Teemant - pooljuhtide tulevane täht

Seoses teaduse ja tehnoloogia kiire arenguga ning kasvava ülemaailmse nõudlusega suure jõudlusega ja suure kasuteguriga pooljuhtseadmete järele muutuvad pooljuhtsubstraatmaterjalid pooljuhttööstuse ahela peamise tehnilise lülina järjest olulisemaks. Nende hulgas on teemant kui potentsiaalne neljanda põlvkonna "ülima pooljuht" materjal, tänu oma suurepärastele füüsikalistele ja keemilistele omadustele, muutumas järk-järgult uurimistööks ja uueks turu lemmikuks pooljuhtsubstraatmaterjalide valdkonnas.

Teemantide omadused

Diamond on tüüpiline aatomkristalli ja kovalentse sideme kristall. Kristallstruktuur on näidatud joonisel 1 (a). See koosneb keskmisest süsinikuaatomist, mis on seotud ülejäänud kolme süsinikuaatomiga kovalentse sideme kujul. Joonis 1 (b) on raku ühiku struktuur, mis kajastab teemandi mikroskoopilist perioodilisust ja struktuurilist sümmeetriat.

Joonis 1 Diamond (a) kristallstruktuur; b) raku ühiku struktuur

Diamond on kõige raskem materjal maailmas, millel on ainulaadsed füüsikalised ja keemilised omadused ning suurepärased omadused mehaanika, elektri ja optika osas, nagu on näidatud joonisel 2: Diamondil on ülikõrge kõvadus ja kulumiskindlus, mis sobib lõiketerjalideks ja taandujateks jne. ., ja seda kasutatakse hästi abrasiivtööriistades; (2) Teemantil on seni teadaolevatest looduslikest ainetest suurim soojusjuhtivus (2200 W/(m·K)), mis on 4 korda suurem kui ränikarbiidil (SiC), 13 korda suurem kui ränil (Si), 43 korda suurem kui galliumarseniid (GaAs) ja 4–5 korda suurem kui vask ja hõbe ning seda kasutatakse suure võimsusega seadmetes. Sellel on suurepärased omadused, nagu madal soojuspaisumistegur (0,8 × 10-6-1,5 × 10^-6K^-1) ja kõrge elastsusmoodul. See on suurepärane elektrooniline pakkematerjal, millel on head väljavaated. 

Ava liikuvus on 4500 cm2·V^-1· S^-1ja elektronide liikuvus on 3800 cm2 · V^-1· S^-1, mis muudab selle rakendatavaks kiirete lülitusseadmete suhtes; Jaotusvälja tugevus on 13mV/cm, mida saab rakendada kõrgepingeseadmetele; Baliga teenete näitaja on koguni 24664, mis on palju suurem kui muudest materjalidest (mida suurem väärtus on, seda suurem on kasutamisvõimalus vahendite vahetamisel). 

Polükristallilisel teemandil on ka dekoratiivne efekt. Teemantkattel pole mitte ainult välkmõju, vaid ka mitmesuguseid värve. Seda kasutatakse tipptasemel kellade valmistamisel, luksuskaupade dekoratiivkatteid ja otse moetootena. Teemandi tugevus ja kõvadus on 6 korda ja 10 korda suurem kui Corning Glass, seega kasutatakse seda ka mobiiltelefonide kuvades ja kaameraläätsedes.

Joonis 2 Teemantide ja muude pooljuhtmaterjalide omadused

Teemant ettevalmistamine

Teemantide kasvatamine jaguneb peamiselt HTHP-meetodiks (kõrgtemperatuuri ja kõrgsurve meetod) jaCVD -meetod (keemiline aurude sadestamise meetod). CVD -meetodist on saanud peavoolumeetod teemant pooljuhtide substraatide valmistamiseks, kuna selle eelised, näiteks kõrgrõhutakistus, suur raadiosagedus, madalad kulud ja kõrge temperatuurikindlus. Kaks kasvumeetodit keskenduvad erinevatele rakendustele ja need näitavad tulevikus pikka aega täiendavat suhet.

