Timantti - puolijohteiden tuleva tähti

Tieteen ja teknologian nopean kehityksen sekä tehokkaiden ja tehokkaiden puolijohdelaitteiden kasvavan maailmanlaajuisen kysynnän myötä puolijohdesubstraattimateriaalit, jotka ovat puolijohdeteollisuuden ketjun keskeinen tekninen lenkki, ovat yhä tärkeämpiä. Niiden joukossa timantista, mahdollisena neljännen sukupolven "lopullisena puolijohdemateriaalina", on vähitellen tulossa tutkimuksen hotspot ja uusi markkinoiden suosikki puolijohdesubstraattimateriaalien alalla erinomaisten fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa ansiosta.

Timantin ominaisuudet

Diamond on tyypillinen atomikite ja kovalenttinen sidoskite. Kiderakenne on esitetty kuviossa 1 (a). Se koostuu keskimmäisestä hiiliatomista, joka on sitoutunut muihin kolmeen hiiliatomiin kovalenttisen sidoksen muodossa. Kuvio 1 (b) on yksikkösolurakenne, joka heijastaa timantin mikroskooppista jaksoa ja rakenteellista symmetriaa.

Kuva 1 Timantti (a) kiderakenne; (b) yksikkösolurakenne

Diamond on maailman vaikein materiaali, jolla on ainutlaatuiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ja erinomaiset ominaisuudet mekaniikassa, sähkössä ja optiikassa, kuten kuvassa 2 esitetään: Diamondilla on erittäin korkea kovuus ja kulutusvastus, sopii materiaalien ja sisennysten leikkaamiseen jne. ., ja sitä käytetään hyvin hiomatyökaluissa; (2) Timantilla on tähän mennessä tunnetuista luonnonaineista korkein lämmönjohtavuus (2200 W/(m·K)), joka on 4 kertaa suurempi kuin piikarbidi (SiC), 13 kertaa suurempi kuin pii (Si), 43 kertaa suurempi kuin galliumarsenidi (GaAs) ja 4-5 kertaa suurempi kuin kupari ja hopea, ja sitä käytetään suuritehoisissa laitteissa. Sillä on erinomaiset ominaisuudet, kuten alhainen lämpölaajenemiskerroin (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) ja korkea joustava moduuli. Se on erinomainen elektroninen pakkausmateriaali, jolla on hyvät näkymät. 

Reiän liikkuvuus on 4500 cm2·V^-1·^-1, ja elektronien liikkuvuus on 3800 cm2 · V^-1·^-1, mikä tekee siitä soveltuvan nopeaan kytkentälaitteeseen; Jakautumiskentän lujuus on 13 mV/cm, jota voidaan levittää korkeajännitelaitteisiin; Baliga -ansioluku on jopa 24664, mikä on paljon korkeampi kuin muut materiaalit (mitä suurempi arvo, sitä suurempi potentiaali kytkentälaitteissa). 

Monikiteisellä timantilla on myös koristeellinen vaikutus. Timanttipinnoitteella ei ole vain salamaefekti, vaan siinä on myös erilaisia ​​värejä. Sitä käytetään korkealuokkaisten kellojen, luksustavaroiden koristepinnoitteiden valmistuksessa ja suoraan muotituotteena. Timantin lujuus ja kovuus ovat 6 kertaa ja 10 kertaa Corning-lasin lujuus ja kovuus, joten sitä käytetään myös matkapuhelimien näytöissä ja kameroiden linsseissä.

Kuva 2 Timantin ja muiden puolijohteiden materiaalien ominaisuudet

Timantin valmistus

Timantin kasvu on pääosin jaettu HTHP -menetelmään (korkea lämpötila ja korkeapaine menetelmä) jaCVD -menetelmä (kemiallinen höyryn saostumismenetelmä). CVD -menetelmästä on tullut valtavirran menetelmä timanttipuolijohteiden substraattien valmistelemiseksi sen etujen, kuten korkean paineenkestävyyden, suuren radiotaajuuden, alhaisten kustannusten ja korkean lämpötilankestävyyden vuoksi. Kaksi kasvumenetelmää keskittyvät erilaisiin sovelluksiin, ja ne osoittavat täydentävän suhteen tulevaisuudessa pitkään.

Korkean lämpötilan ja korkeapainemenetelmän (HTHP) on valmistettava grafiittisydinpylväs sekoittamalla grafiittijauhetta, metallikatalysaattorijauhetta ja lisäaineita raaka -ainekaavan määrittelemässä suhteessa ja sitten rakeistavat, staattinen puristus, tyhjiövähennys, tarkastus, punnitseminen ja muut prosessit. Grafiittisydinpylväs kootaan sitten komposiittilohkolla, apuosilla ja muilla suljetuilla paineensiirtoväliaineilla synteettisen lohkon muodostamiseksi, jota voidaan käyttää timanttien yksittäisten kiteiden syntetisoimiseen. Sen jälkeen se sijoitetaan kuusipuoliseen yläosaan lämmitystä ja paineistamista varten ja pidetään vakiona pitkään. Kristallikasvun valmistumisen jälkeen lämpö pysäytetään ja paine vapautuu ja suljettu paineensiirtoväliaine poistetaan synteettisen pylvään saamiseksi, joka puhdistetaan ja lajitellaan timanttien yksittäisten kiteiden saamiseksi.

