Diamant – der zukünftige Star der Halbleiter

Mit der raschen Entwicklung von Wissenschaft und Technologie und der wachsenden weltweiten Nachfrage nach Hochleistungs- und hocheffizienten Halbleitergeräten werden Halbleiter-Substratmaterialien als wesentlicher technischer Glied in der Halbleiterindustriekette immer wichtiger. Unter ihnen wird Diamond als potenzieller "Ultimate Semiconductor" -Material der vierten Generation allmählich zu einem Hotspot und einem neuen Marktfavoriten auf dem Gebiet der Semikonduktor-Substratmaterialien aufgrund seiner hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften.

Eigenschaften von Diamant

Diamant ist ein typischer Atomkristall- und kovalenter Bindungskristall. Die Kristallstruktur ist in Abbildung 1 (a) dargestellt. Es besteht aus dem mittleren Kohlenstoffatom, das in Form einer kovalenten Bindung an die anderen drei Kohlenstoffatome gebunden ist. Abbildung 1 (b) ist die Einheitszellstruktur, die die mikroskopische Periodizität und strukturelle Symmetrie von Diamant widerspiegelt.

Abbildung 1 Diamant (a) Kristallstruktur; (b) Elementarzellenstruktur

Diamond ist das schwierigste Material der Welt, mit einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften und hervorragenden Eigenschaften in Mechanik, Elektrizität und Optik, wie in Abbildung 2 gezeigt: Diamond hat ultrahohe Härte und Verschleißfestigkeit, geeignet für Schneiden von Materialien und Indentern usw. usw. ., und ist in Schleifwerkzeugen gut eingesetzt; . Galliumarsenid (GaAs) und 4- bis 5-mal größer als Kupfer und Silber und in Hochleistungsgeräten verwendet. Es hat ausgezeichnete Eigenschaften wie niedrige Wärmeleiterkoeffizienten (0,8 × 10-6-1,5 × 10^-6K^-1) und hohen Elastizitätsmodul. Es ist ein ausgezeichnetes elektronisches Verpackungsmaterial mit guten Aussichten. 

Die Lochmobilität beträgt 4500 cm2·V^-1·S^-1und die Elektronenmobilität beträgt 3800 cm2 · v^-1·S^-1, was es für Hochgeschwindigkeitsschaltgeräte anwendbar macht; Die Breakdown-Feldstärke beträgt 13 mV/cm, was auf Hochspannungsgeräte angewendet werden kann. Die Baliga -Zahl des Verdienstes ist bis zu 24664, was viel höher ist als andere Materialien (je größer der Wert ist, desto größer ist das Potenzial für die Verwendung in Schaltvorrichtungen). 

Polykristalline Diamant hat ebenfalls einen dekorativen Effekt. Die Diamantbeschichtung hat nicht nur einen Flash -Effekt, sondern auch eine Vielzahl von Farben. Es wird bei der Herstellung von High-End-Uhren, dekorativen Beschichtungen für Luxusgüter und direkt als Modeprodukt verwendet. Die Stärke und Härte von Diamanten beträgt das 6 -fache und das 10 -fache der Corning -Glass. Daher wird es auch in Mobiltelefon -Displays und Kameraobjektiven verwendet.

Abbildung 2 Eigenschaften von Diamanten und anderen Halbleitermaterialien

Vorbereitung von Diamanten

Das Diamantwachstum wird hauptsächlich in die HTHP-Methode (Hochtemperatur- und Hochdruckmethode) und unterteiltCVD-Verfahren (chemische Gasphasenabscheidungsmethode). Das CVD-Verfahren hat sich aufgrund seiner Vorteile wie hoher Druckbeständigkeit, großer Hochfrequenz, niedriger Kosten und hoher Temperaturbeständigkeit zum gängigsten Verfahren zur Herstellung von Diamanthalbleitersubstraten entwickelt. Die beiden Wachstumsmethoden konzentrieren sich auf unterschiedliche Anwendungen und werden noch lange in einer komplementären Beziehung zueinander stehen.

