Elmas - yarı iletkenlerin gelecekteki yıldızı

Bilim ve teknolojinin hızlı gelişimi ve yüksek performanslı ve yüksek verimli yarı iletken cihazlara yönelik küresel talebin artmasıyla, yarı iletken endüstri zincirinde önemli bir teknik bağlantı olarak yarı iletken substrat malzemeleri giderek daha önemli hale geliyor. Bunlar arasında, potansiyel dördüncü kuşak "nihai yarı iletken" malzemesi olarak Diamond, mükemmel fiziksel ve kimyasal özellikleri nedeniyle yarı iletken substrat malzemeleri alanında yavaş yavaş bir araştırma hotspot ve yeni bir pazar favorisi haline geliyor.

Elmasın Özellikleri

Elmas tipik bir atomik kristal ve kovalent bağ kristalidir. Kristal yapı Şekil 1 (a) 'da gösterilmiştir. Kovalent bir bağ şeklinde diğer üç karbon atomuna bağlanmış orta karbon atomundan oluşur. Şekil 1 (b), elmasın mikroskobik periyodikliğini ve yapısal simetrisini yansıtan birim hücre yapısıdır.

Şekil 1 Elmas (A) kristal yapısı; (b) Birim hücre yapısı

Elmas, Şekil 2'de gösterildiği gibi benzersiz fiziksel ve kimyasal özelliklere ve mükemmel mekanik, elektrik ve optik özelliklere sahip, dünyadaki en sert malzemedir: Elmas, malzemeleri ve girintileri vb. kesmeye uygun, ultra yüksek sertliğe ve aşınma direncine sahiptir. . ve aşındırıcı aletlerde iyi kullanılır; (2) Elmas, bugüne kadar bilinen doğal maddeler arasında, silikon karbürden (sic) 4 kat daha büyük, silikondan (SI) 13 kat daha büyük, 43 kat daha büyük olan en yüksek termal iletkenliğe (2200W/(m · k)) sahiptir. Galyum arsenit (GAAS) ve bakır ve gümüşten 4 ila 5 kat daha büyüktür ve yüksek güçlü cihazlarda kullanılır. Düşük termal genleşme katsayısı (0.8 × 10-6-1.5 × 10 gibi mükemmel özelliklere sahiptir^-6K^-1) ve yüksek elastik modül. İyi beklentilere sahip mükemmel bir elektronik ambalaj malzemesidir. 

Delik hareketliliği 4500 cm2 · v^-1·S^-1ve elektron hareketliliği 3800 cm2 · v^-1·S^-1bu da onu yüksek hızlı anahtarlama cihazlarına uygulanabilir hale getirir; Arıza alan mukavemeti, yüksek voltaj cihazlarına uygulanabilen 13mv/cm'dir; Baliga liyakat figürü, diğer malzemelerden çok daha yüksek olan 24664 kadar yüksektir (değer ne kadar büyük olursa, anahtarlama cihazlarında kullanım potansiyeli o kadar büyük). 

Polikristalin elmasın ayrıca dekoratif bir etkisi vardır. Elmas kaplamanın sadece flaş etkisi yoktur, aynı zamanda çeşitli renkleri de vardır. Üst düzey saatlerin imalatında, lüks mallara yönelik dekoratif kaplamalarda ve doğrudan moda ürünü olarak kullanılır. Elmasın sağlamlığı ve sertliği Corning camının 6 katı ve 10 katı olduğundan cep telefonu ekranlarında ve kamera merceklerinde de kullanılır.

Şekil 2 Elmas ve diğer yarı iletken malzemelerin özellikleri

Elmasın hazırlanması

Elmas büyümesi esas olarak HTHP yöntemine (yüksek sıcaklık ve yüksek basınç yöntemi) ayrılır veCVD yöntemi (kimyasal buhar biriktirme yöntemi). CVD yöntemi, yüksek basınç direnci, geniş radyo frekansı, düşük maliyet ve yüksek sıcaklık direnci gibi avantajlarından dolayı elmas yarı iletken substratların hazırlanmasında ana yöntem haline gelmiştir. İki büyüme yöntemi farklı uygulamalara odaklanıyor ve gelecekte uzun süre tamamlayıcı bir ilişki gösterecek.

