Алмаз – будущая звезда полупроводников

В условиях быстрого развития науки и техники и растущего мирового спроса на высокопроизводительные и высокоэффективные полупроводниковые приборы материалы полупроводниковых подложек, как ключевое техническое звено в цепочке полупроводниковой промышленности, приобретают все большее значение. Среди них алмаз, как потенциальный «совершенный полупроводниковый» материал четвертого поколения, постепенно становится горячей точкой исследований и новым фаворитом рынка в области материалов полупроводниковых подложек благодаря своим превосходным физическим и химическим свойствам.

Свойства алмаза

Алмаз — типичный атомный кристалл с ковалентной связью. Кристаллическая структура показана на рисунке 1(а). Он состоит из среднего атома углерода, связанного с тремя другими атомами углерода в виде ковалентной связи. Рисунок 1 (b) представляет собой структуру элементарной ячейки, которая отражает микроскопическую периодичность и структурную симметрию алмаза.

Рисунок 1. Кристаллическая структура алмаза (а); (б) структура элементарной ячейки

Алмаз — самый твердый материал в мире, обладающий уникальными физическими и химическими свойствами, а также превосходными свойствами в механике, электричестве и оптике, как показано на рисунке 2. Алмаз обладает сверхвысокой твердостью и износостойкостью, подходит для резки материалов, инденторов и т. д. ., и хорошо используется в абразивных инструментах; (2) Алмаз имеет самую высокую теплопроводность (2200 Вт/(м·К)) среди известных на сегодняшний день природных веществ, что в 4 раза выше, чем у карбида кремния (SiC), в 13 раз выше, чем у кремния (Si), в 43 раза выше, чем у арсенид галлия (GaAs) в 4–5 раз превосходит медь и серебро и используется в мощных устройствах. Он обладает превосходными свойствами, такими как низкий коэффициент теплового расширения (0,8×10-6-1,5×10).^-6K^-1) и высокий модуль упругости. Это отличный упаковочный материал для электронных устройств с хорошими перспективами. 

Подвижность дырок 4500 см2·В.^-1·с^-1, а подвижность электронов 3800 см2·В^-1·с^-1, что делает его применимым для высокоскоростных коммутационных устройств; напряженность поля пробоя составляет 13 МВ/см, что может применяться к высоковольтным устройствам; Показатель качества Балиги достигает 24664, что намного выше, чем у других материалов (чем больше значение, тем больше потенциал для использования в коммутационных устройствах). 

Поликристаллический алмаз также обладает декоративным эффектом. Алмазное покрытие не только имеет эффект вспышки, но и имеет разнообразные цвета. Его используют при производстве элитных часов, декоративных покрытий для предметов роскоши и непосредственно как модный продукт. Прочность и твердость алмаза в 6 и 10 раз выше, чем у стекла Corning, поэтому его также используют в дисплеях мобильных телефонов и объективах фотоаппаратов.

Рисунок 2. Свойства алмаза и других полупроводниковых материалов.

Подготовка алмаза

Рост алмазов в основном делится на метод HTHP (метод высокой температуры и высокого давления) и метод.Метод CVD (метод химического осаждения из паровой фазы). Метод CVD стал основным методом подготовки алмазных полупроводниковых подложек благодаря его преимуществам, таким как устойчивость к высокому давлению, большая радиочастота, низкая стоимость и устойчивость к высоким температурам. Два метода роста ориентированы на разные приложения, и в будущем они будут дополнять друг друга.

Метод высокой температуры и высокого давления (HTHP) заключается в изготовлении колонны с графитовым сердечником путем смешивания графитового порошка, порошка металлического катализатора и добавок в пропорции, указанной формулой сырья, а затем гранулирования, статического прессования, снижения вакуума, проверки, взвешивания. и другие процессы. Затем колонна с графитовым сердечником собирается с композитным блоком, вспомогательными деталями и другими герметичными средами передачи давления, чтобы сформировать синтетический блок, который можно использовать для синтеза монокристаллов алмаза. После этого его помещают в шестигранный верхний пресс для нагрева и наддува и выдерживают постоянным в течение длительного времени. После завершения роста кристаллов нагрев прекращают, давление сбрасывают, а герметичную среду передачи давления удаляют, чтобы получить синтетическую колонку, которую затем очищают и сортируют для получения монокристаллов алмаза.

Рисунок 3 Структурная схема шестистороннего верхнего пресса

Из-за использования металлических катализаторов алмазные частицы, полученные промышленным методом HTHP, часто содержат определенные примеси и дефекты, а из-за добавления азота обычно имеют желтый оттенок. После обновления технологии при подготовке алмазов при высокой температуре и высоком давлении можно использовать метод температурного градиента для производства высококачественных монокристаллов алмаза с крупными частицами, реализуя преобразование алмазного промышленного абразивного сорта в ювелирный сорт.

Рисунок 4. Морфология алмаза.

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) является наиболее популярным методом синтеза алмазных пленок. Основные методы включают химическое осаждение из паровой фазы (HFCVD) имикроволновое плазмохимическое осаждение из паровой фазы (MPCVD).

(1) Химическое осаждение из паровой фазы с горячим волокном

Основной принцип HFCVD заключается в столкновении реакционного газа с высокотемпературной металлической проволокой в ​​вакуумной камере для создания множества высокоактивных «незаряженных» групп. Генерируемые атомы углерода осаждаются на материал подложки с образованием наноалмазов. Оборудование просто в эксплуатации, имеет низкую себестоимость, широко используется и его легко освоить в промышленном производстве. Из-за низкой эффективности термического разложения и серьезного загрязнения атомами металла нити и электрода HFCVD обычно используется только для приготовления поликристаллических алмазных пленок, содержащих большое количество примесей углерода в фазе sp2 на границе зерен, поэтому обычно он имеет серо-черный цвет. .