Die Hochtemperatur- und Hochdruckmethode (HTHP) besteht darin, eine Graphit -Kernsäule durch Mischen von Graphitpulver, Metallkatalysatorpulver und Zusatzstoffe in dem durch die Rohstoffformel angegebenen Anteil und anschließend Granulations-, statische Presse, Vakuumreduktion, Inspektion, Waage zu erstellen und andere Prozesse. Die Graphit -Kernsäule wird dann mit dem Verbundblock, den Hilfsteilen und anderen versiegelten Druckübertragungsmedien zusammengesetzt, um einen synthetischen Block zu bilden, mit dem Diamant -Einzelkristalle synthetisiert werden können. Danach wird es in einer sechsseitigen Top-Presse zur Erhitze und Druckmaschine gelegt und lange konstant gehalten. Nach Abschluss des Kristallwachstums wird die Wärme gestoppt und der Druck freigesetzt und das versiegelte Druckübertragungsmedium entfernt, um die synthetische Säule zu erhalten, die dann gereinigt und sortiert wird, um Diamant -Einzelkristalle zu erhalten.

Abbildung 3 Strukturdiagramm von sechsseitiger oberer Presse

Aufgrund der Verwendung von Metallkatalysatoren enthalten Diamantpartikel, die mit der industriellen HTHP-Methode hergestellt werden, häufig bestimmte Verunreinigungen und Mängel und weisen aufgrund der Zugabe von Stickstoff normalerweise einen gelben Farbton auf. Nach dem Technologie-Upgrade kann die Hochtemperatur- und Hochdruckpräparation von Diamanten mithilfe der Temperaturgradientenmethode großteilige, hochwertige Diamant-Einkristalle herstellen und so die Umwandlung von industriellem Diamantschleifmittel in Edelsteinqualität realisieren.

Abbildung 4 Diamantmorphologie

Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist die beliebteste Methode zur Synthese von Diamantfilmen. Zu den Hauptmethoden gehören die chemische Gasphasenabscheidung mit heißen Filamenten (HFCVD) undMikrowellenplasma Chemische Dampfablagerung (MPCVD).

(1) Chemische Gasphasenabscheidung mit heißen Filamenten

Das Grundprinzip von HFCVD besteht darin, das Reaktionsgas in einer Vakuumkammer mit einem Hochtemperatur-Metalldraht kollidieren zu lassen, um eine Vielzahl hochaktiver „ungeladener“ Gruppen zu erzeugen. Die erzeugten Kohlenstoffatome lagern sich auf dem Substratmaterial ab und bilden Nanodiamanten. Die Ausrüstung ist einfach zu bedienen, hat geringe Wachstumskosten, ist weit verbreitet und lässt sich leicht industriell produzieren. Aufgrund der geringen thermischen Zersetzungseffizienz und der starken Verunreinigung durch Metallatome durch das Filament und die Elektrode wird HFCVD normalerweise nur zur Herstellung polykristalliner Diamantfilme verwendet, die an der Korngrenze eine große Menge an sp2-Phasen-Kohlenstoffverunreinigungen enthalten, sodass sie im Allgemeinen grauschwarz sind .

Abbildung 5 (a) HFCVD-Gerätediagramm, (b) Vakuumkammer-Strukturdiagramm

(2) Mikrowellenplasma -chemische Dampfablagerung

Das MPCVD-Verfahren nutzt ein Magnetron oder eine Festkörperquelle, um Mikrowellen einer bestimmten Frequenz zu erzeugen, die über einen Wellenleiter in die Reaktionskammer eingespeist werden und entsprechend den speziellen geometrischen Abmessungen der Reaktionskammer stabile stehende Wellen über dem Substrat bilden. 

Das hoch konzentrierte elektromagnetische Feld bricht hier die Reaktionsgase und Wasserstoff zusammen, um eine stabile Plasmakugel zu bilden. Die elektronenreichen, ionreichen und aktiven Atomgruppen kernt und wachsen auf dem Substrat bei geeigneter Temperatur und Druck, was zu Homoepitaxialwachstum langsam führt. Im Vergleich zu HFCVD vermeidet es die Kontamination des Diamantfilms, der durch heiße Metalldrahtverdunstung verursacht wird, und erhöht die Reinheit des Nanodiamond -Films. Im Prozess können mehr Reaktionsgase verwendet werden als HFCVD, und die abgelagerten Diamant -Einkristalle sind reiner als natürliche Diamanten. Daher können optische Diamantpolykristallfenster, Diamant-Einzelkristalle usw. elektronischer Qualität hergestellt werden.

