávkou po vysoce výkonných a vysoce účinných polovodičových součástkách nabývají polovodičové substrátové materiály jako klíčový technický článek v řetězci polovodičového průmyslu stále větší význam. Mezi nimi se diamant, jakožto potenciální „ultimátní polovodičový“ materiál čtvrté generace, postupně stává aktivním bodem výzkumu a novým oblíbencem na trhu v oblasti polovodičových substrátových materiálů díky svým vynikajícím fyzikálním a chemickým vlastnostem.

Vlastnosti diamantu

Diamant je typický krystal atomového krystalu a kovalentní vazby. Krystalová struktura je znázorněna na obrázku 1 (a). Skládá se ze středního atomu uhlíku spojeného s ostatními třemi atomy uhlíku ve formě kovalentní vazby. Obrázek 1 (b) je struktura jednotkových buněk, která odráží mikroskopickou periodicitu a strukturální symetrii diamantu.

Obrázek 1 Krystalová struktura diamantu (A); (b) Struktura jednotkových buněk

Diamant je nejtvrdší materiál na světě s jedinečnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi a vynikajícími vlastnostmi v mechanice, elektřině a optice, jak ukazuje obrázek 2: Diamant má ultra vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebení, vhodný pro řezání materiálů a indentorů atd. a dobře se používá v brusných nástrojích; (2) Diamant má nejvyšší tepelnou vodivost (2200W/(m·K)) mezi dosud známými přírodními látkami, která je 4krát větší než karbid křemíku (SiC), 13krát větší než křemík (Si), 43krát větší než arsenid galia (GaAs) a je 4 až 5krát větší než měď a stříbro a používá se ve vysoce výkonných zařízeních. Má vynikající vlastnosti, jako je nízký koeficient tepelné roztažnosti (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) a vysoký elastický modul. Je to vynikající elektronický obalový materiál s dobrými vyhlídkami. 

Pohyblivost otvoru je 4500 cm2·V^-1· S^-1a mobilita elektronů je 3800 cm2 · V^-1· S^-1, což je použitelné na vysokorychlostní přepínací zařízení; Síla pole rozdělení je 13 mV/cm, která lze použít na vysokopěťová zařízení; Postava Baligy o zásluhách je až 24664, což je mnohem vyšší než jiné materiály (čím větší je hodnota, tím větší je potenciál pro použití při přepínacích zařízeních). 

Polykrystalický diamant má také dekorativní efekt. Diamantový povlak má nejen bleskový efekt, ale má také různé barvy. Používá se při výrobě špičkových hodinek, dekorativních povlaků na luxusní zboží a přímo jako módní produkt. Síla a tvrdost diamantu je 6krát a 10krát větší než u skla Corning, proto se používá také v displejích mobilních telefonů a čočkách fotoaparátů.

Obrázek 2 Vlastnosti diamantu a dalších polovodičových materiálů

Příprava diamantu

Růst diamantů se dělí především na metodu HTHP (vysokoteplotní a vysokotlaká metoda) aCVD metoda (metoda chemické depozice z plynné fáze). Metoda CVD se stala hlavním proudem pro přípravu diamantových polovodičových substrátů díky svým výhodám, jako je odolnost vůči vysokému tlaku, vysoká radiofrekvence, nízká cena a odolnost vůči vysokým teplotám. Tyto dvě metody růstu se zaměřují na různé aplikace a v budoucnu se budou na dlouhou dobu doplňovat.

