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 ved diamant

Diamond er en typisk atomkrystall og kovalent bindingskrystall. Krystallstrukturen er vist i figur 1 (a). Det består af det midterste carbonatom bundet til de andre tre carbonatomer i form af en kovalent binding. Figur 1 (b) er enhedscellestrukturen, der 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; ) Gallium Arsenide (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 ekspansionskoefficient (0,8 × 10-6-1,5 × 10^-6K^-1) og høj elastisk modul. 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 det anvendeligt på højhastighedsskiftenheder; Opdelingsfeltstyrken er 13 mV/cm, som kan anvendes på højspændingsenheder; Baliga -tallet af fortjeneste er så højt som 24664, hvilket er meget højere end andre materialer (jo større er værdien, jo større er potentialet for brug i skiftende enheder). 

Polykrystallinsk diamant har også en dekorativ effekt. Diamantbelægningen har ikke kun en flasheffekt, men har også en række farver. Det bruges til fremstilling af avancerede ure, dekorative overtræk til luksusvarer og direkte som et modeprodukt. Styrken og hårdheden af ​​diamant er 6 gange og 10 gange for Corning Glass, så det bruges også i mobiltelefonskærme og kameralinser.

Figur 2 egenskaber ved 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, store radiofrekvens, lave omkostninger og høj temperaturresistens. De to vækstmetoder fokuserer på forskellige applikationer, og de vil vise et komplementært forhold i lang tid i fremtiden.

Den høje temperatur og højtryksmetode (HTHP) er at fremstille en grafitkerne -søjle ved at blande grafitpulver, metalkatalysatorpulver og tilsætningsstoffer i den andel, der er specificeret af råmaterialformel og andre processer. Grafitkerne -kolonne samles derefter med den sammensatte blok, hjælpedele og andre forseglede trykoverførselsmedier til dannelse af en syntetisk blok, der kan bruges til at syntetisere diamant -enkeltkrystaller. Derefter placeres det i en seks-sidet toppresse til opvarmning og tryk og holdes konstant i lang tid. Når krystalvæksten er afsluttet, stoppes varmen, og trykket frigøres, og det forseglede trykoverførselsmedium fjernes for at opnå den syntetiske søjle, som derefter renses og sorteres for at opnå diamant -enkeltkrystaller.

Figur 3 Strukturdiagram over seks-sidet 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) Varmt filamentskemisk 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 faststofskilde til at generere mikrobølger af specifik frekvens, der føres ind i reaktionskammeret gennem bølgeleder og danner stabile stående bølger over underlaget i henhold til de specielle geometriske dimensioner af reaktionskammeret. 

Det meget fokuserede elektromagnetiske felt nedbryder reaktionsgasserne metan og brint her for at danne en stabil plasmakugle. De elektronrige, ionrige og aktive atomgrupper vil nukleat og vokse på underlaget ved den passende temperatur og tryk, hvilket forårsager homoepitaksial vækst langsomt. Sammenlignet med HFCVD undgår det forurening af diamantfilmen forårsaget af varm metaltrådfordampning og øger renheden af ​​Nanodiamond -filmen. Flere reaktionsgasser kan bruges i processen end HFCVD, og ​​de afsatte diamant -enkeltkrystaller er renere end naturlige diamanter. Derfor kan diamantpolykrystallinske vinduer af optisk kvalitet, elektronisk kvalitet diamant-enkeltkrystaller osv. Tilberedt.

Figur 6 Intern struktur af MPCVD

Udvikling og dilemma af diamant

Siden den første kunstige diamant blev med succes udviklet i 1963, efter mere end 60 års udvikling, er mit land blevet landet med den største output af kunstig diamant i verden og tegner sig for mere end 90% af verden. Kinas diamanter er imidlertid hovedsageligt koncentreret på markederne med lav ende og mellemrum, såsom slibende slibning, optik, spildevandsbehandling og andre felter. Udviklingen af ​​indenlandske diamanter er stor, men ikke stærk, og den er i en ulempe på mange områder såsom avanceret udstyr og elektronisk kvalitetsmaterialer. 

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 originale forskning i mit land. Med støtte fra den vigtigste forskning og udvikling af den "13. fem-årige plan" er indenlandske splejsede epitaksiale diamant-single-krystaller sprang 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 vanskelighederne ved ionisering af urenhederne er der imidlertid ikke opnået god n-type ledningsevne, hvilket i høj grad begrænser forskningen og anvendelsen af ​​diamantbaserede elektroniske enheder. 

På samme tid er det vanskeligt at fremstille store mængder som enkelt krystalsiliciumskiver, hvilket er en anden vanskelighed i udviklingen af ​​diamantbaserede halvlederenheder. Ovenstående to problemer viser, at den eksisterende halvlederdoping og enhedsudviklingsteori er vanskelig at løse problemerne med Diamond 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 Diamond Semiconductors i øjeblikket står over for vanskeligheder i udviklingen, betragtes de stadig som det mest lovende materiale til at forberede den næste generation af højeffekt, højfrekvente, høje temperatur og elektroniske enheder med lav effekt. I øjeblikket er de hotteste halvledere besat af siliciumcarbid. Siliciumcarbid har strukturen af ​​diamant, men halvdelen af ​​dets atomer er kulstof. Derfor kan det betragtes som en halv diamant. Siliciumcarbid skal være et overgangsprodukt fra siliciumkrystall -æraen til Diamond Semiconductor -æraen.

Udtrykket "diamanter er for evigt, og en diamant varer for evigt" har gjort navnet på de øl berømt indtil i dag. For Diamond Semiconductors kan skabelse af en anden slags herlighed kræve permanent og kontinuerlig efterforskning.

Vetek Semiconductor er en professionel kinesisk producent afTantalcarbidbelægning, Siliciumcarbidbelægning, Gan -produkter,Speciel grafit, Siliciumcarbid keramikogAndre 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