Berlian - bintang masa depan semikonduktor

Dengan perkembangan pesat sains dan teknologi dan permintaan global yang semakin meningkat untuk peranti semikonduktor berprestasi tinggi dan kecekapan tinggi, bahan substrat semikonduktor, sebagai pautan teknikal utama dalam rantaian industri semikonduktor, menjadi semakin penting. Antaranya, berlian, sebagai bahan "semikonduktor muktamad" generasi keempat yang berpotensi, secara beransur-ansur menjadi tumpuan penyelidikan dan kegemaran pasaran baharu dalam bidang bahan substrat semikonduktor kerana sifat fizikal dan kimianya yang sangat baik.

Sifat berlian

Berlian adalah kristal atom biasa dan kristal ikatan kovalen. Struktur hablur ditunjukkan dalam Rajah 1(a). Ia terdiri daripada atom karbon tengah yang terikat kepada tiga atom karbon lain dalam bentuk ikatan kovalen. Rajah 1(b) ialah struktur sel unit, yang mencerminkan periodicity mikroskopik dan simetri struktur berlian.

Rajah 1 Berlian (a) struktur hablur; (b) struktur sel unit

Berlian ialah bahan yang paling sukar di dunia, dengan sifat fizikal dan kimia yang unik, dan sifat yang sangat baik dalam mekanik, elektrik dan optik, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2: Berlian mempunyai kekerasan ultra tinggi dan rintangan haus, sesuai untuk memotong bahan dan indentor, dsb. ., dan digunakan dengan baik dalam alat yang melelas; (2) Berlian mempunyai kekonduksian terma tertinggi (2200W/(m·K)) antara bahan semula jadi yang diketahui sehingga kini, iaitu 4 kali lebih besar daripada silikon karbida (SiC), 13 kali lebih besar daripada silikon (Si), 43 kali lebih besar daripada gallium arsenide (GaAs), dan 4 hingga 5 kali lebih besar daripada tembaga dan perak, dan digunakan dalam peranti berkuasa tinggi. Ia mempunyai sifat yang sangat baik seperti pekali pengembangan haba yang rendah (0.8×10-6-1.5×10^-6K^-1) dan modulus anjal tinggi. Ia adalah bahan pembungkusan elektronik yang sangat baik dengan prospek yang baik. 

Mobiliti lubang ialah 4500 cm2·V^-1·s^-1, dan mobiliti elektron ialah 3800 cm2·V^-1·s^-1, yang menjadikannya terpakai pada peranti pensuisan berkelajuan tinggi; kekuatan medan pecahan ialah 13MV/cm, yang boleh digunakan pada peranti voltan tinggi; angka merit Baliga adalah setinggi 24664, yang jauh lebih tinggi daripada bahan lain (lebih besar nilainya, lebih besar potensi untuk digunakan dalam peranti pensuisan). 

Berlian polihabluran juga mempunyai kesan hiasan. Salutan berlian bukan sahaja mempunyai kesan kilat tetapi juga mempunyai pelbagai warna. Ia digunakan dalam pembuatan jam tangan mewah, salutan hiasan untuk barangan mewah, dan secara langsung sebagai produk fesyen. Kekuatan dan kekerasan berlian adalah 6 kali ganda dan 10 kali ganda daripada kaca Corning, jadi ia juga digunakan dalam paparan telefon bimbit dan kanta kamera.

Rajah 2 Sifat berlian dan bahan semikonduktor lain

Penyediaan berlian

Pertumbuhan berlian terutamanya dibahagikan kepada kaedah HTHP (kaedah suhu tinggi dan tekanan tinggi) danKaedah CVD (kaedah pemendapan wap kimia). Kaedah CVD telah menjadi kaedah arus perdana untuk menyediakan substrat semikonduktor berlian kerana kelebihannya seperti rintangan tekanan tinggi, frekuensi radio besar, kos rendah, dan rintangan suhu tinggi. Kedua-dua kaedah pertumbuhan memberi tumpuan kepada aplikasi yang berbeza, dan ia akan menunjukkan hubungan yang saling melengkapi untuk masa yang lama pada masa hadapan.