Yüksek sıcaklık ve yüksek basınç yöntemi (HTHP), hammadde formülü tarafından belirtilen oranda grafit tozunu, metal katalizör tozunu ve katkı maddelerini karıştırarak bir grafit çekirdek kolonu yapmaktır ve daha sonra granülasyon, statik presleme, vakum azaltma, denetim, tartı ve diğer süreçler. Grafit çekirdek sütunu daha sonra elmas tek kristalleri sentezlemek için kullanılabilecek sentetik bir blok oluşturmak üzere kompozit blok, yardımcı parçalar ve diğer kapalı basınç iletim ortamı ile birleştirilir. Bundan sonra, ısıtma ve basınçlandırma için altı taraflı bir üst basına yerleştirilir ve uzun süre sabit tutulur. Kristal büyümesi tamamlandıktan sonra ısı durdurulur ve basınç serbest bırakılır ve daha sonra saflaştırılır ve elmas tek kristalleri elde etmek için sıralanır.

Şekil 3 Altı taraflı üst baskının yapı şeması

Endüstriyel HTHP yöntemiyle hazırlanan elmas parçacıkları, metal katalizörlerin kullanılması nedeniyle sıklıkla belirli safsızlıklar ve kusurlar içerir ve nitrojen ilavesi nedeniyle genellikle sarı bir renk tonuna sahiptir. Teknoloji yükseltmesinden sonra, elmasların yüksek sıcaklık ve yüksek basınçla hazırlanması, büyük parçacıklı yüksek kaliteli elmas tek kristalleri üretmek için sıcaklık gradyan yöntemini kullanabilir ve elmas endüstriyel aşındırıcı sınıfının mücevher derecesine dönüşümünü gerçekleştirebilir.

Şekil 4 Elmas morfolojisi

Kimyasal buhar birikimi (CVD), elmas filmleri sentezlemek için en popüler yöntemdir. Ana yöntemler arasında sıcak filament kimyasal buhar birikimi (HFCVD) veMikrodalga Plazma Kimyasal Buharı Birikimi (MPCVD).

(1) Sıcak Filament Kimyasal Buharı Birikimi

HFCVD'nin temel prensibi, çeşitli yüksek derecede aktif "yüksüz" gruplar oluşturmak için reaksiyon gazını bir vakum odasında yüksek sıcaklıktaki bir metal tel ile çarpıştırmaktır. Üretilen karbon atomları, nanoelmaslar oluşturmak üzere substrat malzemesi üzerinde biriktirilir. Ekipmanın kullanımı basittir, büyüme maliyeti düşüktür, yaygın olarak kullanılır ve endüstriyel üretime ulaşmak kolaydır. Düşük termal ayrışma verimliliği ve filaman ve elektrottan kaynaklanan ciddi metal atomu kirliliği nedeniyle, HFCVD genellikle yalnızca tane sınırında büyük miktarda sp2 fazı karbon yabancı maddeleri içeren çok kristalli elmas filmler hazırlamak için kullanılır, bu nedenle genellikle gri-siyahtır. .

Şekil 5 (a) HFCVD ekipman diyagramı, (b) Vakum oda yapısı diyagramı

(2) Mikrodalga plazma kimyasal buharı birikimi

MPCVD yöntemi, dalga kılavuzu aracılığıyla reaksiyon odasına beslenen ve reaksiyon odasının özel geometrik boyutlarına göre alt tabaka üzerinde kararlı duran dalgalar oluşturan belirli frekansta mikrodalgalar üretmek için magnetron veya katı hal kaynağı kullanır. 

Yüksek odaklanmış elektromanyetik alan, stabil bir plazma topu oluşturmak için reaksiyon gazlarını metan ve hidrojeni parçalar. Elektron açısından zengin, iyon açısından zengin ve aktif atom grupları, substrat üzerinde uygun sıcaklık ve basınçta çekirdekleşecek ve büyüyecek ve homoepitaksiyal büyümeye yavaşça neden olacaktır. HFCVD ile karşılaştırıldığında, sıcak metal tel buharlaşmasının neden olduğu elmas filminin kontaminasyonunu önler ve nanodiamond filminin saflığını arttırır. İşlemde HFCVD'den daha fazla reaksiyon gazı kullanılabilir ve biriken elmas tek kristalleri doğal elmaslardan daha saftır. Bu nedenle, optik dereceli elmas polikristalin pencereler, elektronik dereceli elmas tek kristaller, vb. Hazırlanabilir.

Şekil 6 MPCVD'nin iç yapısı

Elmasın gelişimi ve ikilemi

İlk yapay elmas 1963'te başarıyla geliştirildiğinden beri, 60 yıldan fazla bir gelişmeden sonra, ülkem dünyanın en büyük yapay elmas çıktısı olan ülke haline geldi ve dünyanın% 90'ından fazlasını oluşturdu. Bununla birlikte, Çin'in elmasları esas olarak aşındırıcı taşlama, optik, kanalizasyon arıtma ve diğer alanlar gibi düşük ve orta uç uygulama pazarlarında yoğunlaşmıştır. Yurtiçi elmasların gelişimi büyük ama güçlü değildir ve üst düzey ekipman ve elektronik sınıf malzemeleri gibi birçok alanda dezavantajlıdır. 

