Diamant - de toekomstige ster van halfgeleiders

Met de snelle ontwikkeling van wetenschap en technologie en de groeiende mondiale vraag naar hoogwaardige en zeer efficiënte halfgeleiderapparaten worden halfgeleidersubstraatmaterialen, als een belangrijke technische schakel in de keten van de halfgeleiderindustrie, steeds belangrijker. Onder hen wordt diamant, als een potentieel ‘ultiem halfgeleidermateriaal’ van de vierde generatie, geleidelijk een hotspot voor onderzoek en een nieuwe marktfavoriet op het gebied van halfgeleidersubstraatmaterialen vanwege zijn uitstekende fysische en chemische eigenschappen.

Eigenschappen van diamant

Diamant is een typisch atomair kristal en covalent bindingskristal. De kristalstructuur wordt getoond in figuur 1 (a). Het bestaat uit het middelste koolstofatoom gebonden aan de andere drie koolstofatomen in de vorm van een covalente binding. Figuur 1(b) is de eenheidscelstructuur, die de microscopische periodiciteit en structurele symmetrie van diamant weerspiegelt.

Figuur 1 diamant (a) kristalstructuur; (b) Celstructuur van eenheid

Diamant is het hardste materiaal ter wereld, met unieke fysische en chemische eigenschappen en uitstekende eigenschappen op het gebied van mechanica, elektriciteit en optica, zoals weergegeven in figuur 2: Diamant heeft een ultrahoge hardheid en slijtvastheid, geschikt voor het snijden van materialen en indenters, enz. ., en wordt goed gebruikt in schuurgereedschappen; (2) Diamant heeft de hoogste thermische geleidbaarheid (2200 W/(m·K)) van de tot nu toe bekende natuurlijke stoffen, namelijk 4 keer groter dan siliciumcarbide (SiC), 13 keer groter dan silicium (Si), 43 keer groter dan galliumarsenide (GaAs), en 4 tot 5 keer groter dan koper en zilver, en wordt gebruikt in apparaten met hoog vermogen. Het heeft uitstekende eigenschappen, zoals een lage thermische uitzettingscoëfficiënt (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) en hoge elastische modulus. Het is een uitstekend elektronisch verpakkingsmateriaal met goede vooruitzichten. 

De gatenmobiliteit bedraagt ​​4500 cm2·V^-1·S^-1en de elektronenmobiliteit is 3800 cm2·V^-1·S^-1, waardoor het toepasbaar is op hogesnelheidsschakelapparaten; de doorslagveldsterkte is 13MV/cm, wat kan worden toegepast op hoogspanningsapparaten; het Baliga-waardecijfer is maar liefst 24664, wat veel hoger is dan bij andere materialen (hoe groter de waarde, hoe groter het potentieel voor gebruik in schakelapparaten). 

Polykristallijne diamant heeft ook een decoratief effect. De diamantcoating heeft niet alleen een flash -effect, maar heeft ook een verscheidenheid aan kleuren. Het wordt gebruikt bij de productie van hoogwaardige horloges, decoratieve coatings voor luxe goederen en direct als een modeproduct. De sterkte en hardheid van diamant zijn 6 keer en 10 keer die van Corning -glas, dus het wordt ook gebruikt in mobiele telefoonschermen en cameralenzen.

Figuur 2 Eigenschappen van diamant en andere halfgeleidermaterialen

Bereiding van diamant

Diamantgroei is voornamelijk verdeeld in de HTHP -methode (methode met hoge temperatuur en hogedruk) enCVD -methode (chemische dampafzettingsmethode). De CVD -methode is de mainstream -methode geworden voor het bereiden van diamanten halfgeleidersubstraten vanwege de voordelen zoals hoge drukweerstand, grote radiofrequentie, lage kosten en hoge temperatuurweerstand. De twee groeimethoden richten zich op verschillende toepassingen en ze zullen in de toekomst lange tijd een aanvullende relatie vertonen.