Kaedah suhu tinggi dan tekanan tinggi (HTHP) adalah untuk membuat lajur teras grafit dengan mencampurkan serbuk grafit, serbuk pemangkin logam dan bahan tambahan dalam perkadaran yang ditentukan oleh formula bahan mentah, dan kemudian granulasi, menekan statik, pengurangan vakum, pemeriksaan, penimbangan. dan proses lain. Lajur teras grafit kemudiannya dipasang dengan blok komposit, bahagian tambahan dan media penghantaran tekanan tertutup lain untuk membentuk blok sintetik yang boleh digunakan untuk mensintesis kristal tunggal berlian. Selepas itu, ia diletakkan dalam penekan atas enam sisi untuk pemanasan dan tekanan dan disimpan malar untuk masa yang lama. Selepas pertumbuhan kristal selesai, haba dihentikan dan tekanan dilepaskan, dan medium penghantaran tekanan tertutup dikeluarkan untuk mendapatkan lajur sintetik, yang kemudiannya disucikan dan diisih untuk mendapatkan kristal tunggal berlian.

Rajah 3 Gambar rajah struktur penekan atas enam sisi

Oleh kerana penggunaan pemangkin logam, zarah berlian yang disediakan oleh kaedah HTHP perindustrian sering mengandungi kekotoran dan kecacatan tertentu, dan disebabkan penambahan nitrogen, mereka biasanya mempunyai warna kuning. Selepas peningkatan teknologi, penyediaan suhu tinggi dan tekanan tinggi berlian boleh menggunakan kaedah kecerunan suhu untuk menghasilkan kristal tunggal berlian berkualiti tinggi zarah besar, merealisasikan transformasi gred kasar industri berlian kepada gred permata.

Rajah 4 Morfologi berlian

Pemendapan wap kimia (CVD) ialah kaedah yang paling popular untuk mensintesis filem berlian. Kaedah utama termasuk pemendapan wap kimia filamen panas (HFCVD) danpemendapan wap kimia plasma gelombang mikro (MPCVD).

(1) Pemendapan wap kimia filamen panas

Prinsip asas HFCVD adalah untuk melanggar gas tindak balas dengan wayar logam suhu tinggi dalam ruang vakum untuk menghasilkan pelbagai kumpulan "tidak bercas" yang sangat aktif. Atom karbon yang dihasilkan dimendapkan pada bahan substrat untuk membentuk nanodiamond. Peralatan ini mudah dikendalikan, mempunyai kos pertumbuhan yang rendah, digunakan secara meluas, dan mudah untuk mencapai pengeluaran perindustrian. Disebabkan oleh kecekapan penguraian haba yang rendah dan pencemaran atom logam yang serius daripada filamen dan elektrod, HFCVD biasanya hanya digunakan untuk menyediakan filem berlian polihabluran yang mengandungi sejumlah besar kekotoran karbon fasa sp2 di sempadan butiran, jadi ia biasanya berwarna kelabu-hitam. .

Rajah 5 (a) rajah peralatan HFCVD, (b) rajah struktur ruang vakum

(2) Pemendapan wap kimia plasma gelombang mikro

Kaedah MPCVD menggunakan magnetron atau sumber keadaan pepejal untuk menghasilkan gelombang mikro frekuensi tertentu, yang dimasukkan ke dalam ruang tindak balas melalui pandu gelombang, dan membentuk gelombang berdiri yang stabil di atas substrat mengikut dimensi geometri khas ruang tindak balas. 

Medan elektromagnet yang sangat tertumpu memecahkan gas tindak balas metana dan hidrogen di sini untuk membentuk bola plasma yang stabil. Kumpulan atom yang kaya dengan elektron, kaya ion, dan aktif akan nukleus dan tumbuh pada substrat pada suhu dan tekanan yang sesuai, menyebabkan pertumbuhan homoepitaxial perlahan-lahan. Berbanding dengan HFCVD, ia mengelakkan pencemaran filem berlian yang disebabkan oleh penyejatan dawai logam panas dan meningkatkan ketulenan filem nanodiamond. Lebih banyak gas tindak balas boleh digunakan dalam proses daripada HFCVD, dan kristal tunggal berlian yang didepositkan adalah lebih tulen daripada berlian asli. Oleh itu, tingkap polihablur berlian gred optik, kristal tunggal berlian gred elektronik, dll. boleh disediakan.

Rajah 6 Struktur dalaman MPCVD

Perkembangan dan dilema berlian

Sejak berlian tiruan pertama berjaya dibangunkan pada tahun 1963, selepas lebih 60 tahun pembangunan, negara saya telah menjadi negara dengan pengeluaran berlian tiruan terbesar di dunia, menyumbang lebih daripada 90% dunia. Walau bagaimanapun, berlian China tertumpu terutamanya dalam pasaran aplikasi akhir rendah dan sederhana, seperti pengisaran kasar, optik, rawatan kumbahan dan bidang lain. Pembangunan berlian domestik adalah besar tetapi tidak kukuh, dan ia berada pada kelemahan dalam banyak bidang seperti peralatan mewah dan bahan gred elektronik. 

