Diamante - a futura estrela dos semicondutores

Com o rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia e a crescente procura global por dispositivos semicondutores de alto desempenho e alta eficiência, os materiais de substrato semicondutor, como um elo técnico fundamental na cadeia da indústria de semicondutores, estão a tornar-se cada vez mais importantes. Entre eles, o diamante, como potencial material "semicondutor final" de quarta geração, está gradualmente se tornando um ponto importante de pesquisa e um novo favorito de mercado na área de materiais de substrato semicondutores devido às suas excelentes propriedades físicas e químicas.

Propriedades do diamante

O diamante é um cristal de cristal atômico típico e um cristal de ligação covalente. A estrutura cristalina é mostrada na Figura 1 (a). Consiste no átomo de carbono médio ligado aos outros três átomos de carbono na forma de uma ligação covalente. A Figura 1 (b) é a estrutura da célula unitária, que reflete a periodicidade microscópica e a simetria estrutural do diamante.

Figura 1 Diamante (a) estrutura cristalina; (b) estrutura de célula unitária

O diamante é o material mais duro do mundo, com propriedades físicas e químicas únicas e excelentes propriedades em mecânica, eletricidade e óptica, conforme mostrado na Figura 2: O diamante possui dureza ultra-alta e resistência ao desgaste, adequado para cortar materiais e penetradores, etc. ., e é bem utilizado em ferramentas abrasivas; (2) O diamante tem a maior condutividade térmica (2200W/(M · k)) entre substâncias naturais conhecidas até o momento, que é 4 vezes maior que o carboneto de silício (sic), 13 vezes maior que o silício (SI), 43 vezes maior que Arseneto de gálio (GAAs) e 4 a 5 vezes maior que o cobre e a prata e é usado em dispositivos de alta potência. Possui excelentes propriedades, como o baixo coeficiente de expansão térmica (0,8 × 10-6-1,5 × 10^-6K^-1) e alto módulo elástico. É um excelente material de embalagem eletrônica com boas perspectivas. 

A mobilidade do furo é de 4500 cm2·V^-1· S^-1, e a mobilidade do elétron é 3800 cm2·V^-1· S^-1, o que o torna aplicável a dispositivos de comutação de alta velocidade; a intensidade do campo de ruptura é de 13MV/cm, que pode ser aplicada a dispositivos de alta tensão; o valor de mérito Baliga chega a 24.664, que é muito maior do que outros materiais (quanto maior o valor, maior o potencial para uso em dispositivos de comutação). 

O diamante policristalino também tem efeito decorativo. O revestimento de diamante não só tem um efeito flash, mas também uma variedade de cores. É utilizado na fabricação de relógios de alta qualidade, revestimentos decorativos para produtos de luxo e diretamente como produto de moda. A resistência e a dureza do diamante são 6 vezes e 10 vezes maiores que as do vidro Corning, por isso também é usado em telas de telefones celulares e lentes de câmeras.

Figura 2 Propriedades de diamante e outros materiais semicondutores

Preparação de diamante

O crescimento do diamante é dividido principalmente em método HTHP (método de alta temperatura e alta pressão) eMétodo CVD (método de deposição de vapor químico). O método CVD tornou-se o método convencional para a preparação de substratos semicondutores de diamante devido às suas vantagens, como resistência a alta pressão, grande radiofrequência, baixo custo e resistência a altas temperaturas. Os dois métodos de crescimento concentram-se em aplicações diferentes e mostrarão uma relação complementar por muito tempo no futuro.

