Diamant - fremtidens stjerne for halvledere

Med den raske utviklingen av vitenskap og teknologi og den økende globale etterspørselen etter høyytelses og høyeffektive halvlederenheter, blir halvledersubstratmaterialer, som et sentralt teknisk ledd i halvlederindustrikjeden, stadig viktigere. Blant dem er diamant, som et potensielt fjerdegenerasjons "ultimate halvleder"-materiale, gradvis i ferd med å bli et forskningshotspot og en ny markedsfavoritt innen halvledersubstratmaterialer på grunn av dets utmerkede fysiske og kjemiske egenskaper.

Egenskaper til diamant

Diamant er en typisk atomkrystall og kovalent bindingskrystall. Krystallstrukturen er vist i figur 1(a). Den består av det midterste karbonatomet bundet til de tre andre karbonatomene i form av en kovalent binding. Figur 1(b) er enhetscellestrukturen, som gjenspeiler den mikroskopiske periodisiteten og strukturelle symmetrien til diamant.

Figur 1 Diamant (a) krystallstruktur; (b) enhetscellestruktur

Diamant er det hardeste materialet i verden, med unike fysiske og kjemiske egenskaper, og utmerkede egenskaper innen mekanikk, elektrisitet og optikk, som vist i figur 2: Diamant har ultrahøy hardhet og slitestyrke, egnet for skjæring av materialer og innrykk osv. ., og er godt brukt i slipeverktøy; (2) Diamant har den høyeste varmeledningsevnen (2200W/(m·K)) blant naturlige stoffer kjent til dags dato, som er 4 ganger større enn silisiumkarbid (SiC), 13 ganger større enn silisium (Si), 43 ganger større enn galliumarsenid (GaAs), og 4 til 5 ganger større enn kobber og sølv, og brukes i enheter med høy effekt. Den har utmerkede egenskaper som lav termisk ekspansjonskoeffisient (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) og høy elastisitetsmodul. Det er et utmerket elektronisk emballasjemateriale med gode utsikter. 

Hullmobiliteten er 4500 cm2·V^-1·s^-1, og elektronmobiliteten er 3800 cm2·V^-1·s^-1, som gjør den anvendelig for høyhastighets svitsjeenheter; sammenbruddsfeltstyrken er 13MV/cm, som kan brukes på høyspentenheter; Baliga-verdien er så høy som 24664, som er mye høyere enn andre materialer (jo større verdi, jo større er potensialet for bruk i bytte av enheter). 

Polykrystallinsk diamant har også en dekorativ effekt. Diamantbelegget har ikke bare en blinkeffekt, men har også en rekke farger. Den brukes i produksjon av high-end klokker, dekorative belegg for luksusvarer, og direkte som et moteprodukt. Styrken og hardheten til diamant er 6 ganger og 10 ganger større enn Corning-glass, så den brukes også i mobiltelefonskjermer og kameralinser.

Figur 2 Egenskaper til diamant og andre halvledermaterialer

Klargjøring av diamant

Diamantvekst er hovedsakelig delt inn i HTHP-metoden (høytemperatur- og høytrykksmetode) ogCVD-metode (kjemisk dampavsetningsmetode). CVD-metoden har blitt mainstream-metoden for fremstilling av diamanthalvledersubstrater på grunn av dens fordeler som høy trykkmotstand, stor radiofrekvens, lav pris og høy temperaturmotstand. De to vekstmetodene fokuserer på ulike anvendelser, og de vil vise et komplementært forhold i lang tid fremover.

