Diamond - будущая звезда полупроводников

В условиях быстрого развития науки и техники и растущего мирового спроса на высокопроизводительные и высокоэффективные полупроводниковые приборы материалы полупроводниковых подложек, как ключевое техническое звено в цепочке полупроводниковой промышленности, приобретают все большее значение. Среди них алмаз, как потенциальный «совершенный полупроводниковый» материал четвертого поколения, постепенно становится горячей точкой исследований и новым фаворитом рынка в области материалов полупроводниковых подложек благодаря своим превосходным физическим и химическим свойствам.

Свойства алмаза

Алмаз является типичным атомным кристаллом и ковалентным кристаллом связи. Кристаллическая структура показана на рисунке 1 (а). Он состоит из атома среднего углерода, связанного с тремя другими атомами углерода в виде ковалентной связи. Рисунок 1 (b) - это структура элементарной ячейки, которая отражает микроскопическую периодичность и структурную симметрию алмаза.

Рисунок 1 Алмаз (а) кристаллическая структура; (б) Структура единичной ячейки

Diamond-самый сложный материал в мире, с уникальными физическими и химическими свойствами, а также отличными свойствами в области механики, электричества и оптики, как показано на рисунке 2: Diamond имеет сверхвысокую твердость и стойкость к износу, подходящие для резки материалов и заглушек и т. Д. . и хорошо используется в абразивных инструментах; (2) Diamond имеет самую высокую теплопроводность (2200 Вт/(M · K)) среди природных веществ, известных до настоящего времени, что в 4 раза выше карбида кремния (SIC), в 13 раз больше, чем кремний (SI), в 43 раза больше, чем Арсенид галлия (GAAS) и в 4-5 раз больше, чем медь и серебро, и используется в мощных устройствах. Он обладает отличными свойствами, такими как низкий коэффициент термического расширения (0,8 × 10-6-1,5 × 10^-6K^-1) и высокий модуль упругости. Это отличный упаковочный материал для электронных устройств с хорошими перспективами. 

Подвижность дырок 4500 см2·В.^-1· С^-1и мобильность электронов составляет 3800 см2 · В^-1· С^-1, что делает его применимым для высокоскоростных коммутационных устройств; напряженность поля пробоя составляет 13 МВ/см, что может применяться к высоковольтным устройствам; Показатель качества Балиги достигает 24664, что намного выше, чем у других материалов (чем больше значение, тем больше потенциал для использования в коммутационных устройствах). 

Поликристаллический бриллиант также имеет декоративный эффект. Алмазное покрытие не только имеет эффект вспышки, но и имеет множество цветов. Он используется при изготовлении высококачественных часов, декоративных покрытий для предметов роскоши и непосредственно в качестве модного продукта. Сила и твердость алмаза в 6 раз и в 10 раз больше, чем у болотного стекла, поэтому он также используется в дисплеях мобильных телефонов и объективах камеры.

Рисунок 2. Свойства алмаза и других полупроводниковых материалов.

Подготовка алмаза

Рост алмаза в основном делится на метод HTHP (метод высокой температуры и высокого давления) иМетод сердечно -сосудистых заболеваний (метод осаждения химического пара)Полем Метод CVD стал основным методом для подготовки алмазных полупроводниковых субстратов из -за его преимуществ, таких как сопротивление высокого давления, большая радиочастота, низкая стоимость и высокая температурная сопротивление. Два метода роста сосредоточены на различных приложениях, и в будущем они будут показывать дополнительные отношения в будущем.

Метод высокой температуры и высокого давления (HTHP) заключается в изготовлении колонны с графитовым сердечником путем смешивания графитового порошка, порошка металлического катализатора и добавок в пропорции, указанной формулой сырья, а затем гранулирования, статического прессования, снижения вакуума, проверки, взвешивания. и другие процессы. Затем колонна с графитовым сердечником собирается с композитным блоком, вспомогательными деталями и другими герметичными средами передачи давления, чтобы сформировать синтетический блок, который можно использовать для синтеза монокристаллов алмаза. После этого его помещают в шестигранный верхний пресс для нагрева и наддува и выдерживают постоянным в течение длительного времени. После завершения роста кристаллов нагрев прекращают, давление сбрасывают, а герметичную среду передачи давления удаляют, чтобы получить синтетическую колонку, которую затем очищают и сортируют для получения монокристаллов алмаза.

Рисунок 3 Структурная схема шестистороннего верхнего пресса

Из -за использования металлических катализаторов алмазные частицы, приготовленные промышленным методом HthP, часто содержат определенные примеси и дефекты, а из -за добавления азота они обычно имеют желтый оттенок. После обновления технологии высокая температура и подготовка алмазов высокого давления могут использовать метод градиента температуры для производства высококачественных высококачественных алмазных монокристаллов, реализуя преобразование алмазного промышленного абразивного уровня в степень драгоценного камня.

Рисунок 4 Морфология алмазов

Химическое осаждение паров (CVD) является наиболее популярным методом синтеза алмазных пленок. Основные методы включают осаждение химического пары с горячими нити (HFCVD) иМикроволновая плазма химическое осаждение паров (MPCVD).

