Diamond - το μελλοντικό αστέρι των ημιαγωγών

Με την ταχεία ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας και την αυξανόμενη παγκόσμια ζήτηση για συσκευές ημιαγωγών υψηλής απόδοσης και υψηλής απόδοσης, τα υλικά υποστρώματος ημιαγωγών, ως βασικός τεχνικός κρίκος στην αλυσίδα της βιομηχανίας ημιαγωγών, γίνονται όλο και πιο σημαντικά. Μεταξύ αυτών, το διαμάντι, ως πιθανό υλικό «απόλυτου ημιαγωγού» τέταρτης γενιάς, γίνεται σταδιακά ερευνητικό hotspot και νέο φαβορί στην αγορά στον τομέα των υλικών υποστρωμάτων ημιαγωγών λόγω των εξαιρετικών φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του.

Ιδιότητες του διαμαντιού

Το διαμάντι είναι ένας τυπικός ατομικός κρύσταλλος και κρύσταλλος ομοιοπολικού δεσμού. Η κρυσταλλική δομή φαίνεται στο Σχήμα 1(α). Αποτελείται από το μεσαίο άτομο άνθρακα που συνδέεται με τα άλλα τρία άτομα άνθρακα με τη μορφή ομοιοπολικού δεσμού. Το σχήμα 1(β) είναι η δομή της μονάδας κυψέλης, η οποία αντανακλά τη μικροσκοπική περιοδικότητα και τη δομική συμμετρία του διαμαντιού.

Σχήμα 1 Διαμάντι (α) κρυσταλλική δομή. (β) δομή μονάδας κυττάρου

Το διαμάντι είναι το σκληρότερο υλικό στον κόσμο, με μοναδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες και εξαιρετικές ιδιότητες στη μηχανική, τον ηλεκτρισμό και την οπτική, όπως φαίνεται στο σχήμα 2: Το διαμάντι έχει εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα και αντοχή στη φθορά, κατάλληλο για κοπή υλικών και εσοχών κ.λπ. ., και χρησιμοποιείται καλά σε λειαντικά εργαλεία. (2) Το διαμάντι έχει την υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα (2200W/(m·K)) μεταξύ των γνωστών μέχρι σήμερα φυσικών ουσιών, η οποία είναι 4 φορές μεγαλύτερη από το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), 13 φορές μεγαλύτερη από το πυρίτιο (Si), 43 φορές μεγαλύτερη από αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs), και 4 έως 5 φορές μεγαλύτερο από τον χαλκό και τον άργυρο, και χρησιμοποιείται σε συσκευές υψηλής ισχύος. Έχει εξαιρετικές ιδιότητες όπως χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) και υψηλό μέτρο ελαστικότητας. Είναι ένα εξαιρετικό ηλεκτρονικό υλικό συσκευασίας με καλές προοπτικές. 

Η κινητικότητα της οπής είναι 4500 cm2·V^-1·μικρό^-1και η κινητικότητα των ηλεκτρονίων είναι 3800 cm2·V^-1·μικρό^-1, γεγονός που το καθιστά εφαρμόσιμο σε συσκευές μεταγωγής υψηλής ταχύτητας. η ένταση του πεδίου διάσπασης είναι 13MV/cm, η οποία μπορεί να εφαρμοστεί σε συσκευές υψηλής τάσης. η αξία Baliga είναι τόσο υψηλή όσο 24664, που είναι πολύ υψηλότερη από άλλα υλικά (όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή, τόσο μεγαλύτερη είναι η δυνατότητα χρήσης σε συσκευές μεταγωγής). 

Το πολυκρυσταλλικό διαμάντι έχει επίσης διακοσμητικό αποτέλεσμα. Η επίστρωση διαμαντιών δεν έχει μόνο εφέ φλας αλλά έχει και ποικιλία χρωμάτων. Χρησιμοποιείται στην κατασκευή ρολογιών υψηλής ποιότητας, διακοσμητικών επιστρώσεων για είδη πολυτελείας και απευθείας ως προϊόν μόδας. Η αντοχή και η σκληρότητα του διαμαντιού είναι 6 φορές και 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή του γυαλιού Corning, επομένως χρησιμοποιείται επίσης σε οθόνες κινητών τηλεφώνων και φακούς κάμερας.

