Діамант - майбутня зірка напівпровідників

Завдяки швидкому розвитку науки та технологій та зростаючому глобальному попиту на високоефективні та високоефективні напівпровідникові пристрої, напівпровідникові матеріали підкладки, як ключова технічна ланка в ланцюзі напівпровідникової промисловості, стають все більш важливими. Серед них Diamond, як потенційний матеріал "кінцевого напівпровідника" четвертого покоління, поступово стає дослідницькою точкою та новим фаворитом ринку в галузі напівпровідникових матеріалів підкладки завдяки чудовим фізичним та хімічним властивостям.

Властивості алмазу

Діамант - це типовий атомний кристал і ковалентний кристал зв’язку. Кристалічна структура показана на малюнку 1 (а). Він складається з середнього атома вуглецю, пов'язаного з іншими трьома атомами вуглецю у вигляді ковалентного зв’язку. Фігура 1 (b) - це одиниця клітинної структури, яка відображає мікроскопічну періодичність та структурну симетрію алмазу.

Рисунок 1 Алмаз (а) кристалічна структура; (b) структура елементарної комірки

Алмаз є найтвердішим матеріалом у світі з унікальними фізичними та хімічними властивостями, а також відмінними властивостями в механіці, електриці та оптиці, як показано на малюнку 2. Алмаз має надвисоку твердість і зносостійкість, підходить для різання матеріалів і інденторів тощо ., і добре використовується в абразивних інструментах; (2) Діамант має найвищу теплопровідність (2200 Вт/(м · к)) серед природних речовин, відомих на сьогоднішній день, що в 4 рази більше, ніж карбід кремнію (sic), в 13 разів більший, ніж кремній (СІ), 43 рази більший за Арсенід галію (GAAS) та 4-5 разів більше, ніж мідь та срібло, і використовується на пристроях високої потужності. Він має чудові властивості, такі як низький коефіцієнт теплового розширення (0,8 × 10-6-1,5 × 10^-6K^-1) і високий модуль пружності. Це відмінний електронний пакувальний матеріал з хорошими перспективами. 

Рухливість дірок становить 4500 см2·В^-1·с^-1, а рухливість електронів становить 3800 см2 · V^-1·с^-1, що робить його застосовним до швидкісних пристроїв комутації; Міцність поля розбиття становить 13 мВ/см, що може бути застосовано до пристроїв високої напруги; Баліга -фігура заслуг до 24664, що набагато вище, ніж інші матеріали (чим більше значення, тим більший потенціал для використання в комутаційних пристроях). 

Полікристалічний алмаз також має декоративний ефект. Діамантове покриття не тільки має ефект спалаху, але й має різноманітні кольори. Він використовується у виготовленні висококласних годинників, декоративних покриттів для розкішних товарів та безпосередньо як модний продукт. Сила і твердість алмазу в 6 разів і в 10 разів більше, ніж у Corning Glass, тому він також використовується на дисплеях мобільних телефонів та лінзах камер.

Рисунок 2 Властивості алмазу та інших напівпровідникових матеріалів

Підготовка алмазу

Вирощування алмазів в основному поділяється на метод HTHP (метод високої температури та високого тиску) таМетод ССЗ (метод хімічного осадження пари). Метод CVD став основним методом приготування алмазних напівпровідникових підкладок завдяки таким перевагам, як стійкість до високого тиску, висока частота радіочастот, низька вартість і стійкість до високих температур. Два методи зростання зосереджені на різних програмах, і вони демонструватимуть взаємодоповнюючий зв’язок протягом тривалого часу в майбутньому.

Метод високого температури та високого тиску (HTHP) полягає у створенні стовпчика графітового ядра шляхом змішування графітового порошку, порошку металевого каталізатора та добавок у пропорції, визначеній формулою сировини, а потім гранулюючим, статичним натисканням, зменшенням вакууму, огляду, зважуванням та інші процеси. Потім стовпчик Graphite Core збирається за допомогою композитного блоку, допоміжних деталей та інших герметичних середовища передачі тиску для утворення синтетичного блоку, який можна використовувати для синтезу алмазних монокристалів. Після цього його розміщують у шестисторонній верхній прес для нагріву та тиску і тривалий час зберігають постійні. Після завершення росту кристала тепло зупиняється і тиск відпускається, а засоби пропускання герметичного тиску видаляють для отримання синтетичного стовпчика, який потім очищають і сортують для отримання алмазних монокристалів.

Рисунок 3 Структурна схема шестисторонньої верхньої преси

Завдяки використанню металевих каталізаторів, діамантові частинки, приготовані методом промислового HTHP, часто містять певні домішки та дефекти, і через додавання азоту вони зазвичай мають жовтий відтінок. Після модернізації технології високий температура та високий тиск алмазів можуть використовувати метод градієнта температури для отримання високоякісних високоякісних діамантових монокристалів, реалізуючи перетворення діамантового промислового абразивного ступеня до ступеня дорогоцінних каменів.

Рисунок 4 Морфологія алмазу

Хімічне осадження з газової фази (CVD) є найпопулярнішим методом синтезу алмазних плівок. Основні методи включають гаряче хімічне осадження з парової фази (HFCVD) імікрохвильове плазмове хімічне осадження з газової фази (MPCVD).

(1) Осадження хімічної пари гарячої нитки

Основним принципом HFCVD є зіткнення реакційного газу з високотемпературним металевим дротом у вакуумній камері для створення різноманітних високоактивних «незаряджених» груп. Утворені атоми вуглецю осідають на матеріалі підкладки з утворенням наноалмазів. Обладнання просте в експлуатації, має низьку вартість зростання, широко використовується та легко досягається промисловим виробництвом. Через низьку ефективність термічного розкладання та серйозне забруднення атомами металу від нитки та електрода, HFCVD зазвичай використовується лише для отримання полікристалічних алмазних плівок, що містять велику кількість домішок вуглецю фази sp2 на межі зерен, тому він зазвичай сіро-чорний. .