Høytemperatur- og høytrykksmetoden (HTHP) er å lage en grafittkjernekolonne ved å blande grafittpulver, metallkatalysatorpulver og tilsetningsstoffer i forholdet spesifisert av råstoffformelen, og deretter granulere, statisk pressing, vakuumreduksjon, inspeksjon, veiing og andre prosesser. Grafittkjernesøylen settes deretter sammen med komposittblokken, hjelpedeler og andre forseglede trykkoverføringsmedier for å danne en syntetisk blokk som kan brukes til å syntetisere diamantenkelkrystaller. Deretter legges den i en sekssidig topppresse for oppvarming og trykksetting og holdes konstant i lang tid. Etter at krystallveksten er fullført, stoppes varmen og trykket frigjøres, og det forseglede trykkoverføringsmediet fjernes for å oppnå den syntetiske kolonnen, som deretter renses og sorteres for å oppnå diamantenkelkrystaller.

Figur 3 Strukturdiagram av sekssidig topppresse

På grunn av bruken av metallkatalysatorer inneholder diamantpartikler fremstilt ved den industrielle HTHP-metoden ofte visse urenheter og defekter, og på grunn av tilsetning av nitrogen har de vanligvis en gul nyanse. Etter teknologioppgraderingen kan høytemperatur- og høytrykkspreparering av diamanter bruke temperaturgradientmetoden for å produsere store partikler høykvalitets diamantenkelkrystaller, og realisere transformasjonen av diamantindustriell slipekvalitet til edelstenskvalitet.

Figur 4 Diamantmorfologi

Kjemisk dampavsetning (CVD) er den mest populære metoden for å syntetisere diamantfilmer. De viktigste metodene inkluderer varm filament kjemisk dampavsetning (HFCVD) ogMikrobølgeplasma kjemisk dampavsetning (MPCVD).

(1) Kjemisk dampavsetning av varme filamenter

Det grunnleggende prinsippet for HFCVD er å kollidere reaksjonsgassen med en høytemperatur metalltråd i et vakuumkammer for å generere en rekke svært aktive "uladede" grupper. De genererte karbonatomene avsettes på substratmaterialet for å danne nanodiamanter. Utstyret er enkelt å betjene, har lave vekstkostnader, er mye brukt og er lett å oppnå industriell produksjon. På grunn av den lave termiske dekomponeringseffektiviteten og den alvorlige metallatomforurensningen fra filamentet og elektroden, brukes HFCVD vanligvis bare til å fremstille polykrystallinske diamantfilmer som inneholder en stor mengde sp2-fase karbonurenheter ved korngrensen, så den er vanligvis gråsvart .

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

(2) Mikrobølgeplasma kjemisk dampavsetning

MPCVD-metoden bruker magnetron eller solid-state-kilde for å generere mikrobølger med spesifikk frekvens, som mates inn i reaksjonskammeret gjennom bølgeleder, og danner stabile stående bølger over substratet i henhold til de spesielle geometriske dimensjonene til reaksjonskammeret. 

Det sterkt fokuserte elektromagnetiske feltet bryter ned reaksjonsgassene metan og hydrogen her til en stabil plasmakule. De elektronrike, ionerike og aktive atomgruppene vil danne kjerne og vokse på substratet ved passende temperatur og trykk, noe som forårsaker homoepitaksial vekst sakte. Sammenlignet med HFCVD unngår den forurensning av diamantfilmen forårsaket av fordampning av varm metalltråd og øker renheten til nanodiamantfilmen. Flere reaksjonsgasser kan brukes i prosessen enn HFCVD, og ​​de avsatte diamantenkelkrystallene er renere enn naturlige diamanter. Derfor kan optisk-grade diamant polykrystallinske vinduer, elektronisk-grade diamant enkeltkrystaller, etc. fremstilles.

Figur 6 Intern struktur av MPCVD

Utvikling og dilemma av diamant

Siden den første kunstige diamanten ble utviklet med suksess i 1963, etter mer enn 60 år med utvikling, har landet mitt blitt det landet med den største produksjonen av kunstig diamant i verden, og står for mer enn 90 % av verden. Imidlertid er Kinas diamanter hovedsakelig konsentrert i de lave og mellomstore applikasjonsmarkedene, slik som sliping, optikk, kloakkbehandling og andre felt. Utviklingen av innenlandske diamanter er stor, men ikke sterk, og den er i en ulempe på mange felt som avansert utstyr og materialer av elektronisk kvalitet. 