Рисунок 5 (а) Схема оборудования HFCVD, (б) схема строения вакуумной камеры

(2) Микроволновое плазмохимическое осаждение из паровой фазы

Метод MPCVD использует магнетрон или твердотельный источник для генерации микроволн определенной частоты, которые подаются в реакционную камеру через волновод и образуют стабильные стоячие волны над подложкой в ​​соответствии со специальными геометрическими размерами реакционной камеры. 

Сильно сфокусированное электромагнитное поле расщепляет здесь реакционные газы метан и водород, образуя стабильный плазменный шар. Богатые электронами, ионами и активные атомные группы будут зарождаться и расти на подложке при соответствующей температуре и давлении, вызывая медленный гомоэпитаксиальный рост. По сравнению с HFCVD, он позволяет избежать загрязнения алмазной пленки, вызванного испарением горячей металлической проволоки, и повышает чистоту наноалмазной пленки. В процессе можно использовать больше реакционных газов, чем HFCVD, а осажденные монокристаллы алмаза чище, чем природные алмазы. Таким образом, можно получить поликристаллические окна алмаза оптического качества, монокристаллы алмаза электронного качества и т.д.

Рисунок 6. Внутренняя структура MPCVD.

Развитие и дилемма алмаза

С тех пор, как в 1963 году был успешно разработан первый искусственный алмаз, после более чем 60 лет развития моя страна стала страной с крупнейшим производством искусственных алмазов в мире, на долю которого приходится более 90% мирового производства. Однако китайские алмазы в основном сконцентрированы на рынках применения низкого и среднего уровня, таких как абразивное шлифование, оптика, очистка сточных вод и другие области. Разработка отечественных алмазов велика, но не сильна, и во многих областях, таких как производство высококачественного оборудования и электронных материалов, она находится в невыгодном положении. 

С точки зрения академических достижений в области CVD-алмазов исследования в США, Японии и Европе занимают лидирующие позиции, а в моей стране оригинальных исследований относительно мало. Благодаря поддержке ключевых исследований и разработок «13-й пятилетки» отечественные сращенные эпитаксиальные монокристаллы алмаза большого размера заняли первое место в мире. Что касается гетерогенных эпитаксиальных монокристаллов, то все еще существует большой разрыв в размерах и качестве, который может быть преодолен в «14-й пятилетке».

Исследователи со всего мира провели углубленные исследования по выращиванию, легированию и сборке алмазов, чтобы реализовать применение алмазов в оптоэлектронных устройствах и оправдать ожидания людей в отношении алмазов как многофункционального материала. Однако ширина запрещенной зоны алмаза достигает 5,4 эВ. Его проводимость p-типа может быть достигнута путем легирования бором, но получить проводимость n-типа очень сложно. Исследователи из разных стран легировали примеси, такие как азот, фосфор и сера, в монокристаллический или поликристаллический алмаз в виде замены атомов углерода в решетке. Однако из-за глубокого уровня донорной энергии или сложности ионизации примесей хорошая проводимость n-типа не была получена, что сильно ограничивает исследования и применение электронных устройств на основе алмаза. 

В то же время монокристаллический алмаз большой площади трудно получить в больших количествах, как пластины монокристаллического кремния, что является еще одной трудностью при разработке полупроводниковых приборов на основе алмаза. Две вышеупомянутые проблемы показывают, что существующая теория легирования полупроводников и разработки устройств трудно решить проблемы легирования алмазом n-типа и сборки устройств. Необходимо искать другие методы допинга и допанты или даже разрабатывать новые принципы допинга и разработки устройств.

Чрезмерно высокие цены также ограничивают разработку алмазов. По сравнению с ценой на кремний, цена карбида кремния в 30-40 раз выше, чем у кремния, цена нитрида галлия в 650-1300 раз выше, чем у кремния, а цена синтетических алмазных материалов примерно в 10 000 раз выше, чем у кремния. Слишком высокая цена ограничивает разработку и применение алмазов. Как сократить затраты – это прорывной момент, позволяющий решить дилемму развития.

Перспективы

Хотя алмазные полупроводники в настоящее время сталкиваются с трудностями в разработке, они по-прежнему считаются наиболее перспективным материалом для создания следующего поколения мощных, высокочастотных, высокотемпературных электронных устройств с низкими потерями мощности. В настоящее время самые горячие полупроводники занимают карбид кремния. Карбид кремния имеет структуру алмаза, но половина его атомов состоит из углерода. Поэтому его можно рассматривать как половину бриллианта. Карбид кремния должен стать переходным продуктом от эпохи кристаллов кремния к эпохе алмазных полупроводников.

Фраза «Бриллианты вечны, и один бриллиант длится вечно» прославила имя De Beers и по сей день. Для алмазных полупроводников создание еще одного вида славы может потребовать постоянных и непрерывных исследований.

VeTek Semiconductor — профессиональный китайский производительПокрытие из карбида тантала, Покрытие из карбида кремния, продукты GaN,Специальный графит, Керамика из карбида кремнияиДругая полупроводниковая керамика. VeTek Semiconductor стремится предоставлять передовые решения для различных покрытий для полупроводниковой промышленности.

Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Моб/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Электронная почта: anny@veteksemi.com