De hoge temperatuur- en hogedrukmethode (HTHP) is het maken van een grafietkernkolom door grafietpoeder, metaalkatalysatorpoeder en additieven te mengen in de verhouding die is gespecificeerd door de grondstofformule, en vervolgens granuleren, statisch persing, vacuümreductie, inspectie, wegen en andere processen. De grafietkernkolom wordt vervolgens geassembleerd met het composietblok, hulponderdelen en andere verzegelde druktransmissiemedia om een ​​synthetisch blok te vormen dat kan worden gebruikt om diamant enkele kristallen te synthetiseren. Daarna wordt het in een zeszijdige bovenste pers geplaatst voor verwarming en druk en blijft het lang constant. Nadat de kristalgroei is voltooid, wordt de warmte gestopt en wordt de druk vrijgegeven en wordt het verzegelde druktransmissiemedium verwijderd om de synthetische kolom te verkrijgen, die vervolgens wordt gezuiverd en gesorteerd om diamant enkele kristallen te verkrijgen.

Figuur 3 Structuurdiagram van zeszijdige bovenpers

Vanwege het gebruik van metaalkatalysatoren, bevatten diamantdeeltjes bereid door de industriële HTHP -methode vaak bepaalde onzuiverheden en defecten, en vanwege de toevoeging van stikstof hebben ze meestal een gele tint. Na de technologie-upgrade kan de hoge temperatuur en hoge drukbereiding van diamanten de temperatuurgradiëntmethode gebruiken om hoogwaardige diamantkristallen van hoge deeltjes te produceren, waardoor de transformatie van diamant industriële schuurwaardigheid naar GEM-graad realiseert.

Figuur 4 Diamantmorfologie

Chemische dampafzetting (CVD) is de meest populaire methode voor het synthetiseren van diamantfilms. De belangrijkste methoden zijn onder meer chemische dampafzetting met hete filamenten (HFCVD).Magnetron Plasma Chemische dampafzetting (MPCVD).

(1) Chemische dampafzetting door hete filamenten

Het basisprincipe van HFCVD is om het reactiegas te botsen met een metaaldraad met hoge temperatuur in een vacuümkamer om een ​​verscheidenheid aan zeer actieve "niet-oplade" groepen te genereren. De gegenereerde koolstofatomen worden afgezet op het substraatmateriaal om nanodiamanten te vormen. De apparatuur is eenvoudig te bedienen, heeft een lage groeikosten, wordt veel gebruikt en is gemakkelijk te bereiken industriële productie. Vanwege de lage thermische ontledingsefficiëntie en de ernstige metaalatoomverontreiniging van de gloeidraad en elektrode, wordt HFCVD meestal alleen gebruikt om polykristallijne diamantfilms te bereiden die een grote hoeveelheid SP2-fase koolstofonzuiverheden bevatten bij de korrelgrens, dus het is over het algemeen grijs-zwart .

Figuur 5 (a) HFCVD-apparatuurdiagram, (b) structuurdiagram van de vacuümkamer

(2) Microwave plasma chemische dampafzetting

MPCVD-methode maakt gebruik van magnetron of vaste toestandbron om microgolven van specifieke frequentie te genereren, die via golfgeleider in de reactiekamer worden gevoerd en stabiele staande golven boven het substraat vormen volgens de speciale geometrische dimensies van de reactiekamer. 

Het sterk gerichte elektromagnetische veld breekt hier de reactiegassen en waterstof af om een ​​stabiele plasmakal te vormen. De elektronenrijke, ionenrijke en actieve atoomgroepen zullen nucleeren en groeien op het substraat bij de juiste temperatuur en druk, waardoor een homoepitaxiale groei langzaam wordt veroorzaakt. In vergelijking met HFCVD vermijdt het de besmetting van de diamantfilm veroorzaakt door verdamping van hete metaaldraad en verhoogt het de zuiverheid van de nanodiamond -film. Meer reactiegassen kunnen in het proces worden gebruikt dan HFCVD, en de afgezette diamant enkele kristallen zijn zuiverder dan natuurlijke diamanten. Daarom kunnen optische graad diamant polykristallijne ramen, diamantkristallen met elektronische kwaliteit, enz. Bereid worden.

Figuur 6 Interne structuur van MPCVD

Ontwikkeling en dilemma van diamant

Sinds de eerste kunstmatige diamant met succes werd ontwikkeld in 1963, na meer dan 60 jaar ontwikkeling, is mijn land het land geworden met de grootste productie van kunstmatige diamant ter wereld, goed voor meer dan 90% van de wereld. De Chinese diamanten zijn echter vooral geconcentreerd in de low-end en medium-end toepassingsmarkten, zoals abrasief slijpen, optica, rioolwaterzuivering en andere gebieden. De ontwikkeling van binnenlandse diamanten is groot maar niet sterk, en is in het nadeel op veel gebieden, zoals hoogwaardige apparatuur en materialen van elektronische kwaliteit. 