Abbildung 6 interne Struktur von MPCVD

Entwicklung und Dilemma des Diamanten

Seit dem ersten künstlichen Diamanten im Jahr 1963 nach mehr als 60 Jahren Entwicklung erfolgreich entwickelt wurde, ist mein Land das Land mit der größten Ausgabe von künstlichem Diamanten der Welt, was mehr als 90% der Welt ausmacht. Chinas Diamanten konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die Anwendungsmärkte mit niedrigem und mittlerem Ende, wie z. B. Schleifschleife, Optik, Abwasserbehandlung und andere Felder. Die Entwicklung von inländischen Diamanten ist groß, aber nicht stark und in vielen Bereichen wie High-End-Geräten und Materialien der elektronischen Qualität im Nachteil. 

In Bezug auf akademische Leistungen im Bereich der CVD -Diamanten befindet sich die Forschung in den USA, Japan und Europa in einer führenden Position, und es gibt relativ wenige originelle Forschungen in meinem Land. Mit der Unterstützung der wichtigsten Forschung und Entwicklung des "13. Fünfjahresplans" sind inländische Spleiß-epitaxiale, große Diamant-Einzelkristalle in die erstklassige Position der Welt gesprungen. In Bezug auf heterogene epitaxiale Einzelkristalle gibt es immer noch eine große Größe und Qualität, die im "14. Fünfjahresplan" übertroffen werden kann.

Forscher aus der ganzen Welt haben eingehende Untersuchungen zu Wachstum, Doping und Gerätebau von Diamanten durchgeführt, um die Anwendung von Diamanten in optoelektronischen Geräten zu realisieren und die Erwartungen der Menschen an Diamanten als multifunktionales Material zu erfüllen. Die Bandlücke von Diamond ist jedoch bis zu 5,4 eV. Seine P-Typ-Leitfähigkeit kann durch Bor-Doping erreicht werden, aber es ist sehr schwierig, die Leitfähigkeit vom Typ N-Typ zu erhalten. Forscher aus verschiedenen Ländern haben dotierte Verunreinigungen wie Stickstoff, Phosphor und Schwefel in Einzelkristall- oder Polykristallin -Diamant, um Kohlenstoffatome im Gitter zu ersetzen. Aufgrund des tiefen Spenderergieniveaus oder der Schwierigkeit bei der Ionisierung der Verunreinigungen wurde jedoch keine gute N-Typ-Leitfähigkeit erhalten, die die Forschung und Anwendung von elektronischen Geräten auf Diamantenbasis erheblich einschränkt. 

Gleichzeitig ist es schwierig, großflächigen einkristallinen Diamanten in großen Mengen wie einkristalline Siliziumwafer herzustellen, was eine weitere Schwierigkeit bei der Entwicklung von Halbleiterbauelementen auf Diamantbasis darstellt. Die beiden oben genannten Probleme zeigen, dass es mit der bestehenden Halbleiterdotierungs- und Geräteentwicklungstheorie schwierig ist, die Probleme der Diamant-n-Typ-Dotierung und der Gerätemontage zu lösen. Es ist notwendig, nach anderen Dotiermethoden und Dotierstoffen zu suchen oder sogar neue Dotier- und Geräteentwicklungsprinzipien zu entwickeln.

Übermäßig hohe Preise begrenzen auch die Entwicklung von Diamanten. Im Vergleich zum Siliziumpreis beträgt der Preis für Siliziumkarbid das 30-40-fache des Siliziums, der Preis für Galliumnitrid 650-1300-mal so hoch wie Silizium, und der Preis für synthetische Diamantmaterialien beträgt ungefähr 10.000-mal so hoch wie Silizium. Zu hoch wird die Entwicklung und Anwendung von Diamanten einschränkt. Die Kosten senken

Ausblick

Obwohl die Diamond-Halbleiter derzeit in der Entwicklung zu Schwierigkeiten stehen, gelten sie dennoch als das vielversprechendste Material für die Vorbereitung der nächsten Generation von Hochleistungs-, Hochleistungs-, Hochleistungs-, Hochtemperatur- und elektronischen Geräten mit geringem Stromverlust. Derzeit sind die heißesten Halbleiter von Siliziumcarbid besetzt. Siliziumkarbid hat die Struktur des Diamanten, aber die Hälfte seiner Atome ist Kohlenstoff. Daher kann es als ein halben Diamant angesehen werden. Siliziumkarbid sollte ein Übergangsprodukt von der Siliziumkristall -Ära bis zur Diamant -Halbleiter -Ära sein.

Der Ausdruck "Diamanten sind für immer und ein Diamant für immer" hat den Namen von de Beers bis heute berühmt gemacht. Für Diamond -Halbleiter kann die Schaffung einer anderen Art von Herrlichkeit eine dauerhafte und kontinuierliche Erkundung erfordern.

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