CVD elmas alanındaki akademik başarılar açısından, Amerika Birleşik Devletleri, Japonya ve Avrupa'daki araştırma lider bir konumdadır ve ülkemde nispeten az orijinal araştırma vardır. "13. Beş Yıllık Plan" ın temel araştırması ve geliştirilmesinin desteğiyle, yerli epitaksiyal büyük boyutlu elmas tek kristaller dünyanın birinci sınıf pozisyonuna sıçradı. Heterojen epitaksiyal tek kristaller açısından, "14. beş yıllık plan" da aşılabilecek büyük bir boyut ve kalite boşluğu vardır.

Dünyanın her yerinden araştırmacılar, elmasların optoelektronik cihazlarda uygulanmasını gerçekleştirmek ve çok işlevli bir malzeme olarak elmas beklentilerini karşılamak için elmasların büyümesi, doping ve cihaz montajı üzerine derinlemesine araştırma yaptılar. Bununla birlikte, Diamond of Diamond, 5.4 eV kadar yüksektir. P-tipi iletkenliği Bor Doping ile elde edilebilir, ancak N tipi iletkenlik elde etmek çok zordur. Çeşitli ülkelerden araştırmacılar azot, fosfor ve kükürt gibi safsızlıkları, kafesteki karbon atomlarının değiştirilmesi şeklinde tek kristal veya polikristalin elmas haline getirmiştir. Bununla birlikte, derin donör enerji seviyesi veya safsızlıkların iyonizasyonundaki zorluk nedeniyle, elmas bazlı elektronik cihazların araştırmasını ve uygulanmasını büyük ölçüde sınırlayan iyi N tipi iletkenlik elde edilmemiştir. 

Aynı zamanda, büyük alanlı tek kristal elmas, elmas bazlı yarı iletken cihazların gelişiminde bir başka zorluk olan tek kristal silikon gofretler gibi büyük miktarlarda hazırlanmak zordur. Yukarıdaki iki problem, mevcut yarı iletken doping ve cihaz geliştirme teorisinin Diamond N tipi doping ve cihaz montajı sorunlarını çözmek zor olduğunu göstermektedir. Diğer doping yöntemleri ve dopanları aramak, hatta yeni doping ve cihaz geliştirme ilkeleri geliştirmek gerekir.

Aşırı yüksek fiyatlar da elmasların gelişimini sınırlar. Silikonun fiyatı ile karşılaştırıldığında, silikon karbürün fiyatı silikonun 30-40 katıdır, galyum nitrürün fiyatı silikonun 650-1300 katıdır ve sentetik elmas malzemelerinin fiyatı silikonun kabaca 10.000 katıdır. Çok yüksek bir fiyat, elmasların geliştirilmesini ve uygulanmasını sınırlar. Maliyetlerin nasıl azaltılması, kalkınma ikilemini kırmak için bir atılım noktasıdır.

Görünüm

Elmas yarı iletkenler şu anda geliştirmede zorluklarla karşı karşıya olmasına rağmen, yeni nesil yüksek güçlü, yüksek frekanslı, yüksek sıcaklıklı ve düşük güç kayıplı elektronik cihazların hazırlanmasında hala en umut verici malzeme olarak kabul ediliyorlar. Şu anda en sıcak yarı iletkenler silisyum karbür tarafından işgal edilmektedir. Silisyum karbür elmas yapısına sahiptir ancak atomlarının yarısı karbondur. Bu nedenle yarım elmas olarak kabul edilebilir. Silisyum karbür, silisyum kristal çağından elmas yarı iletken çağına geçiş ürünü olmalıdır.

"Elmaslar sonsuza kadar kalır ve bir elmas sonsuza kadar sürer" sözü De Beers'in adını bugüne kadar meşhur etti. Elmas yarı iletkenler için başka türden bir zafer yaratmak, kalıcı ve sürekli bir araştırma gerektirebilir.

VeTek Semiconductor profesyonel bir Çinli üreticidir.Tantal karbür kaplama, Silisyum Karbür Kaplama, Gan ürünleri,Özel Grafit, Silikon karbür seramikleriVeDiğer Yarı İletken Seramikler. Vetek Semiconductor, yarı iletken endüstrisi için çeşitli kaplama ürünleri için gelişmiş çözümler sağlamaya kararlıdır.

Herhangi bir sorunuz varsa veya ek ayrıntılara ihtiyacınız varsa, lütfen bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-posta: anny@veteksemi.com