Диамант - бъдещата звезда на полупроводниците

С бързото развитие на науката и технологиите и нарастващото глобално търсене на високопроизводителни и високоефективни полупроводникови устройства, полупроводниковите субстратни материали, като ключова техническа връзка във веригата на полупроводниковата индустрия, стават все по-важни. Сред тях диамантът, като потенциален материал от четвърто поколение „най-добър полупроводник“, постепенно се превръща в изследователска гореща точка и нов фаворит на пазара в областта на полупроводниковите субстратни материали поради отличните си физични и химични свойства.

Свойства на диаманта

Диамантът е типичен атомен кристал и кристал с ковалентна връзка. Кристалната структура е показана на фигура 1 (а). Състои се от средния въглероден атом, свързан с другите три въглеродни атома под формата на ковалентна връзка. Фигура 1 (b) е структурата на единичната клетка, която отразява микроскопичната периодичност и структурната симетрия на диаманта.

Фигура 1 диамант (а) кристална структура; (б) Структура на единичните клетки

Диамантът е най-твърдият материал в света, с уникални физични и химични свойства и отлични свойства в механиката, електричеството и оптиката, както е показано на Фигура 2: Диамантът има свръхвисока твърдост и устойчивост на износване, подходящ за рязане на материали и индентори и др. ., и се използва добре в абразивни инструменти; (2) Diamond has the highest thermal conductivity (2200W/(m·K)) among natural substances known to date, which is 4 times greater than silicon carbide (SiC), 13 times greater than silicon (Si), 43 times greater than Галив арсенид (GAAS) и 4 до 5 пъти по-големи от медта и среброто и се използват в устройства с висока мощност. Той има отлични свойства като коефициент на ниско термично разширение (0,8 × 10-6-1,5 × 10^-6K^-1) и висок модул на еластичност. Това е отличен електронен опаковъчен материал с добри перспективи. 

Подвижността на дупката е 4500 cm2·V^-1· S^-1, а електронната подвижност е 3800 cm2 · v^-1· S^-1, което го прави приложим за високоскоростни превключващи устройства; Силата на полето на разпадане е 13MV/cm, която може да се приложи към устройства с високо напрежение; Фигурата на заслугите на Балига е до 24664, което е много по -високо от другите материали (колкото по -голяма е стойността, толкова по -голям е потенциалът за използване в превключващите устройства). 

Поликристалният диамант има и декоративен ефект. Диамантеното покритие не само има светкавичен ефект, но и има разнообразие от цветове. Използва се в производството на часовници от висок клас, декоративни покрития за луксозни стоки и директно като моден продукт. Здравината и твърдостта на диаманта са 6 пъти и 10 пъти по-високи от стъклото на Corning, така че се използва и в дисплеи на мобилни телефони и лещи на фотоапарати.

Фигура 2 Свойства на диаманта и други полупроводникови материали

Подготовка на диамант

Растежът на диаманти се разделя главно на метод HTHP (метод с висока температура и високо налягане) иCVD метод (метод на химическо отлагане на пари). Методът CVD се превърна в основен метод за подготовка на диамантени полупроводникови субстрати поради своите предимства като устойчивост на високо налягане, голяма радиочестота, ниска цена и устойчивост на висока температура. Двата метода за растеж се фокусират върху различни приложения и те ще покажат допълваща се връзка за дълго време в бъдеще.

Методът с висока температура и високо налягане (HTHP) е да се направи колона с графитна сърцевина чрез смесване на графитен прах, прах от метален катализатор и добавки в пропорцията, определена от формулата на суровината, и след това гранулиране, статично пресоване, намаляване на вакуума, проверка, претегляне и други процеси. След това колоната с графитно ядро ​​се сглобява с композитния блок, спомагателните части и други запечатани среди за предаване на налягане, за да се образува синтетичен блок, който може да се използва за синтезиране на диамантени монокристали. След това се поставя в шестстранна горна преса за нагряване и херметизиране и се поддържа постоянно за дълго време. След завършване на растежа на кристала, топлината се спира и налягането се освобождава, а запечатаната среда за предаване на налягане се отстранява, за да се получи синтетичната колона, която след това се пречиства и сортира, за да се получат диамантени монокристали.

Фигура 3 Структурна диаграма на шестстранната горна преса

Поради използването на метални катализатори, диамантените частици, получени по индустриалния HTHP метод, често съдържат определени примеси и дефекти, а поради добавянето на азот те обикновено имат жълт оттенък. След надграждането на технологията подготовката на диаманти при висока температура и високо налягане може да използва метода на температурния градиент за производство на висококачествени диамантени монокристали с големи частици, реализирайки трансформацията на диамантен промишлен абразив в клас скъпоценни камъни.

Фигура 4 Диамантена морфология

Химичното отлагане на пари (CVD) е най-популярният метод за синтезиране на диамантени филми. Основните методи включват химическо отлагане на пари с гореща нишка (HFCVD) иМикровълнова плазмена химическа отлагане на пари (MPCVD).

(1) Химическо отлагане на горещи нишки

Основният принцип на HFCVD е да се сблъска реакционният газ с високотемпературна метална тел във вакуумна камера, за да се генерират различни силно активни "незаредени" групи. Генерираните въглеродни атоми се отлагат върху материала на субстрата, за да образуват нанодиаманти. Оборудването е лесно за работа, има ниски разходи за растеж, широко се използва и лесно се постига промишлено производство. Поради ниската ефективност на термично разлагане и сериозното замърсяване с метални атоми от нажежаемата жичка и електрода, HFCVD обикновено се използва само за приготвяне на поликристални диамантени филми, съдържащи голямо количество sp2 фазови въглеродни примеси на границата на зърното, така че обикновено е сиво-черен .