O método de alta temperatura e alta pressão (HTHP) é fazer uma coluna de núcleo de grafite misturando pó de grafite, catalisador de metal e aditivos na proporção especificada pela fórmula da matéria -prima e, em seguida, prensagem estática, redução de vácuo, inspeção, pesagem e outros processos. A coluna do núcleo de grafite é então montada com o bloco composto, peças auxiliares e outros meios de transmissão de pressão selados para formar um bloco sintético que pode ser usado para sintetizar cristais únicos de diamante. Depois disso, é colocado em uma prensa superior de seis lados para aquecimento e pressurização e mantida constante por um longo tempo. Após a conclusão do crescimento do cristal, o calor é interrompido e a pressão é liberada e o meio de transmissão de pressão selado é removido para obter a coluna sintética, que é então purificada e classificada para obter cristais únicos de diamante.

Figura 3 Diagrama de estrutura da imprensa superior de seis lados

Devido ao uso de catalisadores de metal, as partículas de diamante preparadas pelo método HTHP industrial geralmente contêm certas impurezas e defeitos e, devido à adição de nitrogênio, eles geralmente têm um tom amarelo. Após a atualização da tecnologia, a alta temperatura e a alta pressão da preparação de diamantes podem usar o método de gradiente de temperatura para produzir cristais únicos de diamante de alta qualidade de partículas de grande parte, percebendo a transformação do grau abrasivo industrial de diamante em Gem Grade.

Figura 4 Morfologia de diamante

A deposição de vapor químico (DCV) é o método mais popular para sintetizar filmes de diamante. Os principais métodos incluem a deposição de vapor químico de filamento quente (HFCVD) edeposição química de vapor por plasma de microondas (MPCVD).

(1) Deposição de vapor químico de filamento quente

O princípio básico do HFCVD é colidir o gás de reação com um fio de metal de alta temperatura em uma câmara de vácuo para gerar uma variedade de grupos "não carregados" altamente ativos. Os átomos de carbono gerados são depositados no material do substrato para formar nanodiamantes. O equipamento é simples de operar, tem baixo custo de crescimento, é amplamente utilizado e é fácil de obter a produção industrial. Devido à baixa eficiência da decomposição térmica e à contaminação grave de átomos de metal do filamento e do eletrodo, o HFCVD geralmente é usado apenas para preparar filmes de diamante policristalino contendo uma grande quantidade de impurezas de carbono de fase sp2 no limite de grãos, por isso geralmente é cinza-preto .

Figura 5 (a) Diagrama de equipamentos HFCVD, (b) Diagrama da estrutura da câmara de vácuo

(2) Deposição química de vapor de plasma de microondas

O método MPCVD usa a fonte magnetron ou de estado sólido para gerar microondas de frequência específica, que são alimentadas na câmara de reação através do guia de ondas, e formam ondas estáveis ​​em pé acima do substrato de acordo com as dimensões geométricas especiais da câmara de reação. 

O campo eletromagnético altamente focado decompõe os gases de reação metano e hidrogênio para formar uma bola de plasma estável. Os grupos atômicos ricos em elétrons, ricos em íons e ativos irão nuclear e crescer no substrato na temperatura e pressão apropriadas, causando crescimento homoepitaxial lentamente. Comparado com o HFCVD, evita a contaminação do filme de diamante causada pela evaporação do fio metálico quente e aumenta a pureza do filme de nanodiamante. Mais gases de reação podem ser usados ​​no processo do que o HFCVD, e os monocristais de diamante depositados são mais puros que os diamantes naturais. Portanto, janelas policristalinas de diamante de grau óptico, monocristais de diamante de grau eletrônico, etc.

Figura 6 Estrutura interna do MPCVD

Desenvolvimento e dilema do diamante

Desde que o primeiro diamante artificial foi desenvolvido com sucesso em 1963, após mais de 60 anos de desenvolvimento, o meu país tornou-se o país com a maior produção de diamantes artificiais do mundo, representando mais de 90% do mundo. No entanto, os diamantes da China estão concentrados principalmente nos mercados de aplicações de baixo e médio porte, como retificação abrasiva, óptica, tratamento de esgoto e outros campos. O desenvolvimento dos diamantes nacionais é grande, mas não forte, e está em desvantagem em muitos campos, como equipamentos de alta qualidade e materiais de qualidade eletrônica. 

