Diamant - den fremtidige stjerne af halvledere

Med den hurtige udvikling af videnskab og teknologi og den voksende globale efterspørgsel efter højtydende og højeffektive halvlederenheder bliver halvledersubstratmaterialer, som et centralt teknisk led i halvlederindustriens kæde, stadig vigtigere. Blandt dem er diamant, som et potentielt fjerdegenerations "ultimate halvleder"-materiale, gradvist ved at blive et forskningshotspot og en ny markedsfavorit inden for halvledersubstratmaterialer på grund af dets fremragende fysiske og kemiske egenskaber.

Egenskaber af diamant

Diamant er en typisk atomisk krystal og kovalent bindingskrystal. Krystalstrukturen er vist i figur 1(a). Det består af det midterste carbonatom bundet til de tre andre carbonatomer i form af en kovalent binding. Figur 1(b) er enhedscellestrukturen, som afspejler den mikroskopiske periodicitet og strukturelle symmetri af diamant.

Figur 1 Diamant (a) krystalstruktur; (b) enhedscellestruktur

Diamant er det hårdeste materiale i verden, med unikke fysiske og kemiske egenskaber, og fremragende egenskaber inden for mekanik, elektricitet og optik, som vist i figur 2: Diamant har ultrahøj hårdhed og slidstyrke, velegnet til skæring af materialer og indrykning mv. ., og er godt brugt i slibende værktøjer; (2) Diamant har den højeste varmeledningsevne (2200W/(m·K)) blandt naturlige stoffer kendt til dato, hvilket er 4 gange større end siliciumcarbid (SiC), 13 gange større end silicium (Si), 43 gange større end galliumarsenid (GaAs), og 4 til 5 gange større end kobber og sølv, og bruges i enheder med høj effekt. Det har fremragende egenskaber såsom lav termisk udvidelseskoefficient (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) og højt elasticitetsmodul. Det er et fremragende elektronisk emballagemateriale med gode udsigter. 

Hulmobiliteten er 4500 cm2·V^-1·s^-1, og elektronmobiliteten er 3800 cm2·V^-1·s^-1, hvilket gør den anvendelig til højhastighedskoblingsenheder; nedbrydningsfeltstyrken er 13MV/cm, som kan anvendes på højspændingsenheder; Baliga-værdien er så høj som 24664, hvilket er meget højere end andre materialer (jo større værdi, desto større er potentialet for brug i at skifte enheder). 

Polykrystallinsk diamant har også en dekorativ effekt. Diamantbelægningen har ikke kun en flasheffekt, men har også en række forskellige farver. Det bruges til fremstilling af high-end ure, dekorative belægninger til luksusvarer og direkte som et modeprodukt. Styrken og hårdheden af ​​diamant er 6 gange og 10 gange større end Corning-glas, så den bruges også i mobiltelefonskærme og kameralinser.

Figur 2 Egenskaber for diamant og andre halvledermaterialer

Forberedelse af diamant

Diamantvækst er hovedsageligt opdelt i HTHP-metoden (højtemperatur- og højtryksmetoden) ogCVD-metode (kemisk dampaflejringsmetode). CVD-metoden er blevet mainstream-metoden til fremstilling af diamanthalvledersubstrater på grund af dens fordele såsom højtryksmodstand, stor radiofrekvens, lave omkostninger og høj temperaturmodstand. De to vækstmetoder fokuserer på forskellige anvendelser, og de vil vise et komplementært forhold i lang tid i fremtiden.