Kõrge temperatuuri ja kõrgrõhu meetod (HTHP) on teha grafiidi südamiku kolonni, segades grafiidipulbrit, metallkatalüsaatori pulbrit ja lisandeid tooraine piimasegu määratud proportsioonis ning seejärel granuleeritakse, staatiline pressimine, vaakum vähendamine, kontrollimine, kaalumine, kaalumine, kaalumine, kaalumine, kaalumine, kaalumine, kaalumine ja muud protsessid. Seejärel monteeritakse grafiidi südamiku veerg koos komposiitploki, lisaosade ja muude suletud rõhuülekande söötmega, moodustades sünteetilise ploki, mida saab kasutada teemandi üksikkristallide sünteesimiseks. Pärast seda asetatakse see kuueküljelisse ülemisse pressi kuumutamiseks ja survestamiseks ning hoitakse pikka aega konstantsena. Pärast kristallide kasvu lõpuleviimist peatatakse ja rõhk vabaneb ning suletud rõhu ülekande sööde eemaldatakse sünteetilise kolonni saamiseks, mis seejärel puhastatakse ja sorteeritakse, et saada teemant üksikkristalle.

Joonis 3 kuuepoolse ülemise ajakirjanduse struktuuriskeem

Metallkatalüsaatorite kasutamise tõttu sisaldavad tööstusliku HTHP -meetodi abil valmistatud teemantosakesed sageli teatud lisandeid ja puudusi ning lämmastiku lisamise tõttu on neil tavaliselt kollane toon. Pärast tehnoloogia uuendamist saavad teemantide kõrge temperatuuri ja kõrgrõhu valmistamine kasutada temperatuurigradiendi meetodit, et saada suurte osakeste kvaliteetseid teemantkristalle, mõistes teemant tööstusliku abrasiivse astme muundumist GEM-i astmeks.

Joonis 4 Teemantmorfoloogia

Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD) on kõige populaarsem meetod teemantkilede sünteesimiseks. Peamised meetodid hõlmavad kuuma filamenti keemilise aursadestamise (HFCVD) jamikrolaine plasma keemiline aurustamine-sadestamine (MPCVD).

(1) kuum hõõgniment keemiline aurude sadestumine

HFCVD põhiprintsiip on reaktsioonigaasi kokkupõrkes vaakumkambris kõrge temperatuuriga metalltraadiga, et genereerida mitmesuguseid väga aktiivseid "laadimata" rühmi. Loodud süsinikuaatomid ladestuvad substraadi materjalile, moodustades nanodiamonds. Seadmeid on lihtne kasutada, selle kulusid on madalad, seda kasutatakse laialdaselt ja seda on lihtne saavutada tööstuslikku tootmist. Madala termilise lagunemise efektiivsuse ja hõõgniidi ja elektroodi tõsise metalli aatomi saastumise tõttu kasutatakse HFCVD-d tavaliselt ainult polükristalliliste teemantkilede valmistamiseks, mis sisaldavad teravilja piiril suures koguses SP2-faasilise süsiniku lisandeid, seega on see üldiselt hall-mustana .

Joonis 5 (a) HFCVD seadmete diagramm, (b) vaakumkambri ehitusskeem

(2) Mikrolaineplasma keemiline aurustamine-sadestamine

MPCVD-meetod kasutab magnetroni või tahke oleku allikat, et genereerida spetsiifilise sagedusega mikrolaineid, mis juhitakse reaktsioonikambrisse lainejuhi kaudu, ja moodustavad stabiilsed seisvad lained substraadi kohal vastavalt reaktsioonikambri spetsiaalsetele geomeetrilistele mõõtmetele. 

Tugevalt fokuseeritud elektromagnetväli lagundab siin reaktsioonigaasid metaani ja vesiniku, moodustades stabiilse plasmapalli. Elektronirikkad, ioonirikkad ja aktiivsed aatomirühmad tuumastuvad ja kasvavad substraadil sobival temperatuuril ja rõhul, põhjustades aeglaselt homoepitaksiaalset kasvu. Võrreldes HFCVD-ga väldib see teemantkile saastumist kuuma metalltraadi aurustumisest ja suurendab nanoteemantkile puhtust. Protsessis saab kasutada rohkem reaktsioonigaase kui HFCVD ja ladestunud teemandi üksikkristallid on puhtamad kui looduslikud teemandid. Seetõttu saab valmistada optilise kvaliteediga teemantpolükristallilisi aknaid, elektroonilise kvaliteediga teemantide monokristalle jne.

Joonis 6 MPCVD sisemine struktuur

Teemandi areng ja dilemma

Kuna esimene kunstlik teemant töötati edukalt välja 1963. aastal, on pärast enam kui 60 -aastast arengut minu riigist saanud riigiks, kus maailmas on suurim kunstlike teemantide toodang, mis moodustab enam kui 90% maailmast. Kuid Hiina teemandid on koondunud peamiselt madala hinnaga ja keskmise hinnaga rakendusturgudele, näiteks abrasiivne lihvimine, optika, reoveepuhastus ja muudele väljadele. Kodumaiste teemantide areng on suur, kuid mitte tugev ning see on paljudes valdkondades, näiteks tipptasemel seadmetes ja elektrooniliste klasside materjalides, puuduseks. 