Em termos de realizações académicas no domínio dos diamantes CVD, a investigação nos Estados Unidos, Japão e Europa está numa posição de liderança, e há relativamente pouca investigação original no meu país. Com o apoio da pesquisa e desenvolvimento chave do "13º Plano Quinquenal", os monocristais de diamante de grande porte epitaxiais emendados domésticos saltaram para a posição de primeira classe do mundo. Em termos de monocristais epitaxiais heterogêneos, ainda existe uma grande lacuna em tamanho e qualidade, que pode ser superada no “14º Plano Quinquenal”.

Pesquisadores de todo o mundo realizaram pesquisas aprofundadas sobre o crescimento, o doping e a montagem de dispositivos de diamantes, a fim de realizar a aplicação de diamantes em dispositivos optoeletrônicos e atender às expectativas das pessoas para os diamantes como material multifuncional. No entanto, a lacuna da banda do diamante é tão alta quanto 5,4 eV. Sua condutividade do tipo P pode ser alcançada pela doping de boro, mas é muito difícil obter condutividade do tipo N. Pesquisadores de vários países têm impurezas dopadas, como nitrogênio, fósforo e enxofre em um único cristal ou diamante policristalino na forma de substituir átomos de carbono na treliça. No entanto, devido ao profundo nível de energia do doador ou dificuldade na ionização das impurezas, não foi obtida boa condutividade do tipo N, o que limita muito a pesquisa e a aplicação de dispositivos eletrônicos à base de diamantes. 

Ao mesmo tempo, é difícil preparar diamante de cristal único de área de grande área em grandes quantidades, como bolachas de silício de cristal único, que é outra dificuldade no desenvolvimento de dispositivos semicondutores à base de diamante. Os dois problemas acima mostram que é difícil resolver a teoria existente do semicondutor e o desenvolvimento de dispositivos de desenvolvimento de problemas de doping de diamante e montagem de dispositivos. É necessário buscar outros métodos e dopantes de doping, ou até desenvolver novos princípios de doping e desenvolvimento de dispositivos.

Preços excessivamente altos também limitam o desenvolvimento de diamantes. Comparado com o preço do silício, o preço do carboneto de silício é de 30 a 40 vezes o do silício, o preço do nitreto de gálio é de 650-1300 vezes o do silício, e o preço dos materiais de diamante sintético é aproximadamente 10.000 vezes o do silício. Um preço muito alto limita o desenvolvimento e a aplicação de diamantes. Como reduzir custos é um ponto inovador para quebrar o dilema do desenvolvimento.

Panorama

Embora os semicondutores de diamante estejam atualmente enfrentando dificuldades no desenvolvimento, eles ainda são considerados o material mais promissor para preparar a próxima geração de dispositivos eletrônicos de alta potência, alta frequência, alta temperatura e baixa potência. Atualmente, os semicondutores mais quentes são ocupados pelo carboneto de silício. O carboneto de silício tem a estrutura do diamante, mas metade de seus átomos é de carbono. Portanto, pode ser considerado meio diamante. O carboneto de silício deve ser um produto de transição da era do cristal de silício para a era dos semicondutores de diamante.

A frase "diamantes são para sempre, e um diamante dura para sempre" tornou o nome de De Beers famoso até hoje. Para os semicondutores de diamante, criar outro tipo de glória pode exigir uma exploração permanente e contínua.

VeTek Semiconductor é um fabricante chinês profissional deTantalum Carboking Coating, Revestimento de carboneto de silício, Produtos gan,Grafite especial, Cerâmica de Carboneto de SilícioeOutras cerâmicas semicondutoras. O vetek semicondutor está comprometido em fornecer soluções avançadas para vários produtos de revestimento para a indústria de semicondutores.

Se você tiver alguma dúvida ou precisar de detalhes adicionais, não hesite em entrar em contato conosco.

Mob/whatsapp: +86-180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com