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 "perimmäisenä puolijohdemateriaalina", on vähitellen tulossa tutkimuksen hotspot ja uusi markkinoiden suosikki puolijohdesubstraattimateriaalien alalla erinomaisten fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa ansiosta.

Timantin ominaisuudet

Timantti on tyypillinen atomikide ja kovalenttinen sidoskide. Kiderakenne on esitetty kuvassa 1(a). Se koostuu keskimmäisestä hiiliatomista, joka on sitoutunut kolmeen muuhun hiiliatomiin kovalenttisen sidoksen muodossa. Kuva 1(b) on yksikkökennorakenne, joka heijastaa timantin mikroskooppista jaksollisuutta ja rakenteellista symmetriaa.

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

Timantti on maailman kovin materiaali, jolla on ainutlaatuiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet sekä erinomaiset ominaisuudet mekaniikassa, sähkössä ja optiikassa, kuten kuvassa 2: Timantilla on erittäin korkea kovuus ja kulutuskestävyys, ja se sopii materiaalien leikkaamiseen ja sisennyksiin 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 kimmokerroin. Se on erinomainen elektroninen pakkausmateriaali, jolla on hyvät näkymät. 

Reiän liikkuvuus on 4500 cm2·V^-1·s^-1, ja elektronien liikkuvuus on 3800 cm2·V^-1·s^-1, mikä tekee siitä soveltuvan nopeisiin kytkinlaitteisiin; läpilyöntikentän voimakkuus on 13MV/cm, jota voidaan soveltaa suurjännitelaitteisiin; Baligan ansioluku on peräti 24664, mikä on paljon korkeampi kuin muissa materiaaleissa (mitä suurempi arvo, sitä suurempi on käyttömahdollisuus kytkinlaitteissa). 

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 Timanttien ja muiden puolijohdemateriaalien ominaisuudet

Timantin valmistus

Timanttien kasvu jaetaan pääasiassa HTHP-menetelmään (korkean lämpötilan ja korkean paineen menetelmä) jaCVD-menetelmä (kemiallinen höyrypinnoitusmenetelmä). CVD-menetelmästä on tullut yleisin menetelmä timanttipuolijohdesubstraattien valmistuksessa sen etujen, kuten korkean paineenkestävyyden, suuren radiotaajuuden, alhaisten kustannusten ja korkean lämpötilan kestävyyden, ansiosta. Molemmat kasvumenetelmät keskittyvät erilaisiin sovelluksiin, ja ne osoittavat toisiaan täydentävää suhdetta vielä pitkään.

Korkean lämpötilan ja korkean paineen menetelmä (HTHP) on tehdä grafiittisydänkolonni sekoittamalla grafiittijauhetta, metallikatalyyttijauhetta ja lisäaineita raaka-ainekaavan määrittämässä suhteessa ja sitten rakeistamalla, staattinen puristus, tyhjiöpelkistys, tarkastus, punnitus. ja muut prosessit. Grafiittisydänkolonni kootaan sitten komposiittilohkon, apuosien ja muiden suljettujen paineensiirtovälineiden kanssa synteettisen lohkon muodostamiseksi, jota voidaan käyttää timanttiyksileiden syntetisoimiseen. Sen jälkeen se asetetaan kuusipuoliseen yläpuristimeen lämmitystä ja paineistusta varten ja pidetään vakiona pitkään. Kun kiteen kasvu on päättynyt, lämpö pysäytetään ja paine vapautetaan, ja suljettu paineensiirtoväliaine poistetaan synteettisen kolonnin saamiseksi, joka sitten puhdistetaan ja lajitellaan timanttiyksittäisten kiteiden saamiseksi.

Kuva 3 Kuusipuolisen yläpuristimen rakennekaavio

Metallikatalyyttien käytön vuoksi teollisella HTHP-menetelmällä valmistetut timanttihiukkaset sisältävät usein tiettyjä epäpuhtauksia ja vikoja, ja typen lisäyksen vuoksi ne ovat yleensä keltaisia. Teknologian päivityksen jälkeen timanttien korkean lämpötilan ja korkean paineen valmistus voi käyttää lämpötilagradienttimenetelmää suurten hiukkasten korkealaatuisten timanttiyksittäisien tuottamiseen, mikä toteuttaa timanttiteollisuuden hiomalaadun muuttumisen jalokivilajiksi.

