Diamond - La futura estrella de los semiconductores

Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología y la creciente demanda mundial de dispositivos semiconductores de alta eficiencia y alta eficiencia, los materiales de sustrato de semiconductores, como un vínculo técnico clave en la cadena de la industria de los semiconductores, son cada vez más importantes. Entre ellos, Diamond, como un potencial material de "semiconductora final" de cuarta generación, se está convirtiendo gradualmente en un punto de acceso de investigación y un nuevo favorito del mercado en el campo de los materiales de sustrato semiconductores debido a sus excelentes propiedades físicas y químicas.

Propiedades del diamante

El diamante es un cristal atómico típico y cristal de enlace covalente. La estructura cristalina se muestra en la Figura 1 (a). Consiste en el átomo de carbono medio unido a los otros tres átomos de carbono en forma de un enlace covalente. La Figura 1 (b) es la estructura de células unitarias, que refleja la periodicidad microscópica y la simetría estructural del diamante.

Figura 1 Diamante (a) Estructura cristalina; (b) Estructura de celda unitaria

El diamante es el material más duro del mundo, con propiedades físicas y químicas únicas, y excelentes propiedades en mecánica, electricidad y óptica, como se muestra en la Figura 2: El diamante tiene una dureza y resistencia al desgaste ultra altas, adecuado para cortar materiales e indentadores, etc. ., y se utiliza mucho en herramientas abrasivas; (2) El diamante tiene la conductividad térmica más alta (2200W/(m · k)) entre las sustancias naturales conocidas hasta la fecha, que es 4 veces mayor que el carburo de silicio (SIC), 13 veces mayor que el silicio (Si), 43 veces mayor que Arseniuro de galio (GaAs), y de 4 a 5 veces mayor que el cobre y la plata, y se usa en dispositivos de alta potencia. Tiene excelentes propiedades, como un bajo coeficiente de expansión térmica (0.8 × 10-6-1.5 × 10^-6K^-1) y módulo elástico alto. Es un excelente material de embalaje electrónico con buenas perspectivas. 

La movilidad del agujero es de 4500 cm2 · V^-1·s^-1, y la movilidad del electrón es 3800 cm2·V^-1·s^-1, lo que lo hace aplicable a dispositivos de conmutación de alta velocidad; la intensidad del campo de ruptura es de 13 MV/cm, que se puede aplicar a dispositivos de alto voltaje; la cifra de mérito de Baliga llega a 24664, que es mucho más alta que la de otros materiales (cuanto mayor sea el valor, mayor será el potencial de uso en dispositivos de conmutación). 

El diamante policristalino también tiene un efecto decorativo. El recubrimiento de diamantes no solo tiene un efecto flash sino que también tiene una variedad de colores. Se utiliza en la fabricación de relojes de alta gama, recubrimientos decorativos para artículos de lujo y directamente como un producto de moda. La fuerza y ​​la dureza del diamante son 6 veces y 10 veces que las de Corning Glass, por lo que también se usa en pantallas de teléfonos móviles y lentes de cámara.

Figura 2 Propiedades del diamante y otros materiales semiconductores

Preparación de diamante

El crecimiento del diamante se divide principalmente en el método HTHP (método de alta temperatura y alta presión) yMétodo CVD (método de deposición química de vapor). El método CVD se ha convertido en el método principal para preparar sustratos de semiconductores de diamantes debido a sus ventajas, como resistencia de alta presión, radiofrecuencia grande, bajo costo y alta resistencia a la temperatura. Los dos métodos de crecimiento se centran en diferentes aplicaciones, y mostrarán una relación complementaria durante mucho tiempo en el futuro.

