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 atomový krystal a krystal kovalentní vazby. Krystalová struktura je znázorněna na obrázku 1(a). Skládá se ze středního atomu uhlíku vázaného na další tři atomy uhlíku ve formě kovalentní vazby. Obrázek 1(b) je struktura jednotkové buňky, která odráží mikroskopickou periodicitu a strukturální symetrii diamantu.

Obrázek 1 Diamant (a) krystalická struktura; b) struktura jednotkové buňky

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 modul pružnosti. Je to vynikající elektronický obalový materiál s dobrými vyhlídkami. 

Pohyblivost otvoru je 4500 cm2·V^-1·s^-1a pohyblivost elektronu je 3800 cm2·V^-1·s^-1, díky čemuž je použitelný pro vysokorychlostní spínací zařízení; intenzita průrazného pole je 13 MV/cm, což lze aplikovat na vysokonapěťová zařízení; hodnota Baliga je až 24664, což je mnohem více než u jiných materiálů (čím větší hodnota, tím větší potenciál pro použití ve spínacích 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.

Vysokoteplotní a vysokotlaká metoda (HTHP) je vyrobit sloupec s grafitovým jádrem smícháním grafitového prášku, prášku kovového katalyzátoru a přísad v poměru specifikovaném vzorcem suroviny a poté granulací, statickým lisováním, vakuovou redukcí, kontrolou, vážením. a další procesy. Sloupec s grafitovým jádrem se poté sestaví s kompozitním blokem, pomocnými díly a dalšími utěsněnými médii pro přenos tlaku, aby se vytvořil syntetický blok, který lze použít k syntéze monokrystalů diamantu. Poté je umístěn do šestistranného horního lisu pro ohřev a natlakování a udržován konstantní po dlouhou dobu. Po dokončení růstu krystalů se zahřívání zastaví a tlak se uvolní a utěsněné médium pro přenos tlaku se odstraní, aby se získala syntetická kolona, ​​která se pak čistí a třídí, aby se získaly monokrystaly diamantu.

Obrázek 3 Schéma struktury šestistranného horního lisu

Díky použití kovových katalyzátorů obsahují diamantové částice připravené průmyslovou metodou HTHP často určité nečistoty a defekty a díky přidání dusíku mají většinou žlutý odstín. Po upgradu technologie může vysokoteplotní a vysokotlaká příprava diamantů používat metodu teplotního gradientu k výrobě vysoce kvalitních diamantových monokrystalů s velkými částicemi, realizující transformaci diamantového průmyslového brusiva na jakost drahokamů.

Obrázek 4 Morfologie diamantu

Chemická depozice z plynné fáze (CVD) je nejoblíbenější metodou pro syntézu diamantových filmů. Mezi hlavní metody patří chemická depozice z plynné fáze horkého vlákna (HFCVD) amikrovlnná plazmová chemická depozice z plynné fáze (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 soustředěné elektromagnetické pole zde rozkládá reakční plyny metan a vodík za vzniku stabilní plazmové koule. Na elektrony bohaté, na ionty a aktivní atomové skupiny budou nukleovat a růst na substrátu při vhodné teplotě a tlaku, což způsobí pomalý homoepitaxní růst. Ve srovnání s HFCVD zabraňuje kontaminaci diamantového filmu způsobenému odpařováním horkého kovového drátu a zvyšuje čistotu nanodiamantového filmu. V procesu lze použít více reakčních plynů než HFCVD a uložené diamantové monokrystaly jsou čistší než přírodní diamanty. Proto lze připravit diamantová polykrystalická okénka optické kvality, monokrystaly diamantu elektronické kvality atd.

Obrázek 6 Vnitřní struktura MPCVD

Vývoj a dilema diamantu

Od doby, kdy byl v roce 1963 úspěšně vyvinut první umělý diamant, po více než 60 letech vývoje, se moje země stala zemí s největší těžbou umělého diamantu na světě, která představuje více než 90 % světa. Čínské diamanty se však soustřeďují především na trhy nižší a střední třídy, jako je broušení brusiva, optika, čištění odpadních vod a další oblasti. Vývoj domácích diamantů je velký, ale ne silný a je v nevýhodě v mnoha oblastech, jako jsou špičková zařízení a materiály elektronické kvality. 

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 se diamantové polovodiče v současné době potýkají s obtížemi ve vývoji, stále jsou považovány za nejslibnější materiál pro přípravu nové generace výkonných, vysokofrekvenčních, vysokoteplotních a nízkovýkonových elektronických zařízení. V současné době jsou nejžhavější polovodiče obsazeny karbidem křemíku. Karbid křemíku má strukturu diamantu, ale polovinu jeho atomů tvoří uhlík. Proto může být považován za polovinu diamantu. Karbid křemíku by měl být přechodným produktem z éry křemíkových krystalů do éry diamantových polovodičů.

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 výrobcePovlak z karbidu tantalu, Povlak z karbidu křemíku, produkty GaN,Speciální grafit, Keramika z karbidu křemíkuaOstatní 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