Diamant - den framtida stjärnan av halvledare

Med den snabba utvecklingen av vetenskap och teknik och den växande globala efterfrågan på högpresterande och högeffektiva halvledarenheter, blir halvledarsubstratmaterial, som en viktig teknisk länk i halvledarindustrins kedja, allt viktigare. Bland dem håller diamant, som ett potentiellt fjärde generationens "ultimate halvledar"-material, gradvis att bli en forskningshotspot och en ny marknadsfavorit inom området för halvledarsubstratmaterial på grund av dess utmärkta fysikaliska 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 skärning av 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 4 gånger större än kiselkarbid (SiC), 13 gånger större än kisel (Si), 43 gånger större än galliumarsenid (GaAs), och 4 till 5 gånger större än koppar och silver, och används i högeffektsenheter. Den har utmärkta egenskaper som låg termisk expansionskoefficient (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) och hög elasticitetsmodul. Det är ett utmärkt elektroniskt förpackningsmaterial med goda framtidsutsikter. 

Hålets rörlighet är 4500 cm2·V^-1·s^-1, och elektronrörligheten är 3800 cm2·V^-1·s^-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 växlingsanordningar). 

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 den vanliga metoden för framställning av diamanthalvledarsubstrat på grund av dess fördelar som högt tryckmotstånd, hög radiofrekvens, låg kostnad och hög temperaturbeständighet. De två tillväxtmetoderna fokuserar på olika applikationer, och de kommer att visa en kompletterande relation under lång tid framöver.

Högtemperatur- och högtrycksmetoden (HTHP) är att göra en grafitkärnkolonn genom att blanda grafitpulver, metallkatalysatorpulver och tillsatser i den proportion som anges av råmaterialformeln, och sedan granulera, statisk pressning, vakuumreduktion, inspektion, vägning och andra processer. Grafitkärnkolonnen sätts sedan ihop med kompositblocket, hjälpdelar och andra förseglade trycköverföringsmedia för att bilda ett syntetiskt block som kan användas för att syntetisera diamantenkristaller. Därefter placeras den i en sexsidig topppress för uppvärmning och trycksättning och hålls konstant under lång tid. Efter att kristalltillväxten är avslutad stoppas värmen och trycket släpps, och det förseglade trycköverföringsmediet avlägsnas för att erhålla den syntetiska kolonnen, som sedan renas och sorteras för att erhålla diamantenkristaller.

Figur 3 Strukturdiagram av 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 enkristaller av högkvalitativ diamant, 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) ochmikrovågsplasma kemisk ångdeposition (MPCVD).

(1) Kemisk ångavsättning av het filament

Den grundläggande principen för HFCVD är att kollidera reaktionsgasen med en högtemperaturmetalltråd i en vakuumkammare för att generera en mängd mycket aktiva "oladdade" grupper. De genererade kolatomerna avsätts på substratmaterialet för att bilda nanodiamanter. Utrustningen är enkel att använda, har låg tillväxtkostnad, används ofta och är lätt att uppnå industriell produktion. På grund av den låga termiska nedbrytningseffektiviteten och den allvarliga metallatomföroreningen från glödtråden och elektroden, används HFCVD vanligtvis endast för att framställa polykristallina diamantfilmer som innehåller en stor mängd sp2-faskolföroreningar vid korngränsen, så det är vanligtvis gråsvart .

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

(2) Kemisk ångavsättning i mikrovågsplasma

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 högfokuserade elektromagnetiska fältet bryter här ner reaktionsgaserna metan och väte för att bilda en stabil plasmaboll. De elektronrika, jonrika och aktiva atomgrupperna kommer att bilda kärnor och växa på substratet vid lämplig temperatur och tryck, vilket orsakar homoepitaxiell tillväxt långsamt. Jämfört med HFCVD undviker den förorening av diamantfilmen orsakad av förångning av hetmetalltråd och ökar renheten hos nanodiamantfilmen. Fler reaktionsgaser kan användas i processen än HFCVD, och de avsatta diamantenkristallerna är renare än naturliga diamanter. Därför kan polykristallina fönster av optisk kvalitet, enkelkristaller av elektronisk kvalitet, 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 år av 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 dock huvudsakligen koncentrerade till applikationsmarknaderna för låga och medelhöga applikationer, såsom slipning, optik, avloppsrening och andra områden. Utvecklingen av inhemska diamanter är stor men inte stark, och den är i underläge på många områden som avancerad utrustning och material av elektronisk kvalitet. 

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 utfört djupgående forskning om tillväxt, dopning och montering av diamanter för att förverkliga tillämpningen av diamanter i optoelektroniska enheter och möta människors förväntningar på diamanter som ett multifunktionellt material. Emellertid är bandgapet för diamant så högt som 5,4 eV. Dess ledningsförmåga av p-typ kan uppnås genom boordopning, men det är mycket svårt att erhålla ledningsförmåga av n-typ. Forskare från olika länder har dopat föroreningar som kväve, fosfor och svavel till enkristallin eller polykristallin diamant i form av att ersätta kolatomer i gittret. På grund av den djupa givarenerginivån eller svårigheten att jonisera föroreningarna har dock ingen god ledningsförmåga av n-typ erhållits, vilket i hög grad begränsar forskningen och tillämpningen av diamantbaserade elektroniska anordningar. 

Samtidigt är enkristalldiamant med stor yta svår att förbereda i stora mängder som enkristallkiselskivor, vilket är en annan svårighet i utvecklingen av diamantbaserade halvledarenheter. Ovanstående två problem visar att den befintliga teorin för halvledardopning och enhetsutveckling är svår att lösa problemen med diamant n-typ dopning och enhetsmontering. Det är nödvändigt att söka andra dopningsmetoder och dopningsmedel, eller till och med utveckla nya doping- och anordningsutvecklingsprinciper.

Alltför höga priser begränsar också utvecklingen av diamanter. Jämfört med priset på kisel är priset på kiselkarbid 30-40 gånger det för kisel, priset på galliumnitrid är 650-1300 gånger det för kisel, och priset på syntetiska diamantmaterial är ungefär 10 000 gånger det för kisel. Ett för högt pris begränsar utvecklingen och tillämpningen av diamanter. Hur man kan minska kostnaderna är en genombrottspunkt för att bryta utvecklingsdilemmat.

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 "Diamonds are forever, and one diamond wass forever" har gjort namnet på De Beers känt till denna dag. För diamanthalvledare kan skapa en annan typ av glans kräva permanent och kontinuerlig utforskning.

VeTek Semiconductor är en professionell kinesisk tillverkare avTantalkarbidbeläggning, Silikonkarbidbeläggning, GaN-produkter,Speciell grafit, KiselkarbidkeramikochAnnan 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