Diamond - Ang Hinaharap na Bituin ng Semiconductors

Sa mabilis na pag-unlad ng agham at teknolohiya at ang lumalaking pandaigdigang pangangailangan para sa mataas na pagganap at mataas na kahusayan na mga aparatong semiconductor, ang mga materyal na substrate ng semiconductor, bilang isang pangunahing teknikal na link sa kadena ng industriya ng semiconductor, ay nagiging lalong mahalaga. Kabilang sa mga ito, ang brilyante, bilang isang potensyal na materyal na "ultimate semiconductor" na pang-apat na henerasyon, ay unti-unting nagiging isang research hotspot at isang bagong paborito sa merkado sa larangan ng mga semiconductor substrate na materyales dahil sa mahusay na pisikal at kemikal na mga katangian nito.

Mga katangian ng brilyante

Ang brilyante ay isang tipikal na atomic crystal at covalent bond crystal. Ang istraktura ng kristal ay ipinapakita sa Figure 1(a). Binubuo ito ng gitnang carbon atom na nakagapos sa iba pang tatlong carbon atoms sa anyo ng isang covalent bond. Ang Figure 1(b) ay ang unit cell structure, na sumasalamin sa microscopic periodicity at structural symmetry ng brilyante.

Figure 1 Diamond (a) kristal na istraktura; (b) istraktura ng yunit ng cell

Ang Diamond ay ang pinakamahirap na materyal sa mundo, na may natatanging pisikal at kemikal na mga katangian, at mahusay na mga katangian sa mga mekanika, kuryente at optika, tulad ng ipinapakita sa Larawan 2: Ang Diamond ay may ultra-mataas na katigasan at paglaban sa pagsusuot, na angkop para sa pagputol ng mga materyales at indenters, atbp ., at mahusay na ginagamit sa mga nakasasakit na tool; ) Gallium arsenide (GAAs), at 4 hanggang 5 beses na mas malaki kaysa sa tanso at pilak, at ginagamit sa mga aparato na may mataas na kapangyarihan. Ito ay may mahusay na mga katangian tulad ng mababang thermal pagpapalawak ng koepisyent (0.8 × 10-6-1.5 × 10^-6K^-1) at mataas na nababanat na modulus. Ito ay isang mahusay na elektronikong materyal na packaging na may mahusay na mga prospect. 

Ang kadaliang kumilos ng butas ay 4500 cm2 · v^-1· S^-1, at ang electron mobility ay 3800 cm2·V^-1· S^-1, na ginagawang naaangkop ito sa mga high-speed switching device; ang lakas ng breakdown field ay 13MV/cm, na maaaring ilapat sa mga high-voltage device; ang Baliga figure of merit ay kasing taas ng 24664, na mas mataas kaysa sa iba pang mga materyales (mas malaki ang halaga, mas malaki ang potensyal para sa paggamit sa mga switching device). 

Ang Polycrystalline Diamond ay mayroon ding pandekorasyon na epekto. Ang patong ng brilyante ay hindi lamang may isang epekto ng flash ngunit mayroon ding iba't ibang mga kulay. Ginagamit ito sa paggawa ng mga high-end na relo, pandekorasyon na coatings para sa mga mamahaling kalakal, at direkta bilang isang produkto ng fashion. Ang lakas at tigas ng brilyante ay 6 beses at 10 beses na ng corning glass, kaya ginagamit din ito sa mga pagpapakita ng mobile phone at mga lente ng camera.

Figure 2 Mga katangian ng brilyante at iba pang materyal na semiconductor

Paghahanda ng brilyante

Ang paglaki ng brilyante ay pangunahing nahahati sa pamamaraan ng HTHP (mataas na temperatura at mataas na paraan ng presyon) atParaan ng CVD (Paraan ng Pag -aalis ng Kemikal na Pag -aalis). Ang pamamaraan ng CVD ay naging pangunahing pamamaraan para sa paghahanda ng mga substrate ng semiconductor ng brilyante dahil sa mga pakinabang nito tulad ng mataas na paglaban sa presyon, malaking dalas ng radyo, mababang gastos, at mataas na paglaban sa temperatura. Ang dalawang pamamaraan ng paglago ay nakatuon sa iba't ibang mga aplikasyon, at magpapakita sila ng isang pantulong na relasyon sa loob ng mahabang panahon sa hinaharap.

Ang mataas na temperatura at mataas na paraan ng presyon (HTHP) ay gumawa ng isang haligi ng grapiko core sa pamamagitan ng paghahalo ng grapayt na pulbos, metal catalyst powder at additives sa proporsyon na tinukoy ng hilaw na formula ng materyal, at pagkatapos ay pag -granulate, static na pagpindot, pagbawas ng vacuum, inspeksyon, pagtimbang at iba pang mga proseso. Ang haligi ng Graphite Core ay pagkatapos ay tipunin kasama ang composite block, mga bahagi ng pantulong at iba pang selyadong presyon ng paghahatid ng presyon upang makabuo ng isang synthetic block na maaaring magamit upang synthesize ang mga solong kristal. Pagkatapos nito, inilalagay ito sa isang anim na panig na tuktok na pindutin para sa pag-init at presyurisasyon at patuloy na patuloy sa loob ng mahabang panahon. Matapos makumpleto ang paglaki ng kristal, ang init ay tumigil at ang presyon ay pinakawalan, at ang selyadong daluyan ng paghahatid ng presyon ay tinanggal upang makuha ang haligi ng synthetic, na pagkatapos ay nalinis at pinagsunod -sunod upang makakuha ng mga solong kristal.