El método de alta temperatura y alta presión (HTHP) es hacer una columna de núcleo de grafito mezclando polvo de grafito, catalizador de metal en polvo y aditivos en la proporción especificada por la fórmula de la materia prima y luego granulando, prensado estático, reducción de vacío, inspección, pesar. y otros procesos. La columna de núcleo de grafito se ensambla con el bloque compuesto, las piezas auxiliares y otros medios de transmisión de presión sellada para formar un bloque sintético que se puede usar para sintetizar cristales de diamante único. Después de eso, se coloca en una prensa superior de seis lados para calefacción y presurización y se mantiene constante durante mucho tiempo. Una vez que se completa el crecimiento del cristal, el calor se detiene y se libera la presión, y el medio de transmisión de presión sellada se retira para obtener la columna sintética, que luego se purifica y se clasifica para obtener cristales de un solo diamante.

Figura 3 Diagrama de estructura de la prensa superior de seis lados

Debido al uso de catalizadores metálicos, las partículas de diamante preparadas mediante el método industrial HTHP a menudo contienen ciertas impurezas y defectos y, debido a la adición de nitrógeno, suelen tener un tono amarillo. Después de la actualización de la tecnología, la preparación de diamantes a alta temperatura y alta presión puede utilizar el método de gradiente de temperatura para producir monocristales de diamante de alta calidad y partículas grandes, logrando la transformación del grado abrasivo industrial del diamante al grado de gema.

Figura 4 Morfología de diamantes

La deposición química de vapor (CVD) es el método más popular para sintetizar películas de diamante. Los principales métodos incluyen la deposición química de vapor con filamentos calientes (HFCVD) yDeposición de vapor químico en plasma de microondas (MPCVD).

(1) Deposición de vapor químico de filamento caliente

El principio básico de HFCVD es hacer colisionar el gas de reacción con un alambre metálico de alta temperatura en una cámara de vacío para generar una variedad de grupos "descargados" altamente activos. Los átomos de carbono generados se depositan sobre el material del sustrato para formar nanodiamantes. El equipo es fácil de operar, tiene un bajo costo de crecimiento, se usa ampliamente y es fácil de lograr en producción industrial. Debido a la baja eficiencia de descomposición térmica y la grave contaminación por átomos metálicos del filamento y el electrodo, el HFCVD generalmente solo se usa para preparar películas de diamante policristalino que contienen una gran cantidad de impurezas de carbono de fase sp2 en el límite del grano, por lo que generalmente es gris-negro. .

Figura 5 (a) Diagrama de equipo HFCVD, (b) Diagrama de estructura de cámara de vacío

(2) Deposición de vapor químico en plasma de microondas

El método MPCVD utiliza una fuente de magnetrón o en estado sólido para generar microondas de frecuencia específica, que se alimentan a la cámara de reacción a través de la guía de onda, y forman ondas estacionarias estables por encima del sustrato de acuerdo con las dimensiones geométricas especiales de la cámara de reacción. 

El campo electromagnético altamente enfocado descompone los gases de reacción metano e hidrógeno aquí para formar una bola de plasma estable. Los grupos atómicos ricos en electrones, ricos en iones y activos se nuclean y crecerán en el sustrato a la temperatura y presión apropiadas, causando un crecimiento homoepitaxial lentamente. En comparación con HFCVD, evita la contaminación de la película de diamantes causada por la evaporación de alambre de metal caliente y aumenta la pureza de la película de Nanodiamond. Se pueden usar más gases de reacción en el proceso que HFCVD, y los cristales individuales de diamantes depositados son más puras que los diamantes naturales. Por lo tanto, se pueden preparar ventanas policristalinas de diamante de grado óptico, cristales individuales de diamantes de grado electrónico, etc.

Figura 6 Estructura interna de MPCVD

Desarrollo y dilema del diamante

Desde que el primer diamante artificial se desarrolló con éxito en 1963, después de más de 60 años de desarrollo, mi país se ha convertido en el país con la mayor producción de diamantes artificiales del mundo, lo que representa más del 90% del mundo. Sin embargo, los diamantes de China se concentran principalmente en los mercados de aplicaciones de gama baja y media, como la molienda abrasiva, la óptica, el tratamiento de aguas residuales y otros campos. El desarrollo de diamantes domésticos es grande pero no fuerte, y está en desventaja en muchos campos, como equipos de alta gama y materiales de grado electrónico. 

