Diamond: la futura stella dei semiconduttori

Con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia e la crescente domanda globale di dispositivi a semiconduttori ad alte prestazioni ed alta efficienza, i materiali del substrato semiconduttore, come anello tecnico chiave nella catena industriale dei semiconduttori, stanno diventando sempre più importanti. Tra questi, il diamante, come potenziale materiale "semiconduttore definitivo" di quarta generazione, sta gradualmente diventando un punto caldo della ricerca e un nuovo favorito del mercato nel campo dei materiali per substrati semiconduttori grazie alle sue eccellenti proprietà fisiche e chimiche.

Proprietà del diamante

Il diamante è un tipico cristallo atomico e un cristallo di legame covalente. La struttura cristallina è mostrata nella Figura 1 (a). È costituito dall'atomo di carbonio medio legato agli altri tre atomi di carbonio sotto forma di legame covalente. La Figura 1(b) è la struttura della cella unitaria, che riflette la periodicità microscopica e la simmetria strutturale del diamante.

Figura 1 Struttura cristallina del diamante (a); (b) struttura della cellula unitaria

Il diamante è il materiale più duro al mondo, con proprietà fisiche e chimiche uniche e proprietà eccellenti in meccanica, elettricità e ottica, come mostrato nella Figura 2: Il diamante ha una durezza e una resistenza all'usura estremamente elevate, adatte al taglio di materiali e penetratori, ecc. ., ed è ben utilizzato negli utensili abrasivi; (2) Il diamante ha la più alta conduttività termica (2200 W/(m·K)) tra le sostanze naturali finora conosciute, che è 4 volte maggiore del carburo di silicio (SiC), 13 volte maggiore del silicio (Si), 43 volte maggiore del arseniuro di gallio (GaAs) e da 4 a 5 volte maggiore del rame e dell'argento e viene utilizzato in dispositivi ad alta potenza. Presenta eccellenti proprietà quali basso coefficiente di dilatazione termica (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) ed elevato modulo elastico. È un eccellente materiale per l'imballaggio elettronico con buone prospettive. 

La mobilità del foro è 4500 cm2·V^-1·S^-1, e la mobilità degli elettroni è 3800 cm2·V^-1·S^-1, che lo rende applicabile ai dispositivi di commutazione ad alta velocità; l'intensità del campo di rottura è 13 MV/cm, che può essere applicata a dispositivi ad alta tensione; la cifra di merito Baliga arriva fino a 24664, che è molto più alta rispetto ad altri materiali (maggiore è il valore, maggiore è il potenziale di utilizzo nei dispositivi di commutazione). 

Il diamante policristallino ha anche un effetto decorativo. Il rivestimento diamantato non solo ha un effetto flash ma ha anche una varietà di colori. Viene utilizzato nella produzione di orologi di fascia alta, rivestimenti decorativi per beni di lusso e direttamente come prodotto di moda. La resistenza e la durezza del diamante sono 6 e 10 volte superiori a quelle del vetro Corning, quindi viene utilizzato anche nei display dei telefoni cellulari e negli obiettivi delle fotocamere.

Figura 2 Proprietà del diamante e di altri materiali semiconduttori

Preparazione del diamante

La crescita dei diamanti è principalmente suddivisa nel metodo HTHP (metodo ad alta temperatura e alta pressione) eMetodo CVD (metodo di deposizione chimica da fase vapore). Il metodo CVD è diventato il metodo tradizionale per la preparazione di substrati di semiconduttori di diamante grazie ai suoi vantaggi quali resistenza alle alte pressioni, ampia radiofrequenza, basso costo e resistenza alle alte temperature. I due metodi di crescita si concentrano su applicazioni diverse e mostreranno una relazione complementare per molto tempo in futuro.