Figure 3 Structure diagram ng six-sided top press

Dahil sa paggamit ng mga metal catalyst, ang mga particle ng brilyante na inihanda ng pang-industriyang pamamaraan ng HTHP ay kadalasang naglalaman ng ilang mga impurities at depekto, at dahil sa pagdaragdag ng nitrogen, kadalasan ay may dilaw na kulay ang mga ito. Pagkatapos ng pag-upgrade ng teknolohiya, ang mataas na temperatura at mataas na presyur na paghahanda ng mga diamante ay maaaring gumamit ng paraan ng gradient ng temperatura upang makabuo ng malalaking-particle na mataas ang kalidad na mga solong kristal, na napagtatanto ang pagbabago ng brilyante na pang-industriyang nakasasakit na grado sa grado ng hiyas.

Larawan 4 Diamond morphology

Ang Chemical Vapor Deposition (CVD) ay ang pinakapopular na pamamaraan para sa synthesizing films ng brilyante. Ang mga pangunahing pamamaraan ay may kasamang mainit na pag -aalis ng singaw ng kemikal na filament (HFCVD) atmicrowave plasma chemical vapor deposition (MPCVD).

(1) Mainit na pag -aalis ng singaw ng kemikal ng filament

Ang pangunahing prinsipyo ng HFCVD ay ang banggain ang reaksyong gas na may mataas na temperatura na metal wire sa isang vacuum chamber upang makabuo ng iba't ibang aktibong "hindi nakakarga" na mga grupo. Ang nabuong carbon atoms ay idineposito sa substrate na materyal upang bumuo ng mga nanodiamonds. Ang kagamitan ay simpleng patakbuhin, may mababang gastos sa paglago, malawakang ginagamit, at madaling makamit ang pang-industriyang produksyon. Dahil sa mababang kahusayan ng thermal decomposition at ang malubhang kontaminasyon ng metal atom mula sa filament at elektrod, ang HFCVD ay kadalasang ginagamit lamang upang maghanda ng mga polycrystalline diamond film na naglalaman ng malaking halaga ng sp2 phase carbon impurities sa hangganan ng butil, kaya sa pangkalahatan ay kulay abo-itim. .

Larawan 5 (a) diagram ng kagamitan sa HFCVD, (b) diagram ng istraktura ng silid ng vacuum

(2) Microwave plasma chemical vapor deposition

Ang pamamaraan ng MPCVD ay gumagamit ng magnetron o solid-state na mapagkukunan upang makabuo ng mga microwaves ng tiyak na dalas, na pinapakain sa silid ng reaksyon sa pamamagitan ng waveguide, at bumubuo ng matatag na nakatayo na alon sa itaas ng substrate ayon sa espesyal na geometric na sukat ng silid ng reaksyon. 

Ang mataas na nakatutok na electromagnetic field ay sumisira sa mga reaksyong gas na methane at hydrogen dito upang bumuo ng isang matatag na bola ng plasma. Ang mayaman sa elektron, mayaman sa ion, at aktibong mga atomic na grupo ay mag-nucleate at lalago sa substrate sa naaangkop na temperatura at presyon, na magdudulot ng mabagal na paglaki ng homoepitaxial. Kung ikukumpara sa HFCVD, iniiwasan nito ang kontaminasyon ng diamond film na dulot ng mainit na metal wire evaporation at pinatataas ang kadalisayan ng nanodiamond film. Higit pang mga reaksyong gas ang maaaring gamitin sa proseso kaysa sa HFCVD, at ang idinepositong brilyante na nag-iisang kristal ay mas dalisay kaysa sa natural na mga diamante. Samakatuwid, maaaring ihanda ang optical-grade diamond polycrystalline windows, electronic-grade diamond single crystals, atbp.

Larawan 6 Panloob na istraktura ng MPCVD

Pag-unlad at dilemma ng brilyante

Dahil ang unang artipisyal na brilyante ay matagumpay na binuo noong 1963, pagkatapos ng higit sa 60 taon ng pag-unlad, ang aking bansa ay naging bansa na may pinakamalaking output ng artipisyal na brilyante sa mundo, na nagkakahalaga ng higit sa 90% ng mundo. Gayunpaman, ang mga diamante ng China ay pangunahing nakakonsentra sa mga low-end at medium-end na merkado ng aplikasyon, tulad ng abrasive grinding, optika, sewage treatment at iba pang larangan. Ang pagbuo ng mga domestic diamante ay malaki ngunit hindi malakas, at ito ay nasa isang disbentaha sa maraming larangan tulad ng mga high-end na kagamitan at electronic-grade na materyales. 

