Diamond - a félvezetők jövőbeli csillaga

A tudomány és a technológia gyors fejlődésével, valamint a nagy teljesítményű és nagy hatásfokú félvezető eszközök iránti növekvő globális kereslettel a félvezető hordozóanyagok, mint a félvezetőipari lánc kulcsfontosságú műszaki láncszemei, egyre fontosabbá válnak. Közülük a gyémánt, mint potenciális negyedik generációs "végső félvezető" anyag, kiváló fizikai és kémiai tulajdonságainak köszönhetően fokozatosan a kutatás gócpontjává és új piaci kedvencévé válik a félvezető hordozóanyagok területén.

A gyémánt tulajdonságai

A gyémánt egy tipikus atomkristály- és kovalens kötési kristály. A kristályszerkezetet az 1. ábra (a) ábra mutatja. A középső szénatomból áll, amelyet a másik három szénatomhoz kötöttek kovalens kötés formájában. Az 1 (b) ábra az egységcellák szerkezete, amely tükrözi a gyémánt mikroszkópos periodicitását és szerkezeti szimmetriáját.

1. ábra gyémánt (A) kristályszerkezet; b) egységcellák szerkezete

A gyémánt a világ legkeményebb anyaga, egyedülálló fizikai és kémiai tulajdonságokkal, valamint kiváló mechanikai, elektromosság- és optikatulajdonságokkal rendelkezik, amint az a 2. ábrán látható: A gyémánt rendkívül nagy keménységgel és kopásállósággal rendelkezik, alkalmas anyagok vágására és bemélyedésre stb. ., és jól használható csiszolószerszámokban; (2) A gyémánt hővezető képessége a legnagyobb (2200 W/(m·K)) az eddig ismert természetes anyagok közül, ami 4-szer nagyobb, mint a szilícium-karbid (SiC), 13-szor nagyobb, mint a szilícium (Si), 43-szor nagyobb, mint a gallium-arzenid (GaAs), és 4-5-ször nagyobb, mint a réz és az ezüst, és nagy teljesítményű eszközökben használják. Kiváló tulajdonságokkal rendelkezik, mint például az alacsony hőtágulási együttható (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) és nagy rugalmassági modulus. Kiváló elektronikus csomagolóanyag, jó kilátásokkal. 

A lyuk mobilitása 4500 cm2 · V^-1· S^-1, az elektronok mozgékonysága pedig 3800 cm2·V^-1· S^-1, ami alkalmazhatóvá teszi a nagysebességű kapcsolóeszközökre; A bontási mező szilárdsága 13 mV/cm, amely alkalmazható a nagyfeszültségű eszközökre; Az érdemi Baliga száma akár 24664 -ig terjed, amely sokkal magasabb, mint más anyagok (minél nagyobb az érték, annál nagyobb a lehetőségek a váltóeszközökben). 

A polikristályos gyémánt dekoratív hatású is. A gyémánt bevonat nem csak villanó hatású, hanem többféle színben is. Csúcskategóriás órák, luxuscikkek dekorbevonatainak gyártásához, valamint közvetlenül divattermékként használják. A gyémánt szilárdsága és keménysége 6-szor, illetve 10-szerese a Corning üvegének, így mobiltelefon-kijelzőkben és fényképezőgép-objektívekben is használják.

2. ábra A gyémánt és más félvezető anyagok tulajdonságai

Gyémánt előkészítése

A gyémánt növekedést elsősorban HTHP módszerre osztják (magas hőmérséklet és magas nyomású módszer) ésCVD-módszer (kémiai gőzleválasztásos módszer). A CVD-módszer a gyémánt félvezető szubsztrátumok előállításának fő módszerévé vált olyan előnyei miatt, mint a nagy nyomásállóság, a nagy rádiófrekvenciás, az alacsony költség és a magas hőmérséklet-állóság. A két növekedési módszer más-más alkalmazásra fókuszál, és a jövőben még hosszú ideig egymást kiegészítő kapcsolatot mutatnak majd.

