Алмаз - майбутня зірка напівпровідників

Зі стрімким розвитком науки і техніки та зростаючим глобальним попитом на високопродуктивні та високоефективні напівпровідникові пристрої матеріали для напівпровідникових підкладок, як ключова технічна ланка в ланцюжку напівпровідникової промисловості, стають все більш важливими. Серед них, алмаз, як потенційний матеріал четвертого покоління «найбільший напівпровідник», поступово стає гарячою точкою досліджень і новим фаворитом ринку в галузі матеріалів для напівпровідникових підкладок завдяки своїм відмінним фізичним і хімічним властивостям.

Властивості алмазу

Алмаз є типовим атомним кристалом і кристалом ковалентного зв'язку. Кристалічна структура показана на малюнку 1(a). Він складається із середнього атома вуглецю, зв’язаного з іншими трьома атомами вуглецю у вигляді ковалентного зв’язку. На малюнку 1(b) представлена ​​структура елементарної комірки, яка відображає мікроскопічну періодичність і 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 та інденторів тощо ., і добре використовується в абразивних інструментах; (2) Алмаз 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 більше, ніж кремній (Si), в 43 рази більше, ніж арсеніду галію (GaAs), і в 4-5 разів більше, ніж міді і срібла, і використовується в пристроях великої 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 3800 см2·В^-1·с^-1, що робить його застосовним для високошвидкісних комутаційних пристроїв; напруженість поля пробою становить 13 МВ/см, що можна застосувати до високовольтних пристроїв; добротність Baliga становить 24664, що набагато вище, ніж у інших матеріалів (чим більше значення, тим більший потенціал для використання в комутаційних пристроях). 

Полікристалічний алмаз також має декоративний ефект. Алмазне покриття не тільки має ефект спалаху, але і має різноманітні кольори. Він використовується у виробництві високоякісних годинників, декоративних покриттів для предметів розкоші та безпосередньо як модний продукт. Міцність і твердість алмазу в 6 і 10 разів перевершує скло Corning, тому воно також використовується в дисплеях мобільних телефонів і об’єктивах 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 CVD (метод хімічного осадження з газової фази). 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 високої температури та високого тиску (HTHP) полягає у виготовленні колони графітового ядра шляхом змішування порошку графіту, порошку металевого каталізатора та добавок у пропорції, визначеній формулою сировини, а потім гранулювання, статичне пресування, зниження вакууму, перевірка, зважування. та інші процеси. Потім стовп з графітовим сердечником збирається з композитним блоком, допоміжними частинами та іншим герметичним середовищем для передачі тиску, щоб утворити синтетичний блок, який можна використовувати для синтезу монокристалів алмазу. Після цього його поміщають у шестисторонній верхній прес для нагріву та герметизації та витримують незмінним протягом тривалого часу. Після завершення росту кристалів нагрівання припиняється, тиск скидається, і герметична середовище передачі тиску видаляється для отримання синтетичної колони, яку потім очищають і сортують для отримання монокристалів алмазу.

Рисунок 3 Структурна схема шестисторонньої верхньої преси

Завдяки використанню металевих каталізаторів частинки алмазу, отримані промисловим методом HTHP, часто містять певні домішки та дефекти, а через додавання азоту зазвичай мають жовтий відтінок. Після модернізації технології високотемпературна підготовка алмазів під високим тиском може використовувати метод температурного градієнта для виробництва високоякісних монокристалів алмазу з великими частинками, реалізуючи перетворення промислового абразивного алмазу в дорогоцінний камінь.

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) Хімічне осадження гарячої нитки з парової фази

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 штучних алмазів 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 вирощування, легування та складання алмазів, щоб реалізувати застосування алмазів в оптоелектронних пристроях і виправдати очікування людей щодо алмазів як багатофункціонального матеріалу. Однак ширина забороненої зони алмазу досягає 5,4 еВ. Його p-тип провідності може бути досягнутий легуванням бором, але дуже важко отримати n-тип провідності. Дослідники з різних країн легували домішки, такі як азот, фосфор і сірка, в монокристал або полікристалічний алмаз у вигляді заміни атомів вуглецю в решітці. Однак через глибокий рівень енергії донора або труднощі іонізації домішок хороша провідність n-типу не була отримана, що значно обмежує дослідження та застосування електронних пристроїв на основі алмазу. 

У той же час, монокристалічний алмаз великої площі важко виготовити у великих кількостях, як монокристалічні кремнієві пластини, що є ще однією складністю при розробці напівпровідникових приладів на основі алмазу. Наведені вище дві проблеми показують, що існуюча теорія легування напівпровідників і розробки пристроїв важко вирішити проблеми легування алмазного n-типу та збірки пристроїв. Необхідно шукати інші методи легування та допанти або навіть розробляти нові принципи легування та розробки пристроїв.

Надто 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.

Outlook

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 є професійним китайським виробникомПокриття з карбіду танталу, Покриття з карбіду кремнію, продукти GaN,Спеціальний графіт, Кераміка з карбіду кремніюіІнша напівпровідникова кераміка. VeTek Semiconductor прагне надавати передові рішення для різних покриттів для напівпровідникової промисловості.

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

Моб/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Електронна адреса: anny@veteksemi.com