Deimantas - būsima puslaidininkių žvaigždė

Sparčiai tobulėjant mokslui ir technologijoms bei didėjant pasaulinei didelio našumo ir didelio efektyvumo puslaidininkinių įtaisų paklausai, puslaidininkių substratų medžiagos, kaip pagrindinė techninė puslaidininkių pramonės grandinės grandis, tampa vis svarbesnė. Tarp jų deimantas, kaip potenciali ketvirtos kartos „galutinė puslaidininkinė“ medžiaga, dėl puikių fizinių ir cheminių savybių pamažu tampa mokslinių tyrimų tašku ir nauju rinkos favoritu puslaidininkinių substratų medžiagų srityje.

Deimantų savybės

Deimantas yra tipiškas atominis kristalas ir kovalentinio ryšio kristalas. Kristalų struktūra parodyta 1(a) paveiksle. Jį sudaro vidurinis anglies atomas, sujungtas su kitais trimis anglies atomais kovalentinio ryšio forma. 1(b) paveiksle yra vienetinės ląstelės struktūra, atspindinti deimantų mikroskopinį periodiškumą ir struktūrinę simetriją.

1 paveikslas deimantinis (a) kristalų struktūra; b) Vieneto ląstelių struktūra

Deimantas yra kiečiausia medžiaga pasaulyje, pasižyminti unikaliomis fizinėmis ir cheminėmis savybėmis bei puikiomis mechanikos, elektros ir optikos savybėmis, kaip parodyta 2 paveiksle: Deimantas pasižymi itin dideliu kietumu ir atsparumu dilimui, tinka medžiagoms pjauti, įduboms ir kt. ., ir gerai naudojamas abrazyviniuose įrankiuose; (2) Deimantų šilumos laidumas (2200 W/(m·K)) iš iki šiol žinomų natūralių medžiagų yra 4 kartus didesnis nei silicio karbido (SiC), 13 kartų didesnis nei silicio (Si), 43 kartus didesnis nei galio arsenido (GaAs) ir 4–5 kartus daugiau nei vario ir sidabro, ir naudojamas didelės galios įrenginiuose. Jis pasižymi puikiomis savybėmis, tokiomis kaip mažas šiluminio plėtimosi koeficientas (0,8×10-6-1,5×10).^-6K^-1) ir aukštas elastinis modulis. Tai puiki elektroninė pakavimo medžiaga, turinti gerų perspektyvų. 

Skylės mobilumas yra 4500 cm2·V^-1· S^-1, o elektronų judrumas lygus 3800 cm2·V^-1· S^-1, todėl jis yra pritaikytas didelės spartos perjungimo įtaisams; Lauko stiprumas yra 13mV/cm, kurį galima pritaikyti aukštos įtampos įrenginiams; „Baliga“ nuopelnų skaičius yra net 24664, kuris yra daug didesnis nei kitų medžiagų (kuo didesnė vertė, tuo didesnė galimybė naudoti perjungimo įtaisus). 

Polikristalinis deimantas taip pat turi dekoratyvinį efektą. Deimantinė danga turi ne tik blykstės efektą, bet ir įvairių spalvų. Jis naudojamas gaminant aukščiausios klasės laikrodžius, dekoratyvines prabangos prekių dangas ir tiesiogiai kaip mados gaminys. Deimanto stiprumas ir kietumas yra 6 kartus ir 10 kartų didesnis nei Corning stiklo, todėl jis taip pat naudojamas mobiliųjų telefonų ekranuose ir fotoaparatų objektyvuose.

2 pav. Deimantų ir kitų puslaidininkinių medžiagų savybės

Deimantų paruošimas

Deimantų auginimas daugiausia skirstomas į HTHP metodą (aukštos temperatūros ir aukšto slėgio metodas) irCVD metodas (cheminio garų nusėdimo metodas). CVD metodas tapo pagrindiniu deimantinių puslaidininkinių substratų paruošimo metodu dėl savo pranašumų, tokių kaip atsparumas aukštam slėgiui, didelis radijo dažnis, maža kaina ir atsparumas aukštai temperatūrai. Abu augimo metodai orientuoti į skirtingas programas ir ateityje jie bus vienas kitą papildantys.

