Дијамант - идната ѕвезда на полупроводниците

Со брзиот развој на науката и технологијата и зголемената глобална побарувачка за полупроводнички уреди со високи перформанси и висока ефикасност, материјалите од полупроводничките подлоги, како клучна техничка алка во синџирот на индустријата за полупроводници, стануваат сè поважни. Меѓу нив, дијамантот, како потенцијален материјал од четвртата генерација „крајни полупроводници“, постепено станува жариште за истражување и нов фаворит на пазарот во областа на материјалите од полупроводнички подлоги поради неговите одлични физички и хемиски својства.

Својства на дијамантот

Дијамантот е типичен атомски кристал и кристал на ковалентна врска. Кристалната структура е прикажана на слика 1(а). Се состои од средниот јаглероден атом поврзан со другите три јаглеродни атоми во форма на ковалентна врска. Слика 1(б) е единечна клеточна структура, која ја рефлектира микроскопската периодичност и структурната симетрија на дијамантот.

Слика 1 Дијамант (а) кристална структура; (б) структура на единица клетка

Дијамантот е најтврдиот материјал во светот, со уникатни физички и хемиски својства, и одлични својства во механиката, електричната енергија и оптиката, како што е прикажано на слика 2: Дијамантот има ултра висока цврстина и отпорност на абење, погоден за сечење материјали и вовлекувачи итн. ., и добро се користи во абразивни алатки; (2) Дијамантот има најголема топлинска спроводливост (2200W/(m·K)) меѓу природните супстанции познати до денес, што е 4 пати поголема од силициум карбид (SiC), 13 пати поголема од силициум (Si), 43 пати поголема од галиум арсенид (GaAs) и 4 до 5 пати поголем од бакар и сребро и се користи во уреди со висока моќност. Има одлични својства како што се низок коефициент на термичка експанзија (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) и висок модул на еластичност. Тоа е одличен електронски материјал за пакување со добри изгледи. 

Подвижноста на дупката е 4500 cm2·V^-1·s^-1, а подвижноста на електроните е 3800 cm2·V^-1·s^-1, што го прави применлив за преклопни уреди со голема брзина; јачината на полето на дефект е 13MV/cm, што може да се примени на високонапонски уреди; бројката за заслуги на Балига е висока до 24664, што е многу повисоко од другите материјали (колку е поголема вредноста, толку е поголем потенцијалот за употреба во преклопните уреди). 

Поликристалниот дијамант има и декоративен ефект. Дијамантската обвивка не само што има ефект на блиц туку има и разновидни бои. Се користи во производството на врвни часовници, украсни премази за луксузни стоки и директно како моден производ. Јачината и цврстината на дијамантот се 6 пати и 10 пати поголема од онаа на стаклото Корнинг, па затоа се користи и во екраните на мобилните телефони и леќите на фотоапаратот.

Слика 2 Својства на дијамант и други полупроводнички материјали

Подготовка на дијамант

Растот на дијамантите главно се дели на методот HTHP (метод на висока температура и висок притисок) иCVD метод (метод на хемиско таложење на пареа). Методот CVD стана главен метод за подготовка на дијамантски полупроводнички подлоги поради неговите предности како што се отпорност на висок притисок, голема радиофреквенција, ниска цена и отпорност на високи температури. Двата методи на раст се фокусираат на различни апликации и тие ќе покажат комплементарен однос долго време во иднина.

Методот на висока температура и висок притисок (HTHP) е да се направи јадро на графит со мешање на графит во прав, метален катализатор во прав и адитиви во пропорцијата наведена во формулата на суровината, а потоа гранулирање, статичко пресување, намалување на вакуум, проверка, мерење и други процеси. Јадрото на графитниот столб потоа се составува со композитниот блок, помошните делови и другите запечатени медиуми за пренос на притисок за да се формира синтетички блок што може да се користи за синтеза на дијамантски единечни кристали. Потоа се става во шестстрана горна преса за загревање и притисок и се одржува константна долго време. По завршувањето на растот на кристалите, топлината се прекинува и притисокот се ослободува, а запечатениот медиум за пренос на притисок се отстранува за да се добие синтетичката колона, која потоа се прочистува и се сортира за да се добијат дијамантски единечни кристали.

Слика 3 Структурен дијаграм на шестстрана горна преса

Поради употребата на метални катализатори, дијамантските честички приготвени со индустрискиот HTHP метод често содржат одредени нечистотии и дефекти, а поради додавање на азот најчесто имаат жолта нијанса. По технолошката надградба, подготовката на дијаманти со висока температура и висок притисок може да го користи методот на температурен градиент за производство на висококвалитетни дијамантски единечни кристали со големи честички, реализирајќи ја трансформацијата на дијамантската индустриска абразивна класа во класа на скапоцен камен.

Слика 4 Морфологија на дијаманти

Хемиско таложење на пареа (CVD) е најпопуларниот метод за синтетизирање на дијамантски филмови. Главните методи вклучуваат хемиско таложење на пареа на топла влакно (HFCVD) имикробранова плазма хемиско таложење на пареа (MPCVD).

(1) Хемиско таложење на пареа на топла влакно

Основниот принцип на HFCVD е да се судри реакциониот гас со метална жица на висока температура во вакуумска комора за да се генерираат различни високо активни „ненаполнети“ групи. Создадените јаглеродни атоми се депонираат на материјалот на подлогата за да формираат нанодијаманти. Опремата е едноставна за ракување, има ниска цена за раст, широко се користи и лесно се постигнува индустриско производство. Поради ниската ефикасност на термичко распаѓање и сериозната контаминација на металниот атом од влакното и електродата, HFCVD обично се користи само за подготовка на поликристални дијамантски филмови кои содржат голема количина sp2 фаза јаглеродни нечистотии на границата на зрната, па затоа е генерално сиво-црна .