Højtemperatur- og højtryksmetoden (HTHP) er at lave en grafitkernesøjle ved at blande grafitpulver, metalkatalysatorpulver og additiver i den andel, der er specificeret af råmaterialeformlen, og derefter granulering, statisk presning, vakuumreduktion, inspektion, vejning og andre processer. Grafitkernesøjlen samles derefter med kompositblokken, hjælpedele og andre forseglede tryktransmissionsmedier for at danne en syntetisk blok, der kan bruges til at syntetisere diamantenkeltkrystaller. Derefter placeres den i en sekssidet toppresse til opvarmning og tryksætning og holdes konstant i lang tid. Efter at krystalvæksten er afsluttet, standses varmen og trykket frigives, og det forseglede tryktransmissionsmedium fjernes for at opnå den syntetiske søjle, som derefter renses og sorteres for at opnå diamantenkeltkrystaller.

Figur 3 Strukturdiagram af sekssidet toppresse

På grund af brugen af ​​metalkatalysatorer indeholder diamantpartikler fremstillet ved den industrielle HTHP-metode ofte visse urenheder og defekter, og på grund af tilsætning af nitrogen har de normalt en gul nuance. Efter teknologiopgraderingen kan højtemperatur- og højtryksforberedelse af diamanter bruge temperaturgradientmetoden til at producere højkvalitets diamant-enkeltkrystaller af høj kvalitet, hvilket realiserer transformationen af ​​diamantindustriel slibekvalitet til ædelstenskvalitet.

Figur 4 Diamantmorfologi

Kemisk dampaflejring (CVD) er den mest populære metode til at syntetisere diamantfilm. De vigtigste metoder omfatter varm filament kemisk dampaflejring (HFCVD) ogMikrobølgeplasma kemisk dampaflejring (MPCVD).

(1) Varm filament kemisk dampaflejring

Det grundlæggende princip for HFCVD er at kollidere reaktionsgassen med en højtemperatur metaltråd i et vakuumkammer for at generere en række meget aktive "uladede" grupper. De dannede kulstofatomer aflejres på substratmaterialet for at danne nanodiamanter. Udstyret er enkelt at betjene, har lave vækstomkostninger, er meget udbredt og er let at opnå industriel produktion. På grund af den lave termiske nedbrydningseffektivitet og den alvorlige metalatomforurening fra filamentet og elektroden bruges HFCVD normalt kun til at fremstille polykrystallinske diamantfilm, der indeholder en stor mængde sp2-fase kulstofurenheder ved korngrænsen, så den er generelt gråsort .

Figur 5 (a) HFCVD-udstyrsdiagram, (b) vakuumkammerstrukturdiagram

(2) Mikrobølgeplasma kemisk dampaflejring

MPCVD-metoden bruger magnetron eller faststofkilde til at generere mikrobølger med specifik frekvens, som føres ind i reaktionskammeret gennem bølgeleder og danner stabile stående bølger over substratet i henhold til reaktionskammerets specielle geometriske dimensioner. 

Det stærkt fokuserede elektromagnetiske felt nedbryder her reaktionsgasserne metan og brint til en stabil plasmakugle. De elektronrige, ionrige og aktive atomgrupper vil nukleere og vokse på substratet ved den passende temperatur og tryk, hvilket forårsager homoepitaksial vækst langsomt. Sammenlignet med HFCVD undgår det forurening af diamantfilmen forårsaget af fordampning af varm metaltråd og øger renheden af ​​nanodiamantfilmen. Der kan bruges flere reaktionsgasser i processen end HFCVD, og ​​de aflejrede diamantenkeltkrystaller er renere end naturlige diamanter. Derfor kan optisk kvalitet diamant polykrystallinske vinduer, elektronisk kvalitet diamant enkeltkrystaller osv. fremstilles.

Figur 6 Intern struktur af MPCVD

Udvikling og dilemma af diamant

Siden den første kunstige diamant blev udviklet med succes i 1963, efter mere end 60 års udvikling, er mit land blevet det land med den største produktion af kunstig diamant i verden, der tegner sig for mere end 90% af verden. Kinas diamanter er dog hovedsageligt koncentreret i de lave og mellemstore applikationsmarkeder, såsom slibeslibning, optik, spildevandsbehandling og andre områder. Udviklingen af ​​indenlandske diamanter er stor, men ikke stærk, og den er dårligt stillet på mange områder, såsom high-end udstyr og elektroniske materialer. 

