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) eenheidscelstructuur

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 flitseffect, maar heeft ook een verscheidenheid aan kleuren. Het wordt gebruikt bij de vervaardiging van hoogwaardige horloges, decoratieve coatings voor luxegoederen en rechtstreeks als modeproduct. De sterkte en hardheid van diamant zijn 6 keer en 10 keer die van Corning-glas, dus het wordt ook gebruikt in beeldschermen van mobiele telefoons en cameralenzen.

Figuur 2 Eigenschappen van diamant en andere halfgeleidermaterialen

Bereiding van diamant

Diamantgroei wordt hoofdzakelijk onderverdeeld in HTHP-methode (hoge temperatuur- en hogedrukmethode) enCVD-methode (chemische dampdepositiemethode). De CVD-methode is de reguliere methode geworden voor het bereiden van diamanthalfgeleidersubstraten vanwege de voordelen ervan, zoals hoge drukweerstand, grote radiofrequentie, lage kosten en hoge temperatuurbestendigheid. De twee groeimethoden richten zich op verschillende toepassingen en zullen in de toekomst nog lang een complementaire relatie vertonen.

De hogetemperatuur- en hogedrukmethode (HTHP) is het maken van een grafietkernkolom door grafietpoeder, metaalkatalysatorpoeder en additieven te mengen in de verhouding gespecificeerd door de grondstofformule, en vervolgens te granuleren, statisch persen, vacuümreductie, inspectie, wegen en andere processen. De grafietkernkolom wordt vervolgens geassembleerd met het composietblok, hulponderdelen en andere afgedichte druktransmissiemedia om een ​​synthetisch blok te vormen dat kan worden gebruikt om enkele diamantkristallen te synthetiseren. Daarna wordt het in een zeszijdige bovenpers geplaatst voor verwarming en drukbehoud en lange tijd constant gehouden. Nadat de kristalgroei is voltooid, wordt de hitte gestopt en de druk opgeheven, en wordt het afgedichte druktransmissiemedium verwijderd om de synthetische kolom te verkrijgen, die vervolgens wordt gezuiverd en gesorteerd om enkele diamantkristallen te verkrijgen.

Figuur 3 Structuurdiagram van zeszijdige toppress

Door het gebruik van metaalkatalysatoren bevatten diamantdeeltjes bereid volgens de industriële HTHP-methode vaak bepaalde onzuiverheden en defecten, en door de toevoeging van stikstof hebben ze meestal een gele tint. Na de technologie-upgrade kan de bereiding van diamanten bij hoge temperatuur en hoge druk de temperatuurgradiëntmethode gebruiken om hoogwaardige diamant-enkelkristallen met grote deeltjes te produceren, waardoor de transformatie van industriële diamantslijpkwaliteit naar edelsteenkwaliteit wordt gerealiseerd.

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).microgolfplasma chemische dampafzetting (MPCVD).

(1) Chemische dampafzetting door hete filamenten

Het basisprincipe van HFCVD is om het reactiegas in een vacuümkamer te laten botsen met een metaaldraad op hoge temperatuur, waardoor een verscheidenheid aan zeer actieve "ongeladen" groepen ontstaat. De gegenereerde koolstofatomen worden op het substraatmateriaal afgezet om nanodiamanten te vormen. De apparatuur is eenvoudig te bedienen, heeft lage groeikosten, wordt veel gebruikt en is gemakkelijk industriële productie te realiseren. Vanwege de lage thermische ontledingsefficiëntie en de ernstige metaalatoomverontreiniging door het filament en de elektrode, wordt HFCVD meestal alleen gebruikt om polykristallijne diamantfilms te maken die een grote hoeveelheid sp2-fase koolstofverontreinigingen aan de korrelgrens bevatten, dus het is over het algemeen grijszwart .

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

(2) Chemische dampafzetting in microgolfplasma

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

Het sterk gefocuste elektromagnetische veld breekt hier de reactiegassen methaan en waterstof af tot een stabiele plasmabal. De elektronenrijke, ionenrijke en actieve atomaire groepen zullen bij de juiste temperatuur en druk op het substraat kiemen en groeien, waardoor langzaam homoepitaxiale groei ontstaat. Vergeleken met HFCVD vermijdt het de vervuiling van de diamantfilm veroorzaakt door verdamping van hete metaaldraad en verhoogt het de zuiverheid van de nanodiamantfilm. Er kunnen bij het proces meer reactiegassen worden gebruikt dan HFCVD, en de afgezette diamantenkristallen zijn zuiverder dan natuurlijke diamanten. Daarom kunnen polykristallijne diamantvensters van optische kwaliteit, enkele diamantkristallen van elektronische kwaliteit, enz. worden vervaardigd.

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 monokristallijne diamant met een groot oppervlak moeilijk in grote hoeveelheden te bereiden, zoals monokristallijne siliciumwafels, wat een ander probleem is bij de ontwikkeling van op diamant gebaseerde halfgeleiderapparaten. De bovenstaande twee problemen laten zien dat de bestaande theorie van dotering van halfgeleiders en apparaatontwikkeling moeilijk is om de problemen van diamant-n-type dotering en apparaatassemblage op te lossen. Het is noodzakelijk om naar andere dopingmethoden en doteermiddelen te zoeken, of zelfs nieuwe principes voor de ontwikkeling van doping en hulpmiddelen te ontwikkelen.

Te 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. Het terugdringen van de kosten is een doorbraakpunt om het ontwikkelingsdilemma te doorbreken.

Vooruitzichten

Hoewel diamanthalfgeleiders momenteel met ontwikkelingsproblemen worden geconfronteerd, worden ze nog steeds beschouwd als het meest veelbelovende materiaal voor de voorbereiding van de volgende generatie elektronische apparaten met hoog vermogen, hoge frequentie, hoge temperatuur en laag vermogensverlies. Momenteel worden de heetste halfgeleiders bezet door siliciumcarbide. Siliciumcarbide heeft de structuur van diamant, maar de helft van de atomen bestaat uit koolstof. Daarom kan het worden beschouwd als een halve diamant. Siliciumcarbide zou een overgangsproduct moeten zijn van het siliciumkristaltijdperk naar het diamanthalfgeleidertijdperk.

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

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

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

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com