Metoda vysoké teploty a vysokého tlaku (HTHP) je vytvořit sloupec grafitového jádra smícháním grafitového prášku, kovového katalyzátoru a přísad v poměru určeném vzorcem suroviny a poté granulovacím, statickým lisováním, redukcí vakua, kontrolou, vážením, vážením a další procesy. Sloupec grafitového jádra se poté sestavuje s kompozitním blokem, pomocnými částmi a dalšími uzavřenými tlakovými přenosovými médii za vzniku syntetického bloku, který lze použít k syntetizaci diamantových monokrystalů. Poté je umístěn do šestistranného top tisku pro vytápění a tlak a dlouhodobě udržuje konstantní. Po dokončení růstu krystalů se teplo zastaví a uvolní tlak a odstraní se médium přenosu utěsněného tlaku, aby se získala syntetický sloupec, který je poté purifikován a tříděn, aby se získal diamantové monokrystaly.

Obrázek 3 Schéma struktury šestistranného horního lisu

V důsledku použití kovových katalyzátorů obsahují diamantové částice připravené průmyslovou metodou HTHP často určité nečistoty a defekty a kvůli přidání dusíku mají obvykle žlutý odstín. Po upgradu technologie může vysoká teplota a vysoký tlakový přípravek diamantů použít metodu teplotního gradientu k produkci vysoce kvalitních diamantových monokrystalů s velkými částicemi, což si uvědomí transformaci diamantového průmyslového abrazivního stupně na GEM stupeň.

Obrázek 4 Morfologie diamantu

Chemická depozice par (CVD) je nejoblíbenější metodou pro syntetizaci diamantových filmů. Mezi hlavní metody patří depozice chemického páry horkého vlákna (HFCVD) aMikrovlnná plazmatická depozice páry (MPCVD).

(1) Chemická depozice horkého vlákna z par

Základním principem HFCVD je srážení reakčního plynu s vysokoteplotním kovovým drátem ve vakuové komoře za vzniku různých vysoce aktivních „nenabitých“ skupin. Generované atomy uhlíku se ukládají na substrátový materiál za vzniku nanodiamantů. Zařízení se snadno ovládá, má nízké náklady na růst, je široce používáno a je snadné dosáhnout průmyslové výroby. Vzhledem k nízké účinnosti tepelného rozkladu a vážnému znečištění atomem kovu z vlákna a elektrody se HFCVD obvykle používá pouze k přípravě polykrystalických diamantových filmů obsahujících velké množství nečistot fáze sp2 na hranici zrn, takže je obecně šedočerný. .

Obrázek 5 (a) Schéma zařízení HFCVD, (b) Schéma struktury vakuové komory

(2) Mikrovlnná plazmochemická depozice z par

Metoda MPCVD využívá magnetron nebo polovodičový zdroj ke generování mikrovln specifické frekvence, které jsou přiváděny do reakční komory vlnovodem a vytvářejí stabilní stojaté vlny nad substrátem podle speciálních geometrických rozměrů reakční komory. 

Vysoce zaostřené elektromagnetické pole zde rozkládá reakční plyny a vodík, aby vytvořil stabilní plazmovou kouli. Elektrony bohaté, ionty bohaté a aktivní atomové skupiny budou nukleatovat a růst na substrátu při vhodné teplotě a tlaku, což způsobuje pomalu homoepitaxiální růst. Ve srovnání s HFCVD se vyhýbá kontaminaci diamantového filmu způsobeného odpařováním horkého kovu a zvyšuje čistotu nanodiamondského filmu. V procesu lze použít více reakčních plynů než HFCVD a uložené diamantové jednokrystaly jsou čistší než přírodní diamanty. Proto mohou být připravena diamantová polykrystalická okna s diamantem optických stupňů, elektronická diamantová monokrystaly atd.

Obrázek 6 Vnitřní struktura MPCVD

Vývoj a dilema diamantu

Od prvního umělého diamantu byl úspěšně vyvinut v roce 1963, po více než 60 letech rozvoje se moje země stala zemí s největší produkcí umělého diamantu na světě, což představuje více než 90% světa. Čínské diamanty jsou však soustředěny hlavně na nízkopodlažní a středně koncipovacích trzích, jako je abrazivní broušení, optika, čištění odpadních vod a další pole. Vývoj domácích diamantů je velký, ale není silný a je v mnoha oborech, jako je špičkové vybavení a elektronické materiály, nevýhodou. 