Фигура 5 (a) Диаграма на оборудването HFCVD, (b) диаграма на структурата на вакуумната камера

(2) Микровълнова плазмена химическо отлагане на пари

Методът MPCVD използва магнетрон или твърдотелен източник за генериране на микровълни със специфична честота, които се подават в реакционната камера през вълновод и образуват стабилни стоящи вълни над субстрата според специалните геометрични размери на реакционната камера. 

Силно фокусираното електромагнитно поле разбива реакционните газове метан и водород тук, за да образува стабилна плазмена топка. Богатите на електрон, богатите на йони и активните атомни групи ще се нуклират и растат върху субстрата при подходяща температура и налягане, което ще доведе до хомоепитаксиален растеж бавно. В сравнение с HFCVD, той избягва замърсяването на диамантения филм, причинен от изпаряване на горещ метал и увеличава чистотата на филма на нанодиамонд. В процеса могат да се използват повече реакционни газове, отколкото HFCVD, а депозираните диамантени единични кристали са по -чисти от естествените диаманти. Следователно могат да се приготвят оптични диамантени поликристални прозорци, електронни диамантени диамантени и т.н.

Фигура 6 Вътрешна структура на MPCVD

Развитие и дилема на диаманта

Тъй като първият изкуствен диамант е успешно развит през 1963 г., след повече от 60 години развитие, моята страна се превърна в страната с най -голямата продукция на изкуствения диамант в света, представляваща повече от 90% от света. Китайските диаманти обаче са концентрирани главно на пазарите на приложения от нисък клас и среден клас, като абразивно шлифоване, оптика, обработка на канализацията и други полета. Развитието на вътрешните диаманти е голямо, но не е силно и е в неизгодно положение в много области като оборудване от висок клас и материали за електронни клас. 

По отношение на академичните постижения в областта на CVD диамантите, изследванията в Съединените щати, Япония и Европа са на водеща позиция, а в моята страна има относително малко оригинални изследвания. С подкрепата на ключовите изследвания и разработки на "13-ия петгодишен план", вътрешните снаждани епитаксиални диамантени монокристали с големи размери скочиха до първокласна позиция в света. По отношение на хетерогенните епитаксиални монокристали, все още има голяма празнина в размера и качеството, която може да бъде надмината в "14-ия петгодишен план".

Изследователи от цял ​​свят са провели задълбочени изследвания върху растежа, допинга и сглобяването на устройства на диаманти, за да реализират приложението на диаманти в оптоелектронни устройства и да отговорят на очакванията на хората за диамантите като многофункционален материал. Широчината на забранената зона на диаманта обаче е 5,4 eV. Неговата p-тип проводимост може да се постигне чрез допиране с бор, но е много трудно да се получи n-тип проводимост. Изследователи от различни страни са добавили примеси като азот, фосфор и сяра в монокристален или поликристален диамант под формата на заместващи въглеродни атоми в решетката. Въпреки това, поради дълбокото енергийно ниво на донора или трудността при йонизиране на примесите, не е получена добра n-тип проводимост, което значително ограничава изследванията и приложението на базирани на диаманти електронни устройства. 

В същото време единичен кристален диамант с голяма площ е трудно да се приготви в големи количества като монокристални силициеви пластини, което е друга трудност при разработването на полупроводникови устройства на базата на диаманти. Горните два проблема показват, че съществуващата теория за допиране на полупроводници и разработване на устройства е трудно да се решат проблемите на допиране от диамант n-тип и сглобяване на устройства. Необходимо е да се търсят други методи за допинг и добавки или дори да се разработят нови принципи за допинг и разработване на устройства.

Прекалено високите цени също ограничават развитието на диамантите. В сравнение с цената на силиция, цената на силициевия карбид е 30-40 пъти по-висока от тази на силиция, цената на галиевия нитрид е 650-1300 пъти по-висока от тази на силиция, а цената на синтетичните диамантени материали е приблизително 10 000 пъти по-висока от тази на силиция. Твърде високата цена ограничава развитието и приложението на диамантите. Как да намалим разходите е пробивна точка за преодоляване на дилемата за развитие.

Перспективи

Въпреки че диамантените полупроводници в момента са изправени пред трудности при разработването, те все още се считат за най-обещаващият материал за подготовка на следващото поколение електронни устройства с висока мощност, висока честота, висока температура и ниски загуби на мощност. В момента най-горещите полупроводници са заети от силициевия карбид. Силициевият карбид има структурата на диамант, но половината от неговите атоми са въглеродни. Следователно може да се разглежда като половин диамант. Силициевият карбид трябва да бъде преходен продукт от ерата на силициевите кристали към ерата на диамантените полупроводници.

Фразата "Диамантите са завинаги, а един диамант трае вечно" направи името на Де Бирс, известен и до днес. За диамантените полупроводници създаването на друг вид слава може да изисква постоянно и непрекъснато проучване.

Vetek Semiconductor е професионален китайски производител наTantalum карбидно покритие, Покритие от силициев карбид, GAN продукти,Специален графит, Керамика от силициев карбидиДруга полупроводникова керамика. VeTek Semiconductor се ангажира да предоставя модерни решения за различни продукти за покритие за полупроводниковата индустрия.

Ако имате запитвания или се нуждаете от допълнителни подробности, моля не се колебайте да се свържете с нас.

Моб/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Имейл: anny@veteksemi.com