Dari segi pencapaian akademik dalam bidang berlian CVD, penyelidikan di Amerika Syarikat, Jepun dan Eropah berada dalam kedudukan utama, dan terdapat sedikit penyelidikan asli di negara saya. Dengan sokongan penyelidikan dan pembangunan utama "Rancangan Lima Tahun ke-13", kristal tunggal berlian saiz besar epitaxial disambung domestik telah melonjak ke kedudukan kelas pertama dunia. Dari segi kristal tunggal epitaxial heterogen, masih terdapat jurang yang besar dalam saiz dan kualiti, yang mungkin diatasi dalam "Rancangan Lima Tahun ke-14".

Penyelidik dari seluruh dunia telah menjalankan penyelidikan mendalam tentang pertumbuhan, doping dan pemasangan peranti berlian untuk merealisasikan aplikasi berlian dalam peranti optoelektronik dan memenuhi jangkaan orang ramai untuk berlian sebagai bahan pelbagai fungsi. Walau bagaimanapun, jurang jalur berlian adalah setinggi 5.4 eV. Kekonduksian jenis-pnya boleh dicapai dengan doping boron, tetapi sangat sukar untuk mendapatkan kekonduksian jenis-n. Penyelidik dari pelbagai negara telah mendopkan bendasing seperti nitrogen, fosforus, dan sulfur kepada kristal tunggal atau berlian polihabluran dalam bentuk menggantikan atom karbon dalam kekisi. Walau bagaimanapun, disebabkan tahap tenaga penderma yang dalam atau kesukaran dalam pengionan kekotoran, kekonduksian jenis-n yang baik belum diperoleh, yang sangat mengehadkan penyelidikan dan penggunaan peranti elektronik berasaskan berlian. 

Pada masa yang sama, berlian kristal tunggal kawasan besar sukar disediakan dalam kuantiti yang banyak seperti wafer silikon kristal tunggal, yang merupakan satu lagi kesukaran dalam pembangunan peranti semikonduktor berasaskan berlian. Dua masalah di atas menunjukkan bahawa doping semikonduktor sedia ada dan teori pembangunan peranti sukar untuk menyelesaikan masalah doping n-jenis berlian dan pemasangan peranti. Ia adalah perlu untuk mencari kaedah doping dan dopan lain, atau bahkan membangunkan prinsip doping dan pembangunan peranti baharu.

Harga yang terlalu tinggi juga mengehadkan pembangunan berlian. Berbanding dengan harga silikon, harga silikon karbida adalah 30-40 kali ganda daripada silikon, harga galium nitrida adalah 650-1300 kali ganda daripada silikon, dan harga bahan berlian sintetik adalah kira-kira 10,000 kali ganda daripada silikon. Harga yang terlalu tinggi mengehadkan pembangunan dan penggunaan berlian. Cara mengurangkan kos adalah titik terobosan untuk memecahkan dilema pembangunan.

Tinjauan

Walaupun semikonduktor berlian sedang menghadapi kesukaran dalam pembangunan, ia masih dianggap sebagai bahan yang paling menjanjikan untuk menyediakan generasi akan datang bagi peranti elektronik berkuasa tinggi, frekuensi tinggi, suhu tinggi dan kehilangan kuasa rendah. Pada masa ini, semikonduktor terpanas diduduki oleh silikon karbida. Silikon karbida mempunyai struktur berlian, tetapi separuh daripada atomnya adalah karbon. Oleh itu, ia boleh dianggap sebagai separuh berlian. Silikon karbida sepatutnya menjadi produk peralihan daripada era kristal silikon kepada era semikonduktor berlian.

Ungkapan "Berlian adalah selama-lamanya, dan satu berlian kekal selama-lamanya" telah menjadikan nama De Beers terkenal sehingga hari ini. Untuk semikonduktor berlian, mencipta satu lagi jenis kemuliaan mungkin memerlukan penerokaan yang kekal dan berterusan.

VeTek Semiconductor ialah pengilang profesional Cina bagiSalutan Tantalum Carbide, Salutan Silikon Karbida, produk GaN,Grafit Khas, Seramik Silikon KarbidadanSeramik Semikonduktor Lain. VeTek Semiconductor komited untuk menyediakan penyelesaian termaju untuk pelbagai produk Salutan untuk industri semikonduktor.

Jika anda mempunyai sebarang pertanyaan atau memerlukan butiran tambahan, sila jangan teragak-agak untuk menghubungi kami.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-mel: anny@veteksemi.com