Εικόνα 2 Ιδιότητες διαμαντιού και άλλων ημιαγωγών υλικών

Προετοιμασία διαμαντιού

Η ανάπτυξη διαμαντιών χωρίζεται κυρίως στη μέθοδο HTHP (μέθοδος υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης) καιΜέθοδος CVD (μέθοδος εναπόθεσης χημικών ατμών). Η μέθοδος CVD έχει γίνει η κύρια μέθοδος για την προετοιμασία υποστρωμάτων ημιαγωγών διαμαντιών λόγω των πλεονεκτημάτων της, όπως η αντοχή σε υψηλή πίεση, μεγάλη ραδιοσυχνότητα, χαμηλό κόστος και αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία. Οι δύο μέθοδοι ανάπτυξης επικεντρώνονται σε διαφορετικές εφαρμογές και θα δείξουν μια συμπληρωματική σχέση για μεγάλο χρονικό διάστημα στο μέλλον.

Η μέθοδος υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης (HTHP) είναι η κατασκευή μιας στήλης πυρήνα γραφίτη με ανάμειξη σκόνης γραφίτη, μεταλλικής σκόνης καταλύτη και πρόσθετων στην αναλογία που καθορίζεται από τον τύπο της πρώτης ύλης, και στη συνέχεια κοκκοποίηση, στατική συμπίεση, μείωση κενού, επιθεώρηση, ζύγιση και άλλες διαδικασίες. Η στήλη του πυρήνα γραφίτη στη συνέχεια συναρμολογείται με το σύνθετο μπλοκ, τα βοηθητικά μέρη και άλλα σφραγισμένα μέσα μετάδοσης πίεσης για να σχηματίσουν ένα συνθετικό μπλοκ που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση μονοκρυστάλλων διαμαντιών. Μετά από αυτό, τοποθετείται σε εξάπλευρη επάνω πρέσα για θέρμανση και συμπίεση και διατηρείται σταθερή για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αφού ολοκληρωθεί η ανάπτυξη των κρυστάλλων, η θερμότητα σταματά και η πίεση απελευθερώνεται και το σφραγισμένο μέσο μετάδοσης πίεσης αφαιρείται για να ληφθεί η συνθετική στήλη, η οποία στη συνέχεια καθαρίζεται και ταξινομείται για να ληφθούν μονοκρυστάλλοι διαμαντιού.

Σχήμα 3 Διάγραμμα δομής άνω πρέσας έξι όψεων

Λόγω της χρήσης μεταλλικών καταλυτών, τα σωματίδια διαμαντιού που παρασκευάζονται με τη βιομηχανική μέθοδο HTHP συχνά περιέχουν ορισμένες ακαθαρσίες και ελαττώματα και λόγω της προσθήκης αζώτου έχουν συνήθως κίτρινη απόχρωση. Μετά την τεχνολογική αναβάθμιση, η προετοιμασία διαμαντιών υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης μπορεί να χρησιμοποιήσει τη μέθοδο βαθμίδωσης θερμοκρασίας για την παραγωγή μονοκρυστάλλων διαμαντιών υψηλής ποιότητας μεγάλων σωματιδίων, πραγματοποιώντας τη μετατροπή του βιομηχανικού λειαντικού διαμαντιού σε ποιότητα πολύτιμου λίθου.

Εικόνα 4 Μορφολογία διαμαντιών

Η εναπόθεση χημικών ατμών (CVD) είναι η πιο δημοφιλής μέθοδος για τη σύνθεση μεμβρανών διαμαντιού. Οι κύριες μέθοδοι περιλαμβάνουν την εναπόθεση χημικών ατμών με θερμό νήμα (HFCVD) καιχημική εναπόθεση ατμών πλάσματος μικροκυμάτων (MPCVD).

(1) Εναπόθεση χημικών ατμών θερμού νήματος

Η βασική αρχή του HFCVD είναι η σύγκρουση του αερίου αντίδρασης με ένα μεταλλικό σύρμα υψηλής θερμοκρασίας σε ένα θάλαμο κενού για τη δημιουργία μιας ποικιλίας πολύ ενεργών «μη φορτισμένων» ομάδων. Τα παραγόμενα άτομα άνθρακα εναποτίθενται στο υλικό του υποστρώματος για να σχηματίσουν νανοδιαμάντια. Ο εξοπλισμός είναι απλός στη λειτουργία, έχει χαμηλό κόστος ανάπτυξης, χρησιμοποιείται ευρέως και είναι εύκολο να επιτευχθεί βιομηχανική παραγωγή. Λόγω της χαμηλής απόδοσης θερμικής αποσύνθεσης και της σοβαρής μόλυνσης από άτομο μετάλλου από το νήμα και το ηλεκτρόδιο, το HFCVD χρησιμοποιείται συνήθως μόνο για την παρασκευή μεμβρανών πολυκρυσταλλικού διαμαντιού που περιέχουν μεγάλη ποσότητα ακαθαρσιών άνθρακα φάσης sp2 στο όριο των κόκκων, επομένως είναι γενικά γκρι-μαύρο. .