Kuva 3 Kuusekuvan yläpuristimen rakenteellinen kaavio

Metallikatalyyttien käytön vuoksi teollisella HTHP -menetelmällä valmistetut timanttihiukkaset sisältävät usein tiettyjä epäpuhtauksia ja vikoja, ja typen lisäämisen vuoksi niillä on yleensä keltainen sävy. Teknologiapäivityksen jälkeen timanttien korkea lämpötila ja korkeapainevalmistus voivat käyttää lämpötilagradienttimenetelmää tuottamaan suuren hiukkasten korkealaatuisia timanttien yksittäisiä kiteitä, toteuttaen timanttiteollisuuden hioma-asteen muutoksen helmi-luokkaan.

Kuva 4 Timanttimorfologia

Kemiallinen höyryn laskeutuminen (CVD) on suosituin menetelmä timanttikalvojen syntetisoimiseksi. Tärkeimmät menetelmät sisältävät kuuman filamentin kemiallisen höyryn laskeutumisen (HFCVD) jaMikroaaltoplasmakemiallinen höyrypinnoitus (MPCVD).

(1) Kuumien filamenttien kemiallinen höyrypinnoitus

HFCVD: n perusperiaatteena on törmätä reaktiokaasu korkean lämpötilan metallilangan kanssa tyhjiökammiossa monien erittäin aktiivisten "lataamattomien" ryhmien tuottamiseksi. Luodut hiiliatomit kerrostetaan substraattimateriaaliin nanodiamondien muodostamiseksi. Laitteita on helppo käyttää, niiden kasvukustannukset ovat alhaiset, sitä käytetään laajalti ja se on helppo saavuttaa teollisuustuotanto. Alhaisen lämpöhajoamisen hyötysuhteen ja filamentin ja elektrodin vakavan metalliatomin saastumisen vuoksi HFCVD: tä käytetään yleensä vain monikiteisten timanttikalvojen valmistamiseen, jotka sisältävät suuren määrän SP2-vaiheen hiilihuoneen epäpuhtauksia viljarajalla, joten se on yleensä harmaa-mustia .

Kuva 5 (a) HFCVD -laitteiden kaavio, (b) tyhjiökammion rakenteen kaavio

(2) Mikroaaltoplasmakemiallinen höyrypinnoitus

MPCVD-menetelmä käyttää magnetronia tai solid-state-lähdettä tuottamaan tietyntaajuisia mikroaaltoja, jotka syötetään reaktiokammioon aaltoputken kautta ja muodostavat stabiileja seisovia aaltoja substraatin yläpuolelle reaktiokammion erityisten geometristen mittojen mukaisesti. 

Erittäin keskittynyt sähkömagneettinen kenttä hajottaa tässä reaktiokaasut ja vedyn stabiilin plasmapallon muodostamiseksi. Elektronirikkaat, ionirikkaat ja aktiiviset atomiryhmät nukleoivat ja kasvavat substraatilla sopivassa lämpötilassa ja paineessa aiheuttaen homoepitaksiaalista kasvua hitaasti. HFCVD: hen verrattuna se välttää kuuman metallilangan haihtumisen aiheuttaman timanttikalvon saastumisen ja lisää Nanodiamond -kalvon puhtautta. Prosessissa voidaan käyttää enemmän reaktiokaasuja kuin HFCVD, ja kerrostuneet timanttikiteitä ovat puhtaampia kuin luonnolliset timantit. Siksi optisen luokan timantti-monikiteiset ikkunat, elektronisen luokan timanttikiteet jne. Voidaan valmistaa.

Kuva 6 MPCVD:n sisäinen rakenne

Timantin kehitys ja dilemma

Siitä lähtien, kun ensimmäinen keinotimantti kehitettiin onnistuneesti vuonna 1963, yli 60 vuoden kehityksen jälkeen, maastani on tullut maa, jossa on maailman suurin keinotekoisen timantin tuotanto ja sen osuus on yli 90 prosenttia maailman kokonaismäärästä. Kiinan timantit ovat kuitenkin keskittyneet pääasiassa low-end- ja keskitason sovellusten markkinoille, kuten hiomahiontaan, optiikkaan, jätevedenkäsittelyyn ja muille aloille. Kotimaisten timanttien kehitys on suurta, mutta ei vahvaa, ja se on epäedullisessa asemassa monilla aloilla, kuten huippuluokan laitteissa ja elektroniikkalaatuisissa materiaaleissa. 