Kuva 4 Timanttimorfologia

Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD) on suosituin menetelmä timanttikalvojen syntetisoinnissa. Päämenetelmiä ovat kuumafilamenttikemiallinen höyrypinnoitus (HFCVD) jaMikroaaltoplasmakemiallinen höyrypinnoitus (MPCVD).

(1) Kuumien filamenttien kemiallinen höyrypinnoitus

HFCVD:n perusperiaate on törmätä reaktiokaasu korkean lämpötilan metallilangan kanssa tyhjiökammiossa useiden erittäin aktiivisten "varautumattomien" ryhmien muodostamiseksi. Syntyneet hiiliatomit kerrostuvat substraattimateriaalille nanotimanttien muodostamiseksi. Laitteet ovat yksinkertaisia ​​käyttää, niiden kasvukustannukset ovat alhaiset, niitä käytetään laajalti ja se on helppo saavuttaa teolliseen tuotantoon. Alhaisen lämpöhajoamistehokkuuden ja filamentin ja elektrodin vakavan metalliatomikontaminaation vuoksi HFCVD:tä käytetään yleensä vain monikiteisten timanttikalvojen valmistukseen, jotka sisältävät suuren määrän sp2-faasihiilen epäpuhtauksia raerajalla, joten se on yleensä harmaanmusta. .

Kuva 5 (a) HFCVD-laitteistokaavio, (b) tyhjökammion rakennekaavio

(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 fokusoitu sähkömagneettinen kenttä hajottaa reaktiokaasut metaanin ja vedyn tässä muodostaen vakaan plasmapallon. Elektronirikkaat, ionirikkaat ja aktiiviset atomiryhmät muodostuvat ja kasvavat substraatilla sopivassa lämpötilassa ja paineessa, mikä aiheuttaa homoepitaksiaalista kasvua hitaasti. HFCVD:hen verrattuna se välttää kuuman metallilangan haihtumisen aiheuttaman timanttikalvon saastumisen ja lisää nanotimanttikalvon puhtautta. Prosessissa voidaan käyttää enemmän reaktiokaasuja kuin HFCVD, ja kerrostuneet timanttiyksittäiset kiteet ovat puhtaampia kuin luonnontimantit. Siksi voidaan valmistaa optisen luokan timantti-monikiteisiä ikkunoita, elektronisen luokan timanttiyksikiteitä jne.

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. 

Mitä tulee akateemisiin saavutuksiin CVD-timanttien alalla, Yhdysvaltojen, Japanin ja Euroopan tutkimus on johtavassa asemassa, ja kotimaassani on suhteellisen vähän alkuperäistä tutkimusta. "13. viisivuotissuunnitelman" keskeisen tutkimuksen ja kehityksen tuella kotimaiset liitetyt epitaksiaaliset suurikokoiset timanttiyksikiteet ovat nousseet maailman ensiluokkaiseen asemaan. Heterogeenisten epitaksiaalisten yksittäiskiteiden suhteen on edelleen suuri ero koko ja laatu, joka voidaan ylittää "14. viisivuotissuunnitelmassa".

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 timanttipuolijohteet kohtaavat tällä hetkellä kehitysvaikeuksia, niitä pidetään edelleen lupaavimpana materiaalina seuraavan sukupolven suuritehoisten, korkeataajuisten, korkean lämpötilan ja pienitehoisten häviöelektroniikkalaitteiden valmistuksessa. Tällä hetkellä kuumimmat puolijohteet ovat piikarbidin käytössä. Piikarbidin rakenne on timantti, mutta puolet sen atomeista on hiiltä. Siksi sitä voidaan pitää puolikkaana timanttina. Piikarbidin pitäisi olla siirtymätuote piikiteiden aikakaudelta timanttipuolijohteiden 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 edistyksellisiä ratkaisuja erilaisiin puolijohdeteollisuuden pinnoitetuotteisiin.

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

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Sähköposti: anny@veteksemi.com