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, järk-järgult saamas pooljuhtsubstraatmaterjalide valdkonnas uurimistööks ja uueks turu lemmikuks.

Teemantide omadused

Teemant on tüüpiline aatomkristall ja kovalentse sideme kristall. Kristallstruktuur on näidatud joonisel 1(a). See koosneb keskmisest süsinikuaatomist, mis on kovalentse sideme kujul seotud ülejäänud kolme süsinikuaatomiga. Joonis fig 1 (b) on ühiku raku struktuur, mis peegeldab teemandi mikroskoopilist perioodilisust ja struktuurset sümmeetriat.

Joonis 1 Teemant (a) kristallstruktuur; b) ühikraku struktuur

Teemant on maailma kõige kõvem materjal, millel on ainulaadsed füüsikalised ja keemilised omadused ning suurepärased omadused mehaanikas, elektris ja optikas, nagu on näidatud joonisel 2: Teemant on ülikõrge kõvaduse ja kulumiskindlusega, sobib materjalide lõikamiseks ja treppideks jne. ., ja seda kasutatakse hästi abrasiivsetes tööriistades; (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^-1, ja elektronide liikuvus on 3800 cm2·V^-1·s^-1, mis muudab selle rakendatavaks kiirete lülitusseadmete jaoks; läbilöögivälja tugevus on 13MV/cm, mida saab rakendada kõrgepingeseadmetele; Baliga väärtus on koguni 24664, mis on palju kõrgem kui teistel materjalidel (mida suurem väärtus, seda suurem on kasutusvõimalus lülitusseadmetes). 

Polükristallilisel teemandil on ka dekoratiivne mõju. Teemantkattel pole mitte ainult välguefekti, vaid ka erinevaid värve. Seda kasutatakse kõrgekvaliteediliste kellade, luksuskaupade dekoratiivkatete valmistamisel ja otse moetootena. Teemanti tugevus ja kõvadus on 6 korda ja 10 korda suurem kui Corningi klaasil, seega kasutatakse seda ka mobiiltelefonide ekraanidel ja kaameraobjektiivides.

Joonis 2 Teemantide ja muude pooljuhtmaterjalide omadused

Teemandi valmistamine

Teemantide kasvatamine jaguneb peamiselt HTHP-meetodiks (kõrgtemperatuuri ja kõrgsurve meetod) jaCVD-meetod (keemilise aurustamise-sadestamise meetod). CVD-meetodist on saanud teemantpooljuhtsubstraatide valmistamise peamine meetod tänu oma eelistele, nagu kõrge rõhukindlus, suur raadiosagedus, madal hind ja vastupidavus kõrgele temperatuurile. Need kaks kasvumeetodit keskenduvad erinevatele rakendustele ja need näitavad üksteist täiendavat suhet tulevikus.

Kõrgtemperatuuri ja kõrgsurve meetod (HTHP) on grafiidist südamikukolonni valmistamine, segades grafiidipulbrit, metallkatalüsaatoripulbrit ja lisandeid tooraine valemiga määratud vahekorras ning seejärel granuleerides, staatiliselt pressides, vaakumredutseerides, kontrollides, kaaludes. ja muud protsessid. Seejärel monteeritakse grafiidisüdamikkolonn kokku komposiitploki, abiosade ja muude suletud rõhuülekandevahenditega, et moodustada sünteetiline plokk, mida saab kasutada teemant-üksikkristallide sünteesimiseks. Pärast seda pannakse see kuumutamiseks ja survestamiseks kuuepoolsesse pealispressi ning hoitakse pikka aega konstantsena. Pärast kristallide kasvu lõpetamist kuumus peatatakse ja rõhk vabastatakse ning suletud rõhuülekandekeskkond eemaldatakse, et saada sünteetiline kolonn, mis seejärel puhastatakse ja sorteeritakse, et saada teemant-üksikkristallid.