En términos de logros académicos en el campo de los diamantes CVD, la investigación en los Estados Unidos, Japón y Europa ocupa una posición de liderazgo, y hay relativamente pocas investigaciones originales en mi país. Con el apoyo de la investigación y el desarrollo clave del "Decimotercer Plan Quinquenal", los monocristales de diamantes epitaxiales de gran tamaño empalmados nacionales han saltado a la posición de primera clase del mundo. En términos de monocristales epitaxiales heterogéneos, todavía existe una gran brecha en tamaño y calidad, que puede superarse en el "14º Plan Quinquenal".

Investigadores de todo el mundo han llevado a cabo investigaciones en profundidad sobre el crecimiento, el dopaje y el ensamblaje de dispositivos de diamantes para realizar la aplicación de diamantes en dispositivos optoelectrónicos y satisfacer las expectativas de las personas sobre los diamantes como material multifuncional. Sin embargo, la banda prohibida del diamante llega a 5,4 eV. Su conductividad de tipo p se puede lograr mediante dopaje con boro, pero es muy difícil obtener una conductividad de tipo n. Investigadores de varios países han dopado impurezas como nitrógeno, fósforo y azufre en diamantes monocristalinos o policristalinos reemplazando átomos de carbono en la red. Sin embargo, debido al profundo nivel de energía del donante o a la dificultad de ionización de las impurezas, no se ha obtenido una buena conductividad de tipo n, lo que limita en gran medida la investigación y aplicación de dispositivos electrónicos basados ​​en diamantes. 

Al mismo tiempo, el diamante monocristalino de gran superficie es difícil de preparar en grandes cantidades como las obleas de silicio monocristalino, lo que supone otra dificultad en el desarrollo de dispositivos semiconductores a base de diamante. Los dos problemas anteriores muestran que la teoría existente de desarrollo de dispositivos y dopaje de semiconductores es difícil de resolver los problemas del ensamblaje de dispositivos y dopaje tipo n con diamantes. Es necesario buscar otros métodos y dopantes, o incluso desarrollar nuevos principios de dopaje y desarrollo de dispositivos.

Los precios excesivamente altos también limitan el desarrollo de diamantes. En comparación con el precio del silicio, el precio del carburo de silicio es 30-40 veces mayor que el de silicio, el precio del nitruro de galio es 650-1300 veces mayor que el de silicio, y el precio de los materiales de diamantes sintéticos es aproximadamente 10,000 veces el de silicio. Un precio demasiado alto limita el desarrollo y la aplicación de diamantes. Cómo reducir los costos es un punto de avance para romper el dilema de desarrollo.

Perspectiva

Aunque los semiconductores de diamante enfrentan actualmente dificultades en su desarrollo, todavía se consideran el material más prometedor para preparar la próxima generación de dispositivos electrónicos de alta potencia, alta frecuencia, alta temperatura y baja pérdida de potencia. Actualmente, los semiconductores más calientes los ocupan los carburos de silicio. El carburo de silicio tiene la estructura del diamante, pero la mitad de sus átomos son carbono. Por tanto, puede considerarse como medio diamante. El carburo de silicio debería ser un producto de transición de la era del cristal de silicio a la era de los semiconductores de diamante.

La frase "Los diamantes son para siempre y un diamante dura para siempre" ha hecho famoso el nombre de De Beers hasta el día de hoy. Para los semiconductores de diamante, crear otro tipo de gloria puede requerir una exploración permanente y continua.

VeTek Semiconductor es un fabricante chino profesional deRevestimiento de carburo tantalum, Revestimiento de carburo de silicio, Productos Gan,Grafito especial, Cerámica de carburo de silicioyOtra cerámica de semiconductores. Vetek Semiconductor se compromete a proporcionar soluciones avanzadas para varios productos de recubrimiento para la industria de semiconductores.

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