Pokud jde o akademické úspěchy v oblasti CVD diamantů, výzkum ve Spojených státech, Japonsku a Evropě je na předním místě a v mé zemi je relativně málo původních výzkumů. S podporou klíčového výzkumu a vývoje „13. pětiletého plánu“ vyskočily domácí seplétané epitaxní velkorozměrové monokrystaly diamantu na světovou prvotřídní pozici. Pokud jde o heterogenní epitaxní monokrystaly, stále existuje velká mezera ve velikosti a kvalitě, kterou lze překonat ve „14. pětiletém plánu“.

Výzkumníci z celého světa provedli hloubkový výzkum růstu, dopingu a montáže diamantů, aby realizovali aplikaci diamantů v optoelektronických zařízeních a splnili očekávání lidí od diamantů jako multifunkčního materiálu. Pásmová mezera diamantu je však až 5,4 eV. Jeho vodivosti typu p lze dosáhnout dopováním borem, ale získat vodivost typu n je velmi obtížné. Výzkumníci z různých zemí dopovali nečistoty, jako je dusík, fosfor a síra, do monokrystalu nebo polykrystalického diamantu ve formě nahrazení atomů uhlíku v mřížce. Vzhledem k hluboké donorové energetické úrovni nebo obtížnosti při ionizaci nečistot však nebylo dosaženo dobré vodivosti typu n, což značně omezuje výzkum a použití elektronických zařízení na bázi diamantu. 

Velkoplošný monokrystalický diamant se zároveň obtížně připravuje ve velkém množství jako monokrystalické křemíkové destičky, což je další obtíž při vývoji polovodičových součástek na bázi diamantu. Výše uvedené dva problémy ukazují, že existující teorie dopingu polovodičů a vývoje zařízení je obtížné vyřešit problémy diamantového dopingu typu n a sestavování zařízení. Je nutné hledat jiné dopingové metody a dopanty, případně vyvinout nové principy dopingu a vývoje zařízení.

Příliš vysoké ceny omezují i ​​vývoj diamantů. Ve srovnání s cenou křemíku je cena karbidu křemíku 30-40krát vyšší než cena křemíku, cena nitridu galia je 650-1300krát vyšší než cena křemíku a cena syntetických diamantových materiálů je zhruba 10 000krát vyšší než cena křemíku. Příliš vysoká cena omezuje vývoj a uplatnění diamantů. Jak snížit náklady je průlomový bod k prolomení vývojového dilematu.

Výhled

Přestože Diamond Semiconductors v současné době čelí obtížím ve vývoji, jsou stále považovány za nejslibnější materiál pro přípravu další generace vysoce výkonných, vysokofrekvenčních, vysokoteplotních a nízkoenergetických ztrátových zařízení. V současné době jsou nejžhavější polovodiče obsazeny křemíkovým karbidem. Karbid křemíku má strukturu diamantu, ale polovina jeho atomů je uhlík. Proto může být považován za polovinu diamantu. Karbid křemíku by měl být přechodným produktem z éry křemíkového krystalu do éry diamantového polovodiče.

Věta „Diamanty jsou věčné a jeden diamant trvá věčně“ proslavila jméno De Beers dodnes. U diamantových polovodičů může vytvoření jiného druhu slávy vyžadovat trvalé a nepřetržité zkoumání.

Vetek Semiconductor je profesionální čínský výrobcePotahování karbidu tantalu, Potahování karbidu křemíku, Produkty GAN,Speciální grafit, Keramika z karbidu křemíkuaDalší polovodičová keramika. VeTek Semiconductor se zavazuje poskytovat pokročilá řešení pro různé produkty Coating pro polovodičový průmysl.

Pokud máte nějaké dotazy nebo potřebujete další podrobnosti, neváhejte nás kontaktovat.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

E -mail: anny@veteksemi.com