Il metodo ad alta temperatura e alta pressione (HTHP) consiste nel realizzare una colonna con nucleo in grafite mescolando polvere di grafite, polvere di catalizzatore metallico e additivi nella proporzione specificata dalla formula della materia prima, quindi granulazione, pressatura statica, riduzione del vuoto, ispezione, pesatura e altri processi. La colonna centrale in grafite viene quindi assemblata con il blocco composito, le parti ausiliarie e altri mezzi di trasmissione della pressione sigillati per formare un blocco sintetico che può essere utilizzato per sintetizzare singoli cristalli di diamante. Successivamente viene posto in una pressa superiore a sei lati per il riscaldamento e la pressurizzazione e mantenuto costante per lungo tempo. Una volta completata la crescita dei cristalli, il calore viene interrotto, la pressione viene rilasciata e il mezzo di trasmissione della pressione sigillato viene rimosso per ottenere la colonna sintetica, che viene quindi purificata e selezionata per ottenere singoli cristalli di diamante.

Figura 3 Diagramma della struttura della pressa superiore a sei lati

A causa dell'uso di catalizzatori metallici, le particelle di diamante preparate con il metodo industriale HTHP contengono spesso alcune impurità e difetti e, a causa dell'aggiunta di azoto, di solito hanno una tonalità gialla. Dopo l'aggiornamento tecnologico, la preparazione ad alta temperatura e alta pressione dei diamanti può utilizzare il metodo del gradiente di temperatura per produrre cristalli singoli di diamante di alta qualità con particelle di grandi dimensioni, realizzando la trasformazione del grado di abrasivo industriale del diamante in grado di gemma.

Figura 4 Morfologia del diamante

La deposizione chimica da fase vapore (CVD) è il metodo più popolare per sintetizzare film di diamante. I metodi principali includono la deposizione chimica in fase vapore di filamenti caldi (HFCVD) edeposizione chimica da vapore al plasma a microonde (MPCVD).

(1) Deposizione di vapori chimici di filamenti caldi

Il principio di base dell'HFCVD è quello di far collidere il gas di reazione con un filo metallico ad alta temperatura in una camera a vuoto per generare una varietà di gruppi "scavi" altamente attivi. Gli atomi di carbonio generati vengono depositati sul materiale del substrato per formare nanodiamanti. L'attrezzatura è semplice da utilizzare, ha costi di crescita bassi, è ampiamente utilizzata ed è facile da ottenere la produzione industriale. A causa della bassa efficienza di decomposizione termica e della grave contaminazione di atomi metallici dal filamento e dall'elettrodo, l'HFCVD viene solitamente utilizzato solo per preparare film di diamante policristallino contenenti una grande quantità di impurità di carbonio in fase sp2 al confine del grano, quindi è generalmente grigio-nero .

Figura 5 (a) diagramma dell'apparecchiatura HFCVD, (b) diagramma della struttura della camera a vuoto

(2) Deposizione chimica di vapore al plasma a microonde

Il metodo MPCVD utilizza un magnetron o una sorgente a stato solido per generare microonde di frequenza specifica, che vengono immesse nella camera di reazione attraverso una guida d'onda e formano onde stazionarie stabili sopra il substrato in base alle speciali dimensioni geometriche della camera di reazione. 

Qui il campo elettromagnetico altamente focalizzato scompone i gas di reazione metano e idrogeno per formare una sfera di plasma stabile. I gruppi atomici attivi, ricchi di elettroni e di ioni, nucleano e crescono sul substrato alla temperatura e alla pressione appropriate, provocando una crescita omoepitassiale lenta. Rispetto all'HFCVD, evita la contaminazione della pellicola di diamante causata dall'evaporazione del filo metallico caldo e aumenta la purezza della pellicola di nanodiamante. Nel processo è possibile utilizzare più gas di reazione rispetto all'HFCVD e i singoli cristalli di diamante depositati sono più puri dei diamanti naturali. Pertanto, è possibile preparare finestre policristalline di diamante di grado ottico, cristalli singoli di diamante di grado elettronico, ecc.

Figura 6 Struttura interna di MPCVD

Sviluppo e dilemma del diamante

Da quando il primo diamante artificiale è stato sviluppato con successo nel 1963, dopo oltre 60 anni di sviluppo, il mio Paese è diventato il Paese con la maggiore produzione di diamanti artificiali al mondo, rappresentando oltre il 90% della produzione mondiale. Tuttavia, i diamanti cinesi sono concentrati principalmente nei mercati applicativi di fascia bassa e media, come la molatura abrasiva, l'ottica, il trattamento delle acque reflue e altri campi. Lo sviluppo dei diamanti domestici è ampio ma non forte, e si trova in una situazione di svantaggio in molti campi, come le apparecchiature di fascia alta e i materiali per l’elettronica. 