Рисунок 5 (a) Схема обладнання HFCVD, (b) схема структури вакуумної камери

(2) Мікрохвильове плазмове хімічне осадження з парової фази

Метод MPCVD використовує магнетрон або твердотільний джерело для генерації мікрохвиль певної частоти, які подаються в реакційну камеру через хвилевід і утворюють стабільні стоячі хвилі над підкладкою відповідно до спеціальних геометричних розмірів реакційної камери. 

Сильно сфокусоване електромагнітне поле розщеплює реакційні гази метан і водень, утворюючи стабільну плазмову кулю. Багаті електронами, багаті іонами та активні атомні групи будуть зароджуватись і рости на підкладці при відповідній температурі та тиску, викликаючи повільне гомоепітаксіальне зростання. У порівнянні з HFCVD, він дозволяє уникнути забруднення алмазної плівки, викликаного випаровуванням гарячого металевого дроту, і підвищує чистоту наноалмазної плівки. У процесі можна використовувати більше реакційних газів, ніж HFCVD, а нанесені монокристали алмазу є чистішими, ніж природні алмази. Тому можна отримати алмазні полікристалічні вікна оптичного класу, алмазні монокристали електронного класу тощо.

Рисунок 6 Внутрішня структура MPCVD

Розвиток і дилема алмазу

Після того, як у 1963 році було успішно розроблено перший штучний алмаз, після більш ніж 60 років розвитку моя країна стала країною з найбільшим виробництвом штучного алмазу у світі, що становить понад 90% світового виробництва. Однак китайські алмази в основному зосереджені на ринках низького та середнього рівня застосування, таких як абразивне шліфування, оптика, очищення стічних вод та інші галузі. Розробка вітчизняних алмазів є великою, але не сильною, і вона знаходиться в невигідному становищі в багатьох сферах, таких як високоякісне обладнання та електронні матеріали. 

З точки зору академічних досягнень у галузі CVD алмазів, дослідження в Сполучених Штатах, Японії та Європі займають лідируючі позиції, а оригінальних досліджень у моїй країні відносно мало. Завдяки підтримці ключових досліджень і розробок «13-го п’ятирічного плану» вітчизняні зрощені епітаксіальні монокристали великого розміру алмазу підскочили до першокласних позицій у світі. Що стосується гетерогенних епітаксіальних монокристалів, то все ще існує великий розрив у розмірах і якості, який можна подолати в «14-й п'ятирічці».

Дослідники з усього світу провели поглиблені дослідження зростання, допінгу та складання пристроїв алмазів, щоб реалізувати застосування алмазів на оптоелектронних пристроях та відповідати очікуванням людей на алмази як багатофункціонального матеріалу. Однак розрив діаманту діапазону до 5,4 еВ. Його провідність типу P може бути досягнута допінгом бору, але отримати провідність N-типу дуже важко. Дослідники з різних країн мають леговані домішки, такі як азот, фосфор та сірка, в монокристалічний або полікристалічний алмаз у вигляді заміни атомів вуглецю в решітці. Однак, через глибокий рівень енергії донорів або труднощі в іонізації домішок, хороша провідність N-типу не була отримана, що значно обмежує дослідження та застосування алмазних електронних пристроїв. 

У той же час, монокристалічний алмаз з великою областю важко підготувати у великих кількостях, таких як одноразові вафлі кремнію, що є ще однією складністю у розробці напівпровідникових пристроїв на основі алмазів. Наведені вище дві проблеми показують, що існуючу напівпровідникову допінгу та теорію розробки пристроїв важко вирішити проблеми допінгу та складання пристроїв Diamond N-типу. Необхідно шукати інші методи допінгу та допанти, або навіть розробити нові принципи розробки допінгу та пристрою.

Надмірно високі ціни також обмежують розробку алмазів. Порівняно з ціною кремнію, ціна карбіду кремнію в 30-40 разів перевищує ціну кремнію, ціна нітриду галію в 650-1300 разів перевищує ціну кремнію, а ціна синтетичних алмазних матеріалів приблизно в 10 000 разів перевищує ціну кремнію. Занадто висока ціна обмежує розробку і застосування діамантів. Як скоротити витрати – це проривний момент, щоб подолати дилему розвитку.

Перспектива

Хоча алмазні напівпровідники в даний час стикаються з труднощами в розробці, вони все ще вважаються найбільш перспективним матеріалом для підготовки наступного покоління потужних, високочастотних, високотемпературних і малих втрат потужності електронних пристроїв. В даний час найгарячіші напівпровідники займає карбід кремнію. Карбід кремнію має структуру алмазу, але половина його атомів є вуглецем. Тому його можна вважати половиною діаманта. Карбід кремнію повинен бути перехідним продуктом від ери кристалів кремнію до ери алмазних напівпровідників.

Фраза «Діаманти вічні, а один діамант вічний» прославила ім'я De Beers донині. Для алмазних напівпровідників створення іншого роду слави може вимагати постійного та безперервного дослідження.

Vetek Semiconductor - професійний китайський виробникПокриття з карбіду танталу, Кремнієве покриття карбіду, продукти GaN,Спеціальний графіт, Кераміка з карбіду кремніюіІнша напівпровідникова кераміка. Vetek Semiconductor прагне надати передові рішення для різних продуктів покриття для напівпровідникової галузі.

Якщо у вас виникли запитання або вам потрібна додаткова інформація, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

Електронна адреса: anny@veteksemi.com