A magas hőmérsékletű és nagynyomású módszer (HTHP) egy grafitmagos oszlop készítése grafitpor, fémkatalizátorpor és adalékanyagok összekeverésével a nyersanyag képletében meghatározott arányban, majd granulálással, statikus préseléssel, vákuumcsökkentéssel, ellenőrzéssel, mérlegeléssel. és egyéb folyamatok. A grafit magoszlopot ezután összeállítják a kompozit blokkal, a segédalkatrészekkel és más lezárt nyomásátvivő közegekkel, hogy szintetikus blokkot képezzenek, amely gyémánt egykristályok szintetizálására használható. Ezt követően hatoldalas felső présbe helyezik melegítésre és nyomás alá helyezve, és sokáig állandóan tartják. A kristálynövekedés befejeződése után a hőt leállítjuk, a nyomást felengedjük, és a lezárt nyomásátvivő közeget eltávolítjuk, hogy megkapjuk a szintetikus oszlopot, amelyet azután megtisztítunk és válogatunk, hogy gyémánt egykristályokat kapjunk.

3. ábra A hatoldalas felső sajtó szerkezeti diagramja

Az ipari HTHP módszerrel előállított gyémántszemcsék a fémkatalizátorok alkalmazása miatt gyakran tartalmaznak bizonyos szennyeződéseket, hibákat, a nitrogén hozzáadása miatt általában sárga árnyalatúak. A technológiai korszerűsítés után a gyémántok magas hőmérsékletű és nagynyomású előkészítése a hőmérsékleti gradiens módszert használhatja nagy szemcsés, kiváló minőségű gyémánt egykristályok előállítására, megvalósítva a gyémánt ipari csiszolóanyag minőségének drágakő minőségűvé való átalakulását.

4. ábra gyémánt morfológia

A kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD) a legnépszerűbb módszer a gyémántfilmek szintetizálására. A fő módszerek közé tartozik a forró filamentumos kémiai gőzleválasztás (HFCVD) ésmikrohullámú plazma kémiai gőzleválasztás (MPCVD).

(1) Forró izzószál kémiai gőzlerakódás

A HFCVD alapelve az, hogy a reakciógázt egy magas hőmérsékletű fémhuzalral ütközzen egy vákuumkamrában, hogy különféle nagyon aktív "nem töltött" csoportokat hozzon létre. A generált szénatomokat a szubsztrát anyagra helyezik el, hogy nanodiamondókat képezzenek. A berendezés egyszerűen működtethető, alacsony növekedési költségekkel jár, széles körben használják, és könnyen elérhetők az ipari termelés. Az alacsony termikus bomlási hatékonyság és az izzószálból és az elektródból származó súlyos fématom-szennyeződés miatt a HFCVD-t általában csak a polikristályos gyémántfilmek előállítására használják, amelyek nagy mennyiségű SP2 fázisú szén szennyeződést tartalmaznak a gabonahatáron, tehát általában szürke-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete-fekete. -

5. ábra (a) HFCVD berendezés diagram, b) vákuumkamra szerkezeti diagramja

(2) Mikrohullámú plazma kémiai gőzleválasztás

Az MPCVD módszer mágneses vagy szilárdtest-forrást használ a specifikus frekvenciájú mikrohullámú sütők előállításához, amelyeket a reakciókamrába etetnek a hullámvezetőn keresztül, és stabil állóhullámokat képeznek a szubsztrát felett a reakció kamra speciális geometriai dimenzióinak megfelelően. 

A nagyon fókuszált elektromágneses mező lebontja a reakciógázokat a metánt és a hidrogént, hogy stabil plazmagolyót képezzen. Az elektronban gazdag, iongazdag és aktív atomcsoportok a szubsztráton a megfelelő hőmérsékleten és nyomáson nukleálódnak és növekednek, és lassan homoepitaxiális növekedést okoznak. A HFCVD -vel összehasonlítva elkerüli a gyémántfilm szennyeződését, amelyet a forró fémhuzal párolgása okoz, és növeli a nanodiamond film tisztaságát. Több reakciógáz használható a folyamatban, mint a HFCVD, és a lerakódott gyémánt egykristályok tisztábbak, mint a természetes gyémántok. Ezért az optikai minőségű gyémánt polikristályos ablakok, az elektronikus minőségű gyémánt egykristályok stb. Készíthetők.

6. ábra MPCVD belső szerkezete

A gyémánt fejlesztése és dilemmája

Mióta az első mesterséges gyémánt 1963 -ban sikeresen fejlesztette ki, több mint 60 éves fejlesztés után az én országom lett az ország, ahol a világ legnagyobb mesterséges gyémánt eredménye volt, és a világ több mint 90% -át teszi ki. Kína gyémántjai azonban elsősorban az alacsonyabb kategóriájú és közepes végű alkalmazási piacokra koncentrálódnak, mint például a csiszoló őrlés, az optika, a szennyvízkezelés és más területek. A háztartási gyémántok fejlesztése nagy, de nem erős, és sok területen hátrányos helyzetben van, például csúcskategóriás berendezések és elektronikus minőségű anyagok. 

