Diamond - The Future Star of Semiconductors

Med den snabba utvecklingen av vetenskap och teknik och den växande globala efterfrågan på högpresterande och högeffektiva halvledarenheter blir det allt viktigare. Bland dem är Diamond, som en potentiell fjärde generationens "ultimata halvledare" -material, gradvis att bli en forsknings hotspot och en ny marknadsfavorit inom området halvledarunderlagsmaterial på grund av dess utmärkta fysiska och kemiska egenskaper.

Egenskaper av diamant

Diamant är en typisk atomär kristall och kovalent bindningskristall. Kristallstrukturen visas i figur 1(a). Den består av den mellersta kolatomen bunden till de andra tre kolatomerna i form av en kovalent bindning. Figur 1(b) är enhetscellstrukturen, som återspeglar diamantens mikroskopiska periodicitet och strukturella symmetri.

Figur 1 diamant (a) kristallstruktur; (b) enhetscellstruktur

Diamant är det hårdaste materialet i världen, med unika fysikaliska och kemiska egenskaper, och utmärkta egenskaper inom mekanik, elektricitet och optik, som visas i figur 2: Diamant har ultrahög hårdhet och slitstyrka, lämplig för skärande material och intryckare, etc. ., och används väl i slipverktyg; (2) Diamant har den högsta värmeledningsförmågan (2200W/(m · k)) bland naturliga ämnen som hittills är kända, vilket är fyra gånger större än kiselkarbid (Sic), 13 gånger större än kisel (SI), 43 gånger större än vad som är större än Gallium arsenid (GaAs) och 4 till 5 gånger större än koppar och silver och används i högeffekt. Den har utmärkta egenskaper såsom låg värmeutvidgningskoefficient (0,8 × 10-6-1,5 × 10^-6K^-1) och hög elastisk modul. Det är ett utmärkt elektroniskt förpackningsmaterial med goda framtidsutsikter. 

Hålrörligheten är 4500 cm2 · v^-1·^-1och elektronmobiliteten är 3800 cm2 · v^-1·^-1, vilket gör den tillämpbar på höghastighetsomkopplingsanordningar; nedbrytningsfältstyrkan är 13MV/cm, vilket kan appliceras på högspänningsenheter; Baliga-siffran är så hög som 24664, vilket är mycket högre än andra material (ju större värde, desto större potential för användning i byte av enheter). 

Polykristallin diamant har också en dekorativ effekt. Diamantbeläggningen har inte bara en blixteffekt utan har också en mängd olika färger. Den används vid tillverkning av avancerade klockor, dekorativa beläggningar för lyxvaror och direkt som en modeprodukt. Styrkan och hårdheten hos diamant är 6 gånger och 10 gånger högre än hos Corning-glas, så den används även i mobiltelefonskärmar och kameralinser.

Figur 2 Egenskaper hos diamant och andra halvledarmaterial

Beredning av diamant

Diamanttillväxt delas huvudsakligen in i HTHP-metoden (högtemperatur- och högtrycksmetoden) ochCVD-metod (kemisk ångavsättningsmetod). CVD -metoden har blivit mainstream -metoden för att framställa diamant halvledarunderlag på grund av dess fördelar såsom högt tryckmotstånd, stor radiofrekvens, låg kostnad och hög temperaturmotstånd. De två tillväxtmetoderna fokuserar på olika tillämpningar, och de kommer att visa en kompletterande relation under lång tid i framtiden.

Metoden med hög temperatur och högt tryck (HTHP) är att skapa en grafitkärna kolonn genom att blanda grafitpulver, metallkatalysatorpulver och tillsatser i den proportion som anges av råmaterialformeln och sedan granulering, statisk pressning, vakuumreduktion, inspektion, vägning och andra processer. Grafitkärnan kolumnen monteras sedan med kompositblocket, hjälpdelar och andra förseglade trycköverföringsmedier för att bilda ett syntetiskt block som kan användas för att syntetisera diamant enkla kristaller. Därefter placeras den i en sexsidig topppress för uppvärmning och trycksättning och hålls konstant under lång tid. När kristalltillväxten är klar stoppas värmen och trycket frigörs och det förseglade trycköverföringsmediet avlägsnas för att erhålla den syntetiska kolonnen, som sedan renas och sorteras för att erhålla diamant enkla kristaller.

Figur 3 Strukturdiagram för sexsidig topppress

På grund av användningen av metallkatalysatorer innehåller diamantpartiklar framställda med den industriella HTHP-metoden ofta vissa föroreningar och defekter, och på grund av tillsatsen av kväve har de vanligtvis en gul nyans. Efter teknologiuppgraderingen kan högtemperatur- och högtrycksberedningen av diamanter använda temperaturgradientmetoden för att producera högkvalitativa diamantenkristaller med stora partiklar, vilket förverkligar omvandlingen av diamantindustriell slipkvalitet till ädelstenskvalitet.

Figur 4 Diamantmorfologi

Kemisk ångavsättning (CVD) är den mest populära metoden för att syntetisera diamantfilmer. De huvudsakliga metoderna inkluderar varm filament kemisk ångavsättning (HFCVD) ochMikrovågsavlagring av mikrovågsplasma (MPCVD).

(1) Kemisk ångavsättning för het filament

Den grundläggande principen för HFCVD är att kollidera reaktionsgasen med en högtemperatur metalltråd i en vakuumkammare för att generera en mängd mycket aktiva "oladdade" grupper. De genererade kolatomerna avsätts på substratmaterialet för att bilda nanodiamonds. Utrustningen är enkel att använda, har låg tillväxtkostnad, används allmänt och är lätt att uppnå industriell produktion. På grund av den låga termiska sönderdelningseffektiviteten och den allvarliga metallatomföroreningen från filament och elektrod används HFCVD vanligtvis endast för att framställa polykristallina diamantfilmer som innehåller en stor mängd SP2-kolföroreningar vid korngränsen, så den är i allmänhet grå-svart .