CVD-teemantide valdkonna akadeemiliste saavutuste poolest on juhtival positsioonil USA, Jaapani ja Euroopa teadustöö ning minu kodumaal on originaaluuringuid suhteliselt vähe. "13. viie aasta plaani" põhilise uurimis- ja arendustegevuse toel on kodumaised splaissitud epitaksiaalsed suuremõõtmelised teemant-singlekristallid tõusnud maailma esimese klassi positsioonile. Heterogeensete epitaksiaalsete monokristallide osas on endiselt suur lõhe suuruses ja kvaliteedis, mida võib "14. viie aasta plaanis" ületada.

Teadlased kogu maailmast on teinud põhjalikke uuringuid teemantide kasvu, dopingu ja seadme kokkupanemise kohta, et mõista teemantide kasutamist optoelektroonilistes seadmetes ja vastata inimeste ootustele teemantide suhtes kui multifunktsionaalset materjali. Diamondi ribavahe on aga koguni 5,4 eV. Selle P-tüüpi juhtivust saab saavutada boori dopingu abil, kuid N-tüüpi juhtivuse saavutamine on väga keeruline. Erinevate riikide teadlased on legeerinud lisandeid, nagu lämmastik, fosfor ja väävel üksikkristall- või polükristalliline teemant, mis asendab süsinikuaatomeid võres. Sügava doonori energiataseme või lisandite ionisatsiooni raskuste tõttu ei ole siiski saadud head N-tüüpi juhtivust, mis piirab oluliselt teemandipõhiste elektroonikaseadmete uurimist ja rakendamist. 

Samal ajal on suure pindalaga monokristallteemanti raske valmistada suurtes kogustes nagu monokristallidest ränivahvlid, mis on veel üks raskus teemandipõhiste pooljuhtseadmete väljatöötamisel. Ülaltoodud kaks probleemi näitavad, et olemasoleva pooljuhtide dopingu ja seadmete arendamise teooriaga on raske lahendada teemant-n-tüüpi dopingu ja seadmete kokkupanemise probleeme. Tuleb otsida teisi dopingumeetodeid ja dopante või isegi välja töötada uued dopingu ja seadmete arendamise põhimõtted.

Liiga kõrged hinnad piiravad ka teemantide arengut. Räni hinnaga võrreldes on ränikarbiidi hind 30–40 korda kõrgem kui räni oma, galliumnitriidi hind on 650–1300 korda kõrgem kui räni oma ja sünteetiliste teemantmaterjalide hind on ligikaudu 10 000 korda kõrgem kui räni oma. Liiga kõrge hind piirab teemantide väljatöötamist ja kasutamist. Kulude vähendamine on läbimurdepunkt arendusdilemma murdmiseks.

Outlook

Kuigi teemantpooljuhid seisavad praegu silmitsi arendusraskustega, peetakse neid siiski kõige lootustandvamaks materjaliks järgmise põlvkonna suure võimsusega, kõrge sagedusega, kõrge temperatuuriga ja väikese võimsusega elektroonikaseadmete ettevalmistamisel. Praegu on kõige kuumemad pooljuhid hõivatud ränikarbiidiga. Ränikarbiidil on teemandi struktuur, kuid pooled selle aatomitest on süsinik. Seetõttu võib seda pidada pooleks teemandiks. Ränikarbiid peaks olema üleminekutoode ränikristallide ajastust teemantpooljuhtide ajastule.

Fraas "Teemandid on igavesti ja üks teemant kestab igavesti" on De Beersi nime kuulsaks teinud tänaseni. Teemantpooljuhtide puhul võib teist tüüpi hiilguse loomine nõuda püsivat ja pidevat uurimist.

Vetek Semiconductor on Hiina professionaalne tootjaTantaalkarbiidi kate, Ränikarbiidi kate, Gani tooted,Spetsiaalne grafiit, Räni karbiidi keraamikajaMuu pooljuhtkeraamika. Vetek Semiconductor on pühendunud täiustatud lahenduste pakkumisele erinevatele kattetoodetele pooljuhtide tööstusele.

Kui teil on päringuid või kui vajate lisateavet, siis ärge kartke meiega ühendust võtta.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

E-post: anny@veteksemi.com