CVD -timanttien akateemisten saavutusten suhteen Yhdysvaltojen, Japanin ja Euroopan tutkimus on johtavassa asemassa, ja maassani on suhteellisen vähän alkuperäistä tutkimusta. "13. viisivuotisen suunnitelman" keskeisen tutkimuksen ja kehittämisen tuella kotimainen silmukoitu epitaksiaalinen suurikokoiset timanttikiteet ovat hyppääneet maailman ensiluokkaiseen asentoon. Heterogeenisten epitaksiaalisten yksiteisten kiteiden suhteen koko ja laatu on edelleen suuri, mikä voidaan ylittää "14. viiden vuoden suunnitelmassa".

Tutkijat eri puolilta maailmaa ovat tehneet syvällistä tutkimusta timanttien kasvusta, dopingista ja laitekokoonpanosta toteuttaakseen timanttien käyttöä optoelektronisissa laitteissa ja vastatakseen ihmisten odotuksiin timanteista monikäyttöisenä materiaalina. Timantin kaistaväli on kuitenkin jopa 5,4 eV. Sen p-tyypin johtavuus voidaan saavuttaa booriseosuksella, mutta n-tyypin johtavuuden saavuttaminen on erittäin vaikeaa. Eri maiden tutkijat ovat lisänneet epäpuhtauksia, kuten typpeä, fosforia ja rikkiä, yksikiteiseksi tai monikiteiseksi timantiksi korvaamalla hilassa olevia hiiliatomeja. Kuitenkin syvän luovuttajaenergiatason tai epäpuhtauksien ionisaatiovaikeuden vuoksi hyvää n-tyypin johtavuutta ei ole saavutettu, mikä rajoittaa suuresti timanttipohjaisten elektronisten laitteiden tutkimusta ja soveltamista. 

Samaan aikaan suuripintaisia ​​yksikidetimantteja on vaikea valmistaa suuria määriä, kuten yksikiteisiä piikiekkoja, mikä on toinen vaikeus timanttipohjaisten puolijohdelaitteiden kehittämisessä. Yllä olevat kaksi ongelmaa osoittavat, että olemassa oleva puolijohteiden doping- ja laitekehitysteoria on vaikea ratkaista timantti-n-tyypin dopingin ja laitteen kokoonpanon ongelmia. On tarpeen etsiä muita dopingmenetelmiä ja dopingaineita tai jopa kehittää uusia doping- ja laitekehitysperiaatteita.

Liian korkeat hinnat rajoittavat myös timanttien kehitystä. Piin hintaan verrattuna piikarbidin hinta on 30-40 kertaa piin hinta, galliumnitridin hinta on 650-1300 kertaa piin hinta ja synteettisten timanttimateriaalien hinta on noin 10 000 kertaa piin hinta. Liian korkea hinta rajoittaa timanttien kehittämistä ja käyttöä. Kustannusten vähentäminen on läpimurtokohta kehitysdilemman katkaisemiseksi.

Näkymät

Vaikka Diamond Semiconductors kohtaa tällä hetkellä kehitysvaikeuksia, niitä pidetään edelleen lupaavimpana materiaalina seuraavan sukupolven suuren, suurtaajuus-, korkean lämpötilan ja pienitehoisen menetyksen elektronisten laitteiden valmistamiseksi. Tällä hetkellä kuumimmat puolijohteet ovat piikarbidilla. Piharbidilla on timantti rakenne, mutta puolet sen atomista on hiiltä. Siksi sitä voidaan pitää puoliksi timantina. Piharbidin tulisi olla siirtymätuote piin kidekaikasta timanttipuolijohteen aikakauteen.

Lause "Timantit ovat ikuisia, ja yksi timantti kestää ikuisesti" on tehnyt De Beersin nimestä kuuluisan tähän päivään asti. Timanttipuolijohteiden osalta toisenlaisen loiston luominen voi vaatia jatkuvaa ja jatkuvaa tutkimista.

VeTek Semiconductor on ammattimainen kiinalainen valmistajaTantaalikarbidipinnoite, Piikarbidipinnoite, GaN tuotteet,Erityinen grafiitti, PiikarbidikeramiikkajaMuu puolijohdekeramiikka. VeTek Semiconductor on sitoutunut tarjoamaan edistyneitä ratkaisuja erilaisiin puolijohdeteollisuuden pinnoitetuotteisiin.

Jos sinulla on tiedusteluja tai tarvitset lisätietoja, älä epäröi ottaa yhteyttä meihin.

Mob/Whatsapp: +86-180 6922 0752

Sähköposti: anny@veteemiemi.com