Figur 5 (a) diagram för HFCVD-utrustning, (b) diagram för vakuumkammarens struktur

(2) Mikrovågsplasma -kemisk ångavsättning

MPCVD-metoden använder magnetron eller solid state-källa för att generera mikrovågor med specifik frekvens, som matas in i reaktionskammaren genom vågledaren och bildar stabila stående vågor ovanför substratet enligt reaktionskammarens speciella geometriska dimensioner. 

Det mycket fokuserade elektromagnetiska fältet bryter ned reaktionsgaserna metan och väte här för att bilda en stabil plasmakula. De elektronrika, jonrika och aktiva atomgrupperna kommer att kärnas och växa på underlaget vid lämplig temperatur och tryck, vilket orsakar homoepitaxial tillväxt långsamt. Jämfört med HFCVD undviker det föroreningen av diamantfilmen orsakad av varmmetalltrådindunstning och ökar renheten i nanodiamond -filmen. Fler reaktionsgaser kan användas i processen än HFCVD, och de avsatta diamantens enkla kristaller är renare än naturliga diamanter. Därför kan optisk diamantpolykristallina fönster, elektroniska diamant-enkelkristaller etc. framställas.

Figur 6 Intern struktur för MPCVD

Utveckling och dilemma av diamant

Sedan den första konstgjorda diamanten framgångsrikt utvecklades 1963, efter mer än 60 års utveckling, har mitt land blivit det land med den största produktionen av konstgjord diamant i världen och står för mer än 90% av världen. Kinas diamanter är emellertid huvudsakligen koncentrerade på de låga och medelstora applikationsmarknaderna, såsom slipande slipning, optik, avloppsbehandling och andra fält. Utvecklingen av inhemska diamanter är stor men inte stark, och den är i en nackdel inom många områden som avancerad utrustning och elektroniska material. 

När det gäller akademiska prestationer inom området CVD-diamanter har forskningen i USA, Japan och Europa en ledande position, och det finns relativt få originalforskning i mitt land. Med stöd av nyckelforskningen och utvecklingen av den "13:e femårsplanen" har inhemska skarvade epitaxiella stora diamantenkristaller tagit sig till världens förstklassiga position. När det gäller heterogena epitaxiella enkristaller finns det fortfarande ett stort gap i storlek och kvalitet, som kan överträffas i den "14:e femårsplanen".

Forskare från hela världen har genomfört djupgående forskning om diamanter tillväxt, doping och enhet för att inse tillämpningen av diamanter i optoelektroniska enheter och uppfylla människors förväntningar på diamanter som ett multifunktionellt material. Band Gap of Diamond är emellertid så högt som 5,4 eV. Dess konduktivitet av p-typ kan uppnås genom bordoping, men det är mycket svårt att erhålla konduktivitet i n-typ. Forskare från olika länder har dopat föroreningar såsom kväve, fosfor och svavel i enstaka kristall eller polykristallin diamant i form av att ersätta kolatomer i gitteret. På grund av den djupa givarenerginivån eller svårigheten vid jonisering av föroreningar har emellertid god n-typ konduktivitet inte erhållits, vilket i hög grad begränsar forskningen och tillämpningen av diamantbaserade elektroniska enheter. 

Samtidigt är en enda kristalldiamant med stor yta svårt att förbereda i stora mängder som enkristallkiselskivor, vilket är en annan svårighet i utvecklingen av diamantbaserade halvledarenheter. Ovanstående två problem visar att den befintliga halvledarens doping- och enhetsutvecklingsteori är svårt att lösa problemen med diamant N-typ doping och enhetsmontering. Det är nödvändigt att söka andra dopningsmetoder och dopanter, eller till och med utveckla nya principer för dopning och enhetsutveckling.

Alltför höga priser begränsar också utvecklingen av diamanter. Jämfört med kiselpriset är priset på kiselkarbid 30-40 gånger det för kisel är priset på galliumnitrid 650-1300 gånger det för kisel, och priset på syntetiska diamantmaterial är ungefär 10 000 gånger kisel. För högt begränsar priset utveckling och tillämpning av diamanter. Hur man minskar kostnaderna är en genombrottspunkt för att bryta utvecklingsdilemmaet.

Syn

Även om diamanthalvledare för närvarande står inför svårigheter i utvecklingen, anses de fortfarande vara det mest lovande materialet för att förbereda nästa generation av elektroniska enheter med hög effekt, hög frekvens, hög temperatur och låg effektförlust. För närvarande är de hetaste halvledarna upptagna av kiselkarbid. Kiselkarbid har strukturen som diamant, men hälften av dess atomer är kol. Därför kan den betraktas som en halv diamant. Kiselkarbid bör vara en övergångsprodukt från kiselkristalltiden till diamanthalvledartiden.

Frasen "diamanter är för evigt, och en diamant varar för evigt" har gjort namnet de Beers berömda till denna dag. För diamanthalvledare kan skapa en annan typ av härlighet kräva permanent och kontinuerlig utforskning.

Vetek Semiconductor är en professionell kinesisk tillverkare avTantalkarbidbeläggning, Silikonkarbidbeläggning, Gan -produkter,Speciell grafit, Kiselkarbid keramikochAnnan halvledarkeramik. VeTek Semiconductor har åtagit sig att tillhandahålla avancerade lösningar för olika beläggningsprodukter för halvledarindustrin.

Om du har några frågor eller behöver ytterligare information, tveka inte att kontakta oss.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

E-post: anny@veteksemi.com