Aukštos temperatūros ir aukšto slėgio metodas (HTHP) yra grafito šerdies kolonėlės gamyba sumaišant grafito miltelius, metalo katalizatoriaus miltelius ir priedus žaliavos formulėje nurodyta proporcija, o po to granuliuojama, statinis presavimas, vakuuminis redukavimas, tikrinimas, svėrimas. ir kitus procesus. Tada grafito šerdies kolonėlė surenkama su kompozitiniu bloku, pagalbinėmis dalimis ir kitomis sandariomis slėgio perdavimo terpėmis, kad būtų suformuotas sintetinis blokas, kuris gali būti naudojamas deimantų pavieniams kristalams sintetinti. Po to jis dedamas į šešiapusį viršutinį presą šildymui ir slėgiui ir ilgą laiką palaikomas pastovus. Pasibaigus kristalų augimui, šiluma sustabdoma ir slėgis išleidžiamas, o sandari slėgio perdavimo terpė pašalinama, kad būtų gauta sintetinė kolonėlė, kuri vėliau išvaloma ir rūšiuojama, kad būtų gauti deimantiniai pavieniai kristalai.

3 pav. Šešiapusio viršutinio preso konstrukcijos schema

Dėl metalo katalizatorių naudojimo deimantinės dalelės, paruoštos pramoniniu HTHP metodu, dažnai turi tam tikrų priemaišų ir defektų, o dėl azoto pridėjimo jos paprastai turi geltoną atspalvį. Po technologijos atnaujinimo aukšta temperatūra ir aukšto slėgio deimantų paruošimas gali naudoti temperatūros gradiento metodą didelės dalelės aukštos kokybės deimantų pavieniams kristalams gaminti, realizuodamas deimantų pramoninio abrazyvinio lygio transformaciją į GEM laipsnį.

4 pav. Deimantų morfologija

Cheminis garų nusėdimas (CVD) yra populiariausias būdas sintetinti deimantų plėveles. Pagrindiniai metodai apima karšto siūlelio cheminio garų nusėdimą (HFCVD) irMikrobangų plazmos cheminis garų nusėdimas (MPCVD).

(1) Karšto gijų cheminis nusodinimas garais

Pagrindinis HFCVD principas yra susidurti su reakcijos dujomis su aukštos temperatūros metaline viela vakuume kameroje, kad būtų sukurta įvairių labai aktyvių „neįkrautų“ grupių. Generuoti anglies atomai nusėda ant substrato medžiagos, kad susidarytų nanodiamandai. Įranga yra paprasta eksploatuoti, jos augimo sąnaudos yra mažos, yra plačiai naudojama ir lengvai pasiekiama pramoninė gamyba. Dėl mažo šiluminio skilimo efektyvumo ir rimto metalo atomo užteršimo iš siūlelio ir elektrodo, HFCVD paprastai naudojamas tik polikristalinėms deimantinėms plėvelėms, kuriose yra didelis SP2 fazių anglies priemaišų kiekis grūdų riboje, paruošti, taigi paprastai ji yra pilka juoda spalva. .

5 pav. a) HFCVD įrangos schema, b) vakuuminės kameros struktūros diagrama

(2) Mikrobangų plazmos cheminio garų nusėdimas

MPCVD metodas naudoja magnetrono arba kietojo kūno šaltinį, kad būtų galima generuoti specifinio dažnio mikrobangas, kurie įplaukiami į reakcijos kamerą per bangolaidį ir sudaro stabilias stovinčias bangas virš substrato pagal specialius reakcijos kameros geometrinius matmenis. 

Labai sufokusuotas elektromagnetinis laukas suskaido reakcijos dujas metaną ir vandenilį čia, kad susidarytų stabilus plazmos rutulys. Turtingos elektronų, jonų ir aktyvių atominių grupių branduolys ir augs ant substrato esant tinkamoje temperatūroje ir slėgyje, todėl lėtai sukels homoepitaksinį augimą. Palyginti su HFCVD, jis išvengia deimantinės plėvelės užteršimo, kurį sukelia karšto metalo vielos išgarinimas, ir padidina nanodiamondos grynumą. Proceso metu gali būti naudojama daugiau reakcijų dujų nei HFCVD, o nusodinti deimantiniai pavieniai kristalai yra grynesni nei natūralūs deimantai. Todėl gali būti paruošti optinio lygio deimantiniai polikristaliniai langai, elektroninio lygio deimantų pavieniai kristalai ir kt.

6 pav. Vidinė MPCVD struktūra

Deimanto plėtra ir dilema

Nuo tada, kai pirmasis dirbtinis deimantas buvo sėkmingai sukurtas 1963 m., po daugiau nei 60 metų plėtros, mano šalis tapo šalimi, gaminančia didžiausią dirbtinių deimantų produkciją pasaulyje, kuri sudaro daugiau nei 90 % pasaulio. Tačiau Kinijos deimantai daugiausia koncentruojami žemos ir vidutinės klasės naudojimo rinkose, tokiose kaip abrazyvinis šlifavimas, optika, nuotekų valymas ir kitose srityse. Naminių deimantų kūrimas yra didelis, bet ne stiprus, ir jis yra nepalankioje padėtyje daugelyje sričių, pavyzdžiui, aukščiausios klasės įrangos ir elektroninių medžiagų. 