Σχήμα 5 (α) διάγραμμα εξοπλισμού HFCVD, (β) διάγραμμα δομής θαλάμου κενού

(2) Εναπόθεση χημικών ατμών στο πλάσμα μικροκυμάτων

Η μέθοδος MPCVD χρησιμοποιεί μαγνήτρον ή πηγή στερεάς κατάστασης για τη δημιουργία μικροκυμάτων συγκεκριμένης συχνότητας, τα οποία τροφοδοτούνται στον θάλαμο αντίδρασης μέσω κυματοδηγού και σχηματίζουν σταθερά στάσιμα κύματα πάνω από το υπόστρωμα σύμφωνα με τις ειδικές γεωμετρικές διαστάσεις του θαλάμου αντίδρασης. 

Το εξαιρετικά εστιασμένο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο διασπά τα αέρια της αντίδρασης μεθάνιο και υδρογόνο εδώ για να σχηματίσει μια σταθερή μπάλα πλάσματος. Οι πλούσιες σε ηλεκτρόνια, πλούσιες σε ιόντα και ενεργές ατομικές ομάδες θα πυρηνωθούν και θα αναπτυχθούν στο υπόστρωμα στην κατάλληλη θερμοκρασία και πίεση, προκαλώντας αργή ομοεπιταξιακή ανάπτυξη. Σε σύγκριση με το HFCVD, αποφεύγει τη μόλυνση του φιλμ διαμαντιού που προκαλείται από την εξάτμιση θερμού μεταλλικού σύρματος και αυξάνει την καθαρότητα του φιλμ νανοδιαμάντι. Στη διαδικασία μπορούν να χρησιμοποιηθούν περισσότερα αέρια αντίδρασης από το HFCVD, και οι εναποτιθέμενοι μονοκρύσταλλοι διαμαντιών είναι καθαρότεροι από τα φυσικά διαμάντια. Επομένως, μπορούν να παρασκευαστούν πολυκρυσταλλικά παράθυρα με διαμάντια οπτικής ποιότητας, μονοκρύσταλλα διαμαντιών ηλεκτρονικής ποιότητας κ.λπ.

Εικόνα 6 Εσωτερική δομή του MPCVD

Ανάπτυξη και δίλημμα του διαμαντιού

Από τότε που αναπτύχθηκε με επιτυχία το πρώτο τεχνητό διαμάντι το 1963, μετά από περισσότερα από 60 χρόνια ανάπτυξης, η χώρα μου έγινε η χώρα με τη μεγαλύτερη παραγωγή τεχνητού διαμαντιού στον κόσμο, αντιπροσωπεύοντας περισσότερο από το 90% του κόσμου. Ωστόσο, τα διαμάντια της Κίνας συγκεντρώνονται κυρίως στις αγορές εφαρμογών χαμηλής και μεσαίας κατηγορίας, όπως η λειαντική λείανση, η οπτική, η επεξεργασία λυμάτων και άλλοι τομείς. Η ανάπτυξη εγχώριων διαμαντιών είναι μεγάλη αλλά όχι ισχυρή και βρίσκεται σε μειονεκτική θέση σε πολλούς τομείς, όπως εξοπλισμός υψηλής τεχνολογίας και υλικά ηλεκτρονικής ποιότητας. 

Όσον αφορά τα ακαδημαϊκά επιτεύγματα στον τομέα των διαμαντιών CVD, η έρευνα στις Ηνωμένες Πολιτείες, την Ιαπωνία και την Ευρώπη βρίσκεται σε ηγετική θέση και υπάρχουν σχετικά λίγες πρωτότυπες έρευνες στη χώρα μου. Με την υποστήριξη της βασικής έρευνας και ανάπτυξης του «13ου Πενταετούς Σχεδίου», τα εγχώρια ματισμένα επιταξιακά μονοκρύσταλλα διαμαντιών μεγάλου μεγέθους έχουν αναρριχηθεί στην πρώτη θέση παγκοσμίως. Σε ό,τι αφορά τους ετερογενείς επιταξιακούς μονοκρυστάλλους, εξακολουθεί να υπάρχει μεγάλο κενό σε μέγεθος και ποιότητα, το οποίο μπορεί να ξεπεραστεί στο «14ο Πενταετές Σχέδιο».