Wat de academische prestaties op het gebied van CVD-diamanten betreft, bevindt het onderzoek in de Verenigde Staten, Japan en Europa zich in een leidende positie, en er is relatief weinig origineel onderzoek in mijn land. Met de steun van het belangrijke onderzoek en de ontwikkeling van het "13e Vijfjarenplan" zijn binnenlandse gesplitste epitaxiale diamanten kristallen van groot formaat naar de eerste klas positie van de wereld gesprongen. In termen van heterogene epitaxiale eenkristallen is er nog steeds een grote kloof in omvang en kwaliteit, die mogelijk wordt overtroffen in het "14e Vijfjarenplan".

Onderzoekers van over de hele wereld hebben diepgaand onderzoek gedaan naar de groei, doping en assemblage van diamanten om de toepassing van diamanten in opto-elektronische apparaten te realiseren en te voldoen aan de verwachtingen van mensen ten aanzien van diamanten als multifunctioneel materiaal. De bandafstand van diamant is echter maar liefst 5,4 eV. De p-type geleidbaarheid kan worden bereikt door boordotering, maar het is erg moeilijk om n-type geleidbaarheid te verkrijgen. Onderzoekers uit verschillende landen hebben onzuiverheden zoals stikstof, fosfor en zwavel gedoteerd in monokristallijne of polykristallijne diamant in de vorm van het vervangen van koolstofatomen in het rooster. Vanwege het diepe donorenergieniveau of de moeilijkheid bij de ionisatie van de onzuiverheden is er echter geen goede n-type geleidbaarheid verkregen, wat het onderzoek en de toepassing van op diamant gebaseerde elektronische apparaten aanzienlijk beperkt. 

Tegelijkertijd is een grote diamant met een enkele kristallen moeilijk te bereiden in grote hoeveelheden zoals siliciumwafels met één kristal, wat een andere moeilijkheid is bij de ontwikkeling van op diamanten gebaseerde halfgeleiderapparaten. De bovenstaande twee problemen tonen aan dat de bestaande halfgeleider-doping- en apparaatontwikkelingstheorie moeilijk is om de problemen van diamant N-type doping en apparaatassemblage op te lossen. Het is noodzakelijk om andere dopingmethoden en doteermiddelen te zoeken, of zelfs nieuwe principes voor doping en apparaatontwikkeling te ontwikkelen.

Overmatig hoge prijzen beperken ook de ontwikkeling van diamanten. Vergeleken met de prijs van silicium is de prijs van siliciumcarbide 30-40 keer die van silicium, de prijs van galliumnitride is 650-1300 keer die van silicium en de prijs van synthetische diamantmaterialen is ongeveer 10.000 keer die van silicium. Een te hoge prijs beperkt de ontwikkeling en toepassing van diamanten. Hoe de kosten te verlagen is een doorbraakpunt om het ontwikkelingsdilemma te doorbreken.

Vooruitzichten

Hoewel diamanten halfgeleiders momenteel problemen ondervinden in de ontwikkeling, worden ze nog steeds beschouwd als het meest veelbelovende materiaal voor het voorbereiden van de volgende generatie hoogkrachtige, hoogfrequente, hoge temperatuur en elektronische apparaten met een laag vermogen. Momenteel zijn de heetste halfgeleiders bezet door siliciumcarbide. Siliciumcarbide heeft de structuur van diamant, maar de helft van de atomen is koolstof. Daarom kan het worden beschouwd als een halve diamant. Siliciumcarbide moet een overgangsproduct zijn van het siliciumkristaltijdperk tot het tijdperk van het diamanten halfgeleider.

De uitdrukking "diamanten zijn voor altijd, en één diamant duurt voor altijd" heeft de naam van de bieren tot op de dag van vandaag beroemd gemaakt. Voor diamanten halfgeleiders kan het creëren van een ander soort glorie permanente en continue verkenning vereisen.

VeTek Semiconductor is een professionele Chinese fabrikant vanTantaalcarbide coating, Siliciumcarbide coating, Gan -producten,Speciaal Grafiet, Siliciumcarbide keramiekEnAndere halfgeleider keramiek. Vetek Semiconductor streeft ernaar geavanceerde oplossingen te bieden voor verschillende coatingproducten voor de halfgeleiderindustrie.

Als u vragen heeft of aanvullende details nodig hebt, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E -mail: anny@veteksemi.com