(1) Химическое осаждение пары горячих филаментов

Основным принципом HFCVD является столкновение реакционного газа с высокотемпературной металлической проволокой в ​​вакуумной камере, чтобы создать различные очень активные «незаряженные» группы. Сгенерированные атомы углерода осаждаются на подложке для формирования наноамондов. Оборудование проще в эксплуатации, имеет низкую стоимость роста, широко используется и легко достичь промышленного производства. Из-за низкой эффективности термического разложения и серьезного загрязнения атома металла из филамента и электрода HFCVD обычно используется только для приготовления поликристаллических алмазных пленок, содержащих большое количество примеси по фазе SP2 на границе зерна, так что это обычно серый черный Полем

Рисунок 5 (а) Диаграмма оборудования HFCVD, (б) диаграмма структуры вакуумной камеры

(2) Микроволновая плазма химическое осаждение паров

Метод MPCVD использует магнитронный или твердотельный источник для генерации микроволн определенной частоты, которые подаются в реакционную камеру через волновой и образуют стабильные стоящие волны над субстратом в соответствии со специальными геометрическими измерениями реакционной камеры. 

Электромагнитное поле с целью сфокусированного электромагнитного поля разбивает здесь реакционные газы и водород, образуя стабильный плазменный шар. Богатые электроны, богатые ионы и активные атомные группы будут зародить и расти на субстрате при соответствующей температуре и давлении, что вызывает гомоэпитаксиальный рост. По сравнению с HFCVD, он избегает загрязнения алмазной пленки, вызванной испажением горячих металлических проводов, и увеличивает чистоту пленки NanoDiamond. В процессе может использоваться больше реакционных газов, чем HFCVD, а нанесенные алмазные монокристаллы более чистые, чем натуральные бриллианты. Следовательно, могут быть подготовлены алмазные поликристаллические окна оптического класса, монокристаллы с бриллиантами электронных классов и т. Д.

Рисунок 6 Внутренняя структура MPCVD

Развитие и дилемма алмаза

С тех пор, как в 1963 году был успешно разработан первый искусственный алмаз, после более чем 60 лет развития моя страна стала страной с крупнейшим производством искусственных алмазов в мире, на долю которого приходится более 90% мирового производства. Однако китайские алмазы в основном сконцентрированы на рынках применения низкого и среднего уровня, таких как абразивное шлифование, оптика, очистка сточных вод и другие области. Разработка отечественных алмазов велика, но не сильна, и во многих областях, таких как производство высококачественного оборудования и материалов электронного класса, она находится в невыгодном положении. 

С точки зрения академических достижений в области CVD-алмазов исследования в США, Японии и Европе занимают лидирующие позиции, а в моей стране оригинальных исследований относительно немного. Благодаря поддержке ключевых исследований и разработок «13-й пятилетки» отечественные сращенные эпитаксиальные монокристаллы алмаза большого размера заняли первое место в мире. Что касается гетерогенных эпитаксиальных монокристаллов, то все еще существует большой разрыв в размерах и качестве, который может быть преодолен в «14-й пятилетке».

Исследователи со всего мира провели углубленные исследования по выращиванию, легированию и сборке алмазов, чтобы реализовать применение алмазов в оптоэлектронных устройствах и оправдать ожидания людей в отношении алмазов как многофункционального материала. Однако ширина запрещенной зоны алмаза достигает 5,4 эВ. Его проводимость p-типа может быть достигнута путем легирования бором, но получить проводимость n-типа очень сложно. Исследователи из разных стран легировали примеси, такие как азот, фосфор и сера, в монокристаллический или поликристаллический алмаз в виде замены атомов углерода в решетке. Однако из-за глубокого уровня донорной энергии или сложности ионизации примесей хорошая проводимость n-типа не была получена, что сильно ограничивает исследования и применение электронных устройств на основе алмаза. 

В то же время, монокристаллический бриллиант большой области трудно подготовиться в больших количествах, таких как монокристаллические вафли, что является еще одной трудностью в разработке полупроводниковых устройств на основе алмаза. Две вышеупомянутые проблемы показывают, что существующая полупроводниковая допинг и теория разработки устройств трудно решить проблемы легирования алмаза N-типа и сборки устройств. Необходимо искать другие методы допинга и легирующие примеси или даже разработать новые принципы допинга и разработки устройств.

Чрезмерно высокие цены также ограничивают разработку алмазов. По сравнению с ценой на кремний, цена карбида кремния в 30-40 раз выше, чем у кремния, цена нитрида галлия в 650-1300 раз выше, чем у кремния, а цена синтетических алмазных материалов примерно в 10 000 раз выше, чем у кремния. Слишком высокая цена ограничивает разработку и применение алмазов. Как сократить затраты – это прорывной момент, позволяющий решить дилемму развития.

Перспективы

Хотя алмазные полупроводники в настоящее время сталкиваются с трудностями в разработке, они по-прежнему считаются наиболее перспективным материалом для изготовления следующего поколения мощных, высокочастотных, высокотемпературных электронных устройств с низкими потерями мощности. В настоящее время самые горячие полупроводники занимают карбид кремния. Карбид кремния имеет структуру алмаза, но половина его атомов состоит из углерода. Поэтому его можно рассматривать как половину бриллианта. Карбид кремния должен стать переходным продуктом от эпохи кристаллов кремния к эпохе алмазных полупроводников.

Фраза «Алмазы навсегда, а один бриллиант длится вечно» сделала название De Beers знаменитым по сей день. Для алмазных полупроводников создание другого вида славы может потребовать постоянного и непрерывного исследования.

VeTek Semiconductor — профессиональный китайский производительПокрытие из карбида тантала, Покрытие из карбида кремния, Gan Products,Специальный графит, Керамика из карбида кремнияиДругая полупроводниковая керамикаПолем Vetek Semiconductor стремится предоставлять передовые решения для различных продуктов для покрытия для полупроводниковой промышленности.

Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Моб/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Электронная почта: anny@veteksemi.com