In termini di risultati accademici nel campo dei diamanti CVD, la ricerca negli Stati Uniti, in Giappone e in Europa è in una posizione di leadership, e nel mio paese sono relativamente poche le ricerche originali. Con il supporto delle attività chiave di ricerca e sviluppo del "13° piano quinquennale", i cristalli singoli di diamante epitassiale di grandi dimensioni con giunzione domestica sono balzati alla posizione di prima classe a livello mondiale. Per quanto riguarda i monocristalli epitassiali eterogenei esiste ancora un ampio divario in termini di dimensioni e qualità, che potrebbe essere superato nel "14° piano quinquennale".

Ricercatori provenienti da tutto il mondo hanno condotto ricerche approfondite sulla crescita, il drogaggio e l'assemblaggio dei diamanti al fine di realizzare l'applicazione dei diamanti nei dispositivi optoelettronici e soddisfare le aspettative delle persone sui diamanti come materiale multifunzionale. Tuttavia, il gap di banda del diamante arriva fino a 5,4 eV. La sua conduttività di tipo p può essere ottenuta mediante drogaggio con boro, ma è molto difficile ottenere conduttività di tipo n. Ricercatori di vari paesi hanno drogato impurità come azoto, fosforo e zolfo in diamanti monocristallini o policristallini sotto forma di sostituzione degli atomi di carbonio nel reticolo. Tuttavia, a causa del livello profondo di energia del donatore o della difficoltà nella ionizzazione delle impurità, non è stata ottenuta una buona conduttività di tipo n, il che limita notevolmente la ricerca e l'applicazione di dispositivi elettronici a base di diamante. 

Allo stesso tempo, il diamante monocristallino di ampia area è difficile da preparare in grandi quantità come i wafer di silicio monocristallino, il che rappresenta un'altra difficoltà nello sviluppo di dispositivi a semiconduttore a base di diamante. I due problemi di cui sopra mostrano che l'attuale teoria del drogaggio dei semiconduttori e dello sviluppo dei dispositivi è difficile da risolvere i problemi del drogaggio di tipo n del diamante e dell'assemblaggio dei dispositivi. È necessario cercare altri metodi di doping e sostanze droganti, o addirittura sviluppare nuovi principi di doping e di sviluppo di dispositivi.

Anche i prezzi troppo alti limitano lo sviluppo dei diamanti. Rispetto al prezzo del silicio, il prezzo del carburo di silicio è 30-40 volte quello del silicio, il prezzo del nitruro di gallio è 650-1300 volte quello del silicio e il prezzo dei materiali diamantati sintetici è circa 10.000 volte quello del silicio. Un prezzo troppo alto limita lo sviluppo e l'applicazione dei diamanti. Come ridurre i costi è un punto di svolta per risolvere il dilemma dello sviluppo.

Veduta

Sebbene i semiconduttori di diamante stiano attualmente incontrando difficoltà di sviluppo, sono ancora considerati il ​​materiale più promettente per preparare la prossima generazione di dispositivi elettronici ad alta potenza, alta frequenza, alta temperatura e bassa perdita di potenza. Attualmente, i semiconduttori più caldi sono occupati dal carburo di silicio. Il carburo di silicio ha la struttura del diamante, ma metà dei suoi atomi sono carbonio. Pertanto, può essere considerato come mezzo diamante. Il carburo di silicio dovrebbe essere un prodotto di transizione dall'era del cristallo di silicio all'era dei semiconduttori di diamante.

La frase "I diamanti sono per sempre e un diamante dura per sempre" ha reso famoso il nome di De Beers fino ad oggi. Per i semiconduttori di diamante, creare un altro tipo di gloria può richiedere un’esplorazione permanente e continua.

VeTek Semiconductor è un produttore cinese professionale diRivestimento in carburo di tantalio, Rivestimento in carburo di silicio, prodotti GaN,Grafite speciale, Ceramica al carburo di silicioEAltre ceramiche a semiconduttore. VeTek Semiconductor si impegna a fornire soluzioni avanzate per vari prodotti di rivestimento per l'industria dei semiconduttori.

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