Слика 5 (а) дијаграм на опрема за HFCVD, (б) дијаграм на структурата на вакуумската комора

(2) Хемиско таложење на пареа од плазма во микробранова печка

Методот MPCVD користи магнетрон или извор во цврста состојба за да генерира микробранови со специфична фреквенција, кои се внесуваат во комората за реакција преку брановодот и формираат стабилни стоечки бранови над подлогата според посебните геометриски димензии на комората за реакција. 

Високо фокусираното електромагнетно поле ги разложува реакционите гасови метан и водород овде за да формира стабилна плазма топка. Богатите со електрони, богатите со јони и активните атомски групи ќе нуклеираат и ќе растат на подлогата на соодветна температура и притисок, предизвикувајќи бавно хомоепитаксијален раст. Во споредба со HFCVD, тој ја избегнува контаминацијата на дијамантскиот филм предизвикан од испарувањето на топла метална жица и ја зголемува чистотата на нанодијамантскиот филм. Во процесот може да се користат повеќе реакциони гасови отколку HFCVD, а депонираните дијамантски еднокристали се почисти од природните дијаманти. Затоа, може да се подготват дијамантски поликристални прозорци од оптичка класа, единечни кристали од дијамант од електронска класа итн.

Слика 6 Внатрешна структура на MPCVD

Развој и дилема на дијамантот

Откако првиот вештачки дијамант беше успешно развиен во 1963 година, по повеќе од 60 години развој, мојата земја стана земја со најголемо производство на вештачки дијаманти во светот, со повеќе од 90% од светот. Сепак, кинеските дијаманти се главно концентрирани на пазарите за примена на ниска и средна класа, како што се абразивно мелење, оптика, третман на отпадни води и други полиња. Развојот на домашните дијаманти е голем, но не и силен и е во неповолна положба во многу области како што се опремата од висока класа и материјалите од електронска класа. 

Во однос на академските достигнувања во областа на CVD дијамантите, истражувањата во САД, Јапонија и Европа се на водечка позиција, а во мојата земја има релативно малку оригинални истражувања. Со поддршка на клучните истражувања и развој на „13-тиот петгодишен план“, домашните споени епитаксијални дијамантски единечни кристали со голема големина скокнаа на првокласна позиција во светот. Во однос на хетерогени епитаксијални единечни кристали, сè уште постои голема празнина во големината и квалитетот, која може да биде надмината во „14-тиот петгодишен план“.

Истражувачи од целиот свет спроведоа длабинско истражување за растот, допингот и склопувањето на уредите на дијамантите со цел да ја реализираат примената на дијамантите во оптоелектронските уреди и да ги исполнат очекувањата на луѓето за дијамантите како мултифункционален материјал. Сепак, јазот на опсегот на дијамантот е дури 5,4 eV. Неговата спроводливост од p-тип може да се постигне со борен допинг, но многу е тешко да се добие спроводливост од n-тип. Истражувачи од различни земји допингувале нечистотии како што се азот, фосфор и сулфур во еднокристален или поликристален дијамант во форма на замена на јаглеродните атоми во решетката. Сепак, поради длабокото ниво на донаторска енергија или тешкотијата во јонизацијата на нечистотиите, не е добиена добра спроводливост од n-тип, што во голема мера го ограничува истражувањето и примената на електронските уреди базирани на дијаманти. 

Во исто време, еднокристалниот дијамант со голема површина е тешко да се подготви во големи количини, како што се еднокристалните силиконски наполитанки, што е уште една тешкотија во развојот на полупроводнички уреди базирани на дијаманти. Горенаведените два проблема покажуваат дека постоечката теорија за допинг на полупроводници и развој на уреди е тешко да ги реши проблемите на допингот од дијамант n и склопувањето на уредите. Неопходно е да се бараат други методи за допинг и допинг, па дури и да се развијат нови принципи за допинг и развој на уреди.

Премногу високите цени го ограничуваат и развојот на дијамантите. Во споредба со цената на силициумот, цената на силициум карбидот е 30-40 пати поголема од онаа на силициумот, цената на галиум нитридот е 650-1300 пати поголема од онаа на силиконот, а цената на синтетичките дијамантски материјали е приближно 10.000 пати поголема од онаа на силициумот. Премногу високата цена го ограничува развојот и примената на дијамантите. Како да се намалат трошоците е пробив за разбивање на дилемата за развој.

Outlook

Иако дијамантските полупроводници моментално се соочуваат со тешкотии во развојот, тие сè уште се сметаат за најперспективниот материјал за подготовка на следната генерација електронски уреди со висока моќност, висока фреквенција, висока температура и мала загуба на енергија. Во моментов, најжешките полупроводници се окупирани од силициум карбид. Силициум карбид има структура на дијамант, но половина од неговите атоми се јаглерод. Затоа, може да се смета како половина дијамант. Силициум карбид треба да биде преоден производ од ерата на силиконските кристали до ерата на дијамантските полупроводници.

Изразот „Дијамантите се вечни, а еден дијамант трае вечно“ го направи името на Де Бирс познато до ден-денес. За дијамантските полупроводници, создавањето на друг вид на слава може да бара трајно и континуирано истражување.

VeTek Semiconductor е професионален кинески производител наТантал карбид облога, Силициум карбид слој, GaN производи,Специјален графит, Керамика од силициум карбидиДруга полупроводничка керамика. VeTek Semiconductor е посветен на обезбедување напредни решенија за различни производи за обложување за индустријата за полупроводници.

Ако имате какви било прашања или ви требаат дополнителни детали, не двоумете се да стапите во контакт со нас.

Моб/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Е-пошта: anny@veteksemi.com