Kalbant apie akademinius pasiekimus CVD deimantų srityje, JAV, Japonijos ir Europos tyrimuose yra pagrindinėje padėtyje, o mano šalyje yra palyginti nedaug tyrimų. Remiant pagrindinius „13-ojo penkerių metų plano“ tyrimus ir plėtrą, vidaus suskirstytas epitaksinis didelio dydžio deimantų pavieniai kristalai pateko į pasaulio pirmosios klasės poziciją. Kalbant apie nevienalyčius epitaksinius pavienius kristalus, vis dar yra didelis tarpas ir kokybė, kuri gali būti pranokta „14-ojo penkerių metų plane“.

Tyrėjai iš viso pasaulio atliko nuodugnius deimantų augimo, dopingo ir prietaisų surinkimo tyrimus, siekdami realizuoti deimantų pritaikymą optoelektroniniuose įrenginiuose ir patenkinti žmonių lūkesčius deimantams kaip daugiafunkcinei medžiagai. Tačiau deimantų juostos tarpas yra net 5,4 eV. Jo p tipo laidumą galima pasiekti naudojant boro legiravimą, tačiau labai sunku gauti n tipo laidumą. Įvairių šalių mokslininkai sumaišė priemaišas, tokias kaip azotas, fosforas ir siera, į monokristalinį arba polikristalinį deimantą, pakeisdami anglies atomus grotelėje. Tačiau dėl gilaus donoro energijos lygio ar priemaišų jonizacijos sunkumų nebuvo gautas geras n tipo laidumas, o tai labai riboja deimantų pagrindu pagamintų elektroninių prietaisų tyrimus ir pritaikymą. 

Tuo pačiu metu didelius kiekius sunku paruošti dideliais kiekiais, pavyzdžiui, vieno krištolo silicio vafliais, tai yra dar vienas sunkumas kuriant deimantų puslaidininkių prietaisus. Aukščiau pateiktos dvi problemos rodo, kad esamą puslaidininkio dopingo ir prietaisų kūrimo teoriją sunku išspręsti deimantinio N tipo dopingo ir prietaisų surinkimo problemas. Būtina ieškoti kitų dopingo metodų ir dopantų ar net sukurti naujus dopingo ir prietaisų kūrimo principus.

Per didelės kainos taip pat riboja deimantų vystymąsi. Palyginti su silicio kaina, silicio karbido kaina yra 30–40 kartų didesnė nei silicio, galio nitrido kaina yra 650–1300 kartų didesnė nei silicio, o sintetinių deimantų medžiagų kaina yra maždaug 10 000 kartų didesnė nei silicio. Per didelė kaina riboja deimantų kūrimą ir pritaikymą. Kaip sumažinti išlaidas yra proveržio taškas norint įveikti plėtros dilemą.

Perspektyva

Nors šiuo metu deimantiniai puslaidininkiai susiduria su sunkumais kuriant, jie vis dar laikomi perspektyviausia medžiaga ruošiant naujos kartos didelės galios, aukšto dažnio, aukštos temperatūros ir mažos galios nuostolių elektroninius prietaisus. Šiuo metu karščiausius puslaidininkius užima silicio karbidas. Silicio karbidas turi deimanto struktūrą, tačiau pusė jo atomų yra anglis. Todėl jį galima laikyti puse deimanto. Silicio karbidas turėtų būti pereinamasis produktas nuo silicio kristalų eros iki deimantų puslaidininkių eros.

Frazė „Deimantai yra amžinai, o vienas deimantas išlieka amžinai“ išgarsino De Beers vardą iki šių dienų. Deimantiniams puslaidininkiams, norint sukurti kitokią šlovę, gali prireikti nuolatinio ir nuolatinio tyrinėjimo.

„Vetek Semiconductor“ yra profesionalus kinų gamintojasTantalo karbido danga, Silicio karbido danga, GaN produktai,Specialus grafitas, Silicio karbido keramikairKita puslaidininkinė keramika. „VeTek Semiconductor“ yra įsipareigojusi teikti pažangius sprendimus įvairiems puslaidininkių pramonės dangos produktams.

Jei turite kokių nors klausimų ar reikia papildomos informacijos, nedvejodami susisiekite su mumis.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

paštas: anny@veteksemi.com