Sa mga tuntunin ng mga akademikong tagumpay sa larangan ng CVD diamante, ang pananaliksik sa Estados Unidos, Japan at Europa ay nasa nangungunang posisyon, at medyo kakaunti ang orihinal na pananaliksik sa aking bansa. Sa suporta ng pangunahing pananaliksik at pagpapaunlad ng "13th Five-Year Plan", ang domestic spliced ​​epitaxial large-size diamond single crystals ay lumukso sa first-class na posisyon sa mundo. Sa mga tuntunin ng heterogenous epitaxial single crystals, mayroon pa ring malaking agwat sa laki at kalidad, na maaaring malampasan sa "14th Five-Year Plan".

Ang mga mananaliksik mula sa buong mundo ay nagsagawa ng malalim na pananaliksik sa paglago, doping, at device assembly ng mga diamante upang mapagtanto ang paggamit ng mga diamante sa mga optoelectronic na aparato at matugunan ang mga inaasahan ng mga tao para sa mga diamante bilang isang multifunctional na materyal. Gayunpaman, ang band gap ng brilyante ay kasing taas ng 5.4 eV. Ang p-type na conductivity nito ay maaaring makamit sa pamamagitan ng boron doping, ngunit napakahirap makakuha ng n-type na conductivity. Ang mga mananaliksik mula sa iba't ibang bansa ay nag-doped ng mga impurities tulad ng nitrogen, phosphorus, at sulfur sa isang kristal o polycrystalline na brilyante sa anyo ng pagpapalit ng mga carbon atom sa sala-sala. Gayunpaman, dahil sa malalim na antas ng enerhiya ng donor o kahirapan sa ionization ng mga impurities, hindi nakuha ang magandang n-type na kondaktibiti, na lubos na naglilimita sa pananaliksik at aplikasyon ng mga elektronikong aparato na nakabatay sa diyamante. 

Kasabay nito, mahirap ihanda ang isang malaking kristal na brilyante sa malalaking dami tulad ng mga single crystal na silicon na wafer, na isa pang kahirapan sa pagbuo ng mga aparatong semiconductor na nakabatay sa brilyante. Ang dalawang problema sa itaas ay nagpapakita na ang umiiral na semiconductor doping at device development theory ay mahirap lutasin ang mga problema ng diamond n-type doping at device assembly. Kinakailangang maghanap ng iba pang mga pamamaraan ng doping at dopant, o kahit na bumuo ng mga bagong prinsipyo ng doping at pagbuo ng device.

Ang labis na mataas na presyo ay naglilimita rin sa pag -unlad ng mga diamante. Kung ikukumpara sa presyo ng silikon, ang presyo ng silikon na karbida ay 30-40 beses na ng silikon, ang presyo ng gallium nitride ay 650-1300 beses na ng silikon, at ang presyo ng mga sintetikong materyal na brilyante ay halos 10,000 beses na ng silikon. Masyadong mataas ang isang presyo ay naglilimita sa pag -unlad at aplikasyon ng mga diamante. Paano mabawasan ang mga gastos ay isang punto ng pambihirang tagumpay upang masira ang dilemma ng pag -unlad.

Outlook

Bagaman ang mga semiconductors ng brilyante ay kasalukuyang nahaharap sa mga paghihirap sa pag-unlad, itinuturing pa rin silang pinaka-promising na materyal para sa paghahanda ng susunod na henerasyon ng high-power, high-frequency, high-temperatura at mababang-kapangyarihan na pagkawala ng mga elektronikong aparato. Sa kasalukuyan, ang pinakamainit na semiconductors ay inookupahan ng silikon na karbida. Ang Silicon Carbide ay may istraktura ng brilyante, ngunit ang kalahati ng mga atoms nito ay carbon. Samakatuwid, maaari itong ituring na kalahati ng isang brilyante. Ang Silicon Carbide ay dapat na isang transisyonal na produkto mula sa panahon ng silikon na kristal hanggang sa panahon ng semiconductor ng brilyante.

Ang pariralang "Mga diamante ay magpakailanman, at ang isang diyamante ay tumatagal magpakailanman" ang naging tanyag sa pangalan ng De Beers hanggang ngayon. Para sa mga semiconductor ng brilyante, ang paglikha ng isa pang uri ng kaluwalhatian ay maaaring mangailangan ng permanenteng at tuluy-tuloy na paggalugad.

Ang VeTek Semiconductor ay isang propesyonal na tagagawa ng Tsino ngTantalum Carbide Coating, Silicon Carbide Coating, Mga produktong gan,Espesyal na Graphite, Silicon Carbide CeramicsatIba pang Semiconductor Ceramics. Ang Vetek Semiconductor ay nakatuon sa pagbibigay ng mga advanced na solusyon para sa iba't ibang mga produkto ng patong para sa industriya ng semiconductor.

Kung mayroon kang anumang mga katanungan o nangangailangan ng karagdagang mga detalye, mangyaring huwag mag -atubiling makipag -ugnay sa amin.

Mob/WhatsApp: +86-180 6922 0752

Email: anny@veteksemi.com