Joonis 3 Kuuepoolse pealispressi ehitusskeem

Tööstuslikul HTHP meetodil valmistatud teemandiosakesed sisaldavad metallkatalüsaatorite kasutamise tõttu sageli teatud lisandeid ja defekte ning lämmastiku lisamise tõttu on neil enamasti kollane toon. Pärast tehnoloogia uuendamist saab teemantide kõrgel temperatuuril ja kõrgel rõhul ettevalmistamisel kasutada temperatuuri gradiendi meetodit, et toota suurte osakestega kvaliteetseid teemant-üksikkristalle, realiseerides teemantide tööstusliku abrasiivklassi muutmise kalliskiviklassiks.

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) Kuuma filamendi keemiline aurustamine-sadestamine

HFCVD põhiprintsiibiks on reaktsioonigaasi kokkupõrge kõrgtemperatuurse metalltraadiga vaakumkambris, et tekitada mitmesuguseid väga aktiivseid "laadimata" rühmi. Tekkinud süsinikuaatomid sadestatakse substraadi materjalile, moodustades nanoteemante. Seadmeid on lihtne kasutada, nende kasvukulud on madalad, neid kasutatakse laialdaselt ja tööstuslikku tootmist on lihtne saavutada. Madala termilise lagunemise efektiivsuse ja metalliaatomite tõsise saastumise tõttu hõõgniidist ja elektroodist kasutatakse HFCVD-d tavaliselt ainult polükristalliliste teemantkilede valmistamiseks, mis sisaldavad suures koguses sp2 faasi süsiniku lisandeid terade piiril, seega on see tavaliselt hall-must. .

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

(2) Mikrolaineplasma keemiline aurustamine-sadestamine

MPCVD meetod kasutab magnetroni või tahkisallikat, et genereerida spetsiifilise sagedusega mikrolaineid, mis juhitakse reaktsioonikambrisse läbi lainejuhi ja moodustavad substraadi kohal stabiilsed seisulained vastavalt reaktsioonikambri erilistele 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 teemandi monokristalle jne.

Joonis 6 MPCVD sisemine struktuur

Teemandi areng ja dilemma

Alates esimese tehisteemanti edukast väljatöötamisest 1963. aastal, pärast enam kui 60-aastast arengut, on minu riigist saanud maailma suurima tehisteemantide toodanguga riik, mis moodustab enam kui 90% kogu maailmast. Hiina teemandid on aga koondunud peamiselt madala ja keskmise kvaliteediga rakenduste turgudele, nagu abrasiivlihvimine, optika, reoveepuhastus ja muud valdkonnad. Kodumaiste teemantide areng on suur, kuid mitte tugev, ja see on ebasoodsas olukorras paljudes valdkondades, nagu tipptasemel seadmed ja elektroonilised materjalid. 

CVD-teemantide valdkonna akadeemiliste saavutuste poolest on juhtival positsioonil Ameerika Ühendriikide, 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 üle kogu maailma on läbi viinud põhjalikke uuringuid teemantide kasvu, dopingu ja seadmete kokkupanemise kohta, et realiseerida teemantide rakendusvõimalusi optoelektroonilistes seadmetes ja täita inimeste ootusi teemantide kui multifunktsionaalse materjali suhtes. Teemandi ribavahemik on aga koguni 5,4 eV. Selle p-tüüpi juhtivuse saab saavutada boori dopinguga, kuid n-tüüpi juhtivust on väga raske saada. Erinevate riikide teadlased on lisandid, nagu lämmastik, fosfor ja väävel, legeeritud monokristallideks või polükristallilisteks teemantideks, asendades võres süsinikuaatomeid. Sügava doonorienergia taseme või lisandite ioniseerimise raskuse tõttu ei ole aga saavutatud head n-tüüpi juhtivust, mis piirab suuresti 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 professionaalne Hiina tootjaTantaalkarbiidi kate, Ränikarbiidi kate, GaN tooted,Spetsiaalne grafiit, Ränikarbiidist keraamikajaMuu pooljuhtkeraamika. VeTek Semiconductor on pühendunud täiustatud lahenduste pakkumisele erinevatele pooljuhtide tööstuse kattetoodetele.

Kui teil on küsimusi või vajate lisateavet, võtke meiega ühendust.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-post: anny@veteksemi.com