Ερευνητές από όλο τον κόσμο έχουν διεξαγάγει εις βάθος έρευνα για την ανάπτυξη, το ντόπινγκ και τη συναρμολόγηση συσκευών διαμαντιών, προκειμένου να πραγματοποιήσουν την εφαρμογή των διαμαντιών σε οπτοηλεκτρονικές συσκευές και να ανταποκριθούν στις προσδοκίες των ανθρώπων για τα διαμάντια ως πολυλειτουργικό υλικό. Ωστόσο, το χάσμα ζώνης του διαμαντιού είναι τόσο υψηλό όσο 5,4 eV. Η αγωγιμότητα του τύπου p μπορεί να επιτευχθεί με ντόπινγκ βορίου, αλλά είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθεί αγωγιμότητα τύπου n. Ερευνητές από διάφορες χώρες έχουν ντοπάρει ακαθαρσίες όπως άζωτο, φώσφορο και θείο σε μονοκρύσταλλο ή πολυκρυσταλλικό διαμάντι με τη μορφή αντικατάστασης ατόμων άνθρακα στο πλέγμα. Ωστόσο, λόγω του βαθιού ενεργειακού επιπέδου δότη ή της δυσκολίας στον ιονισμό των ακαθαρσιών, δεν έχει επιτευχθεί καλή αγωγιμότητα τύπου n, γεγονός που περιορίζει σημαντικά την έρευνα και την εφαρμογή ηλεκτρονικών συσκευών με βάση το διαμάντι. 

Ταυτόχρονα, το διαμάντι μονού κρυστάλλου μεγάλης επιφάνειας είναι δύσκολο να παρασκευαστεί σε μεγάλες ποσότητες, όπως οι γκοφρέτες μονοκρυστάλλου πυριτίου, κάτι που είναι μια άλλη δυσκολία στην ανάπτυξη συσκευών ημιαγωγών με βάση το διαμάντι. Τα παραπάνω δύο προβλήματα δείχνουν ότι η υπάρχουσα θεωρία ντόπινγκ ημιαγωγών και ανάπτυξης συσκευών είναι δύσκολο να λύσει τα προβλήματα του ντόπινγκ τύπου n διαμαντιού και της συναρμολόγησης της συσκευής. Είναι απαραίτητο να αναζητηθούν άλλες μέθοδοι ντόπινγκ και πρόσθετα, ή ακόμη και να αναπτυχθούν νέες αρχές ντόπινγκ και ανάπτυξης συσκευών.

Οι υπερβολικά υψηλές τιμές περιορίζουν επίσης την ανάπτυξη των διαμαντιών. Σε σύγκριση με την τιμή του πυριτίου, η τιμή του καρβιδίου του πυριτίου είναι 30-40 φορές εκείνη του πυριτίου, η τιμή του νιτριδίου του γαλλίου είναι 650-1300 φορές εκείνη του πυριτίου και η τιμή των συνθετικών υλικών διαμαντιών είναι περίπου 10.000 φορές εκείνη του πυριτίου. Η πολύ υψηλή τιμή περιορίζει την ανάπτυξη και την εφαρμογή των διαμαντιών. Το πώς να μειώσετε το κόστος είναι ένα σημείο ανακάλυψης για να σπάσει το δίλημμα της ανάπτυξης.

Αποψη

Αν και οι ημιαγωγοί διαμαντιών αντιμετωπίζουν επί του παρόντος δυσκολίες στην ανάπτυξη, εξακολουθούν να θεωρούνται το πιο πολλά υποσχόμενο υλικό για την προετοιμασία της επόμενης γενιάς ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής ισχύος, υψηλής συχνότητας, υψηλής θερμοκρασίας και χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Επί του παρόντος, οι θερμότεροι ημιαγωγοί καταλαμβάνονται από καρβίδιο του πυριτίου. Το καρβίδιο του πυριτίου έχει τη δομή του διαμαντιού, αλλά τα μισά άτομα του είναι άνθρακας. Ως εκ τούτου, μπορεί να θεωρηθεί ως μισό διαμάντι. Το καρβίδιο του πυριτίου θα πρέπει να είναι ένα μεταβατικό προϊόν από την εποχή των κρυστάλλων πυριτίου στην εποχή των ημιαγωγών με διαμάντια.

Η φράση «Τα διαμάντια είναι για πάντα, και ένα διαμάντι διαρκεί για πάντα» έχει κάνει το όνομα της De Beers διάσημο μέχρι σήμερα. Για τους ημιαγωγούς διαμαντιών, η δημιουργία ενός άλλου είδους δόξας μπορεί να απαιτεί μόνιμη και συνεχή εξερεύνηση.

Η VeTek Semiconductor είναι επαγγελματίας κινέζος κατασκευαστήςΕπικάλυψη καρβιδίου τανταλίου, Επικάλυψη καρβιδίου πυριτίου, προϊόντα GaN,Ειδικός Γραφίτης, Κεραμικά καρβιδίου πυριτίουκαιΆλλα Κεραμικά Ημιαγωγών. Η VeTek Semiconductor δεσμεύεται να παρέχει προηγμένες λύσεις για διάφορα προϊόντα επίστρωσης για τη βιομηχανία ημιαγωγών.

Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις ή χρειάζεστε πρόσθετες λεπτομέρειες, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Email: anny@veteksemi.com