A CVD gyémántok területén végzett tudományos eredmények szempontjából az Egyesült Államokban, Japánban és Európában végzett kutatások vezető helyzetben vannak, és országomban viszonylag kevés eredeti kutatás van. A "13. ötéves terv" kulcsfontosságú kutatásának és fejlesztésének támogatásával a háztartási epitaxiális nagyméretű gyémánt egykristályok a világ első osztályú helyzetébe ugrottak. A heterogén epitaxiális egykristályok szempontjából továbbra is nagy a mérete és a minőség, amelyet a "14. ötéves terv" meghaladhat.

A világ minden tájáról származó kutatók mélyreható kutatást végeztek a gyémántok növekedése, doppingja és eszközegységéről annak érdekében, hogy megvalósítsák a gyémántok alkalmazását az optoelektronikus eszközökben, és megfeleljenek az embereknek a gyémántok iránti elvárásainak, mint multifunkcionális anyagként. A gyémánt sávrés azonban 5,4 eV. P-típusú vezetőképessége bór-dopping segítségével érhető el, de nagyon nehéz N-típusú vezetőképességet szerezni. A különféle országok kutatói olyan szennyeződéseket adtak, mint a nitrogén, a foszfor és a kén egyetlen kristály- vagy polikristályos gyémántba, a szénatomok cseréjeként a rácsban. A szennyeződések ionizációjának nehézségei miatt azonban a mély donor energiaszintje vagy a jó N-típusú vezetőképesség nem volt megszerzése, ami nagymértékben korlátozza a gyémánt alapú elektronikus eszközök kutatását és alkalmazását. 

Ugyanakkor a nagy területű egykristályos gyémántot nagy mennyiségben, például egykristályos szilícium ostyákban nehéz előkészíteni, ami egy másik nehézség a gyémánt alapú félvezető eszközök fejlesztésében. A fenti két probléma azt mutatja, hogy a meglévő félvezető dopping és az eszközfejlesztési elmélet nehéz megoldani a gyémánt N-típusú dopping és az eszköz összeállítás problémáit. Más dopping módszereket és adalékanyagokat kell keresni, vagy akár új dopping- és eszközfejlesztési alapelveket kell kidolgozni.

A túl magas árak a gyémántok fejlődését is korlátozzák. A szilícium árához képest a szilícium-karbid ára 30-40-szerese a szilíciuménak, a gallium-nitrid ára 650-1300-szorosa a szilíciuménak, a szintetikus gyémánt anyagok ára pedig nagyjából 10 000-szerese a szilíciuménak. A túl magas ár korlátozza a gyémántok fejlesztését és alkalmazását. A költségek csökkentése kitörési pont a fejlesztési dilemma megtöréséhez.

Kilátások

Noha a gyémánt félvezetőknek jelenleg a fejlődés nehézségei vannak, továbbra is a legígéretesebb anyagnak tekintik őket a nagy teljesítményű, nagyfrekvenciás, magas hőmérsékletű és alacsony fogyasztású elektronikus eszközök következő generációjának előkészítéséhez. Jelenleg a legforróbb félvezetőket a szilícium -karbid foglalja el. A szilícium -karbid gyémánt szerkezete van, de atomjainak fele szén. Ezért fél gyémántnak tekinthető. A szilícium -karbidnak átmeneti terméknek kell lennie a szilícium kristály korszakától a gyémánt félvezető korszakig.

A "A gyémánt örökkévaló, és egy gyémánt örökké tart" kifejezés a mai napig híressé tette De Beers nevét. A gyémánt félvezetők esetében egy másfajta dicsőség megteremtése állandó és folyamatos kutatást igényelhet.

A Vetek Semiconductor egy professzionális kínai gyártóTantalum karbid bevonat, Szilícium karbid bevonat, GaN termékek,Speciális grafit, Szilícium-karbid kerámiaésEgyéb félvezető kerámia. A VeTek Semiconductor elkötelezett amellett, hogy fejlett megoldásokat kínáljon a félvezetőipar különböző bevonattermékeihez.

Ha bármilyen kérdése van, vagy további részletekre van szüksége, kérjük, ne habozzon kapcsolatba lépni velünk.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E -mail: anny@veteksemi.com