Når det gjelder akademiske prestasjoner innen CVD-diamanter, er forskningen i USA, Japan og Europa i en ledende posisjon, og det er relativt lite original forskning i mitt land. Med støtte fra nøkkelforskningen og utviklingen av den "13. femårsplanen" har innenlandske spleisede epitaksiale store diamant-enkelkrystaller hoppet til verdens førsteklasses posisjon. Når det gjelder heterogene epitaksiale enkeltkrystaller, er det fortsatt et stort gap i størrelse og kvalitet, som kan overgås i den "14. femårsplanen".

Forskere fra hele verden har utført dyptgående forskning på vekst, doping og enhetssammensetning av diamanter for å realisere anvendelsen av diamanter i optoelektroniske enheter og møte folks forventninger til diamanter som et multifunksjonelt materiale. Imidlertid er båndgapet til diamant så høyt som 5,4 eV. Dens p-type ledningsevne kan oppnås ved bordoping, men det er svært vanskelig å oppnå n-type ledningsevne. Forskere fra forskjellige land har dopet urenheter som nitrogen, fosfor og svovel til enkeltkrystall eller polykrystallinsk diamant i form av å erstatte karbonatomer i gitteret. På grunn av det dype donorenerginivået eller vanskelighetene med ionisering av urenhetene, har imidlertid ikke god n-type ledningsevne blitt oppnådd, noe som i stor grad begrenser forskningen og anvendelsen av diamantbaserte elektroniske enheter. 

Samtidig er en krystalldiamant med stort areal vanskelig å tilberede i store mengder som enkeltkrystallsilisiumskiver, som er en annen vanskelighet i utviklingen av diamantbaserte halvlederenheter. De to ovennevnte problemene viser at den eksisterende teorien for halvlederdoping og enhetsutvikling er vanskelig å løse problemene med diamant n-type doping og enhetsmontering. Det er nødvendig å søke andre dopingmetoder og dopingmidler, eller til og med utvikle nye doping- og enhetsutviklingsprinsipper.

For høye priser begrenser også utviklingen av diamanter. Sammenlignet med prisen på silisium er prisen på silisiumkarbid 30-40 ganger den for silisium, prisen på galliumnitrid er 650-1300 ganger den for silisium, og prisen på syntetiske diamantmaterialer er omtrent 10 000 ganger den for silisium. For høy pris begrenser utviklingen og anvendelsen av diamanter. Hvordan redusere kostnadene er et gjennombruddspunkt for å bryte utviklingsdilemmaet.

Outlook

Selv om diamanthalvledere for tiden står overfor vanskeligheter i utviklingen, anses de fortsatt for å være det mest lovende materialet for å forberede neste generasjon av elektroniske enheter med høy effekt, høyfrekvente, høy temperatur og lavt effekttap. For tiden er de varmeste halvlederne okkupert av silisiumkarbid. Silisiumkarbid har strukturen til diamant, men halvparten av atomene er karbon. Derfor kan den betraktes som en halv diamant. Silisiumkarbid bør være et overgangsprodukt fra silisiumkrystalltiden til diamanthalvledertiden.

Uttrykket "Diamonds are forever, and one diamond lasts forever" har gjort navnet til De Beers kjent den dag i dag. For diamanthalvledere kan det å skape en annen type herlighet kreve permanent og kontinuerlig utforskning.

VeTek Semiconductor er en profesjonell kinesisk produsent avTantalkarbidbelegg, Silisiumkarbidbelegg, GaN-produkter,Spesiell grafitt, SilisiumkarbidkeramikkogAnnen halvlederkeramikk. VeTek Semiconductor er forpliktet til å tilby avanserte løsninger for ulike beleggprodukter for halvlederindustrien.

Hvis du har spørsmål eller trenger ytterligere detaljer, ikke nøl med å ta kontakt med oss.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-post: anny@veteksemi.com