Med hensyn til akademiske resultater inden for CVD-diamanter er forskningen i USA, Japan og Europa i en førende position, og der er relativt få original forskning i mit land. Med støtte fra den centrale forskning og udvikling af den "13. femårsplan" er indenlandske splejsede epitaksiale store diamant-enkeltkrystaller sprunget til verdens førsteklasses position. Med hensyn til heterogene epitaksiale enkeltkrystaller er der stadig et stort hul i størrelse og kvalitet, som kan overgås i den "14. femårsplan".

Forskere fra hele verden har udført dybdegående forskning i vækst, doping og enhedssamling af diamanter for at realisere anvendelsen af ​​diamanter i optoelektroniske enheder og imødekomme folks forventninger til diamanter som et multifunktionelt materiale. Imidlertid er båndgabet af diamant så højt som 5,4 eV. Dens p-type ledningsevne kan opnås ved bor-doping, men det er meget vanskeligt at opnå n-type ledningsevne. Forskere fra forskellige lande har dopet urenheder som nitrogen, fosfor og svovl til enkeltkrystal eller polykrystallinsk diamant i form af at erstatte kulstofatomer i gitteret. På grund af det dybe donorenerginiveau eller vanskeligheder med ionisering af urenhederne er der imidlertid ikke opnået god n-type ledningsevne, hvilket i høj grad begrænser forskningen og anvendelsen af ​​diamantbaserede elektroniske enheder. 

Samtidig er en enkeltkrystaldiamant med stort areal vanskelig at fremstille i store mængder som enkeltkrystalsiliciumwafers, hvilket er en anden vanskelighed ved udviklingen af ​​diamantbaserede halvlederenheder. Ovenstående to problemer viser, at den eksisterende halvlederdoping og enhedsudviklingsteori er vanskelig at løse problemerne med diamant n-type doping og enhedssamling. Det er nødvendigt at søge andre dopingmetoder og dopingmidler, eller endda udvikle nye doping- og enhedsudviklingsprincipper.

For høje priser begrænser også udviklingen af ​​diamanter. Sammenlignet med prisen på silicium er prisen på siliciumcarbid 30-40 gange den for silicium, prisen på galliumnitrid er 650-1300 gange prisen på silicium, og prisen på syntetiske diamantmaterialer er omtrent 10.000 gange prisen for silicium. En for høj pris begrænser udviklingen og anvendelsen af ​​diamanter. Hvordan man kan reducere omkostningerne er et gennembrudspunkt for at bryde udviklingsdilemmaet.

Outlook

Selvom diamanthalvledere i øjeblikket står over for vanskeligheder i udviklingen, anses de stadig for at være det mest lovende materiale til at forberede den næste generation af elektroniske enheder med høj effekt, høj frekvens, høj temperatur og lavt strømtab. I øjeblikket er de varmeste halvledere besat af siliciumcarbid. Siliciumcarbid har strukturen som diamant, men halvdelen af ​​dets atomer er kulstof. Derfor kan det betragtes som en halv diamant. Siliciumcarbid bør være et overgangsprodukt fra siliciumkrystalæraen til diamanthalvlederæraen.

Udtrykket "Diamonds are forever, and one diamond lasts forever" har gjort De Beers navn berømt den dag i dag. For diamanthalvledere kan det kræve permanent og kontinuerlig udforskning at skabe en anden form for herlighed.

VeTek Semiconductor er en professionel kinesisk producent afTantalcarbid belægning, Siliciumcarbid belægning, GaN produkter,Speciel grafit, Siliciumcarbid keramikogAnden halvlederkeramik. VeTek Semiconductor er forpligtet til at levere avancerede løsninger til forskellige belægningsprodukter til halvlederindustrien.

Hvis du har spørgsmål eller brug for yderligere detaljer, så tøv ikke med at kontakte os.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com