Diamond - 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 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 as substâncias naturais conhecidas até hoje, 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 baixo coeficiente de expansão térmica (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) e alto módulo de elasticidade. 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 do 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 química de vapor). 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) consiste em fazer uma coluna de núcleo de grafite misturando pó de grafite, pó de catalisador metálico e aditivos na proporção especificada pela fórmula da matéria-prima e, em seguida, granulação, prensagem estática, redução de vácuo, inspeção, pesagem e outros processos. A coluna central de grafite é então montada com o bloco compósito, peças auxiliares e outros meios de transmissão de pressão selados para formar um bloco sintético que pode ser usado para sintetizar monocristais de diamante. Depois disso, é colocado em uma prensa superior de seis lados para aquecimento e pressurização e mantido 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 monocristais de diamante.

Figura 3 Diagrama estrutural da prensa superior de seis lados

Devido ao uso de catalisadores metálicos, as partículas de diamante preparadas pelo método industrial HTHP geralmente contêm certas impurezas e defeitos e, devido à adição de nitrogênio, geralmente apresentam uma tonalidade amarela. Após a atualização tecnológica, a preparação de diamantes em alta temperatura e alta pressão pode usar o método de gradiente de temperatura para produzir cristais únicos de diamante de alta qualidade com partículas grandes, realizando a transformação do grau abrasivo industrial de diamante em grau de gema.

Figura 4 Morfologia do diamante

A deposição química de vapor (CVD) é o método mais popular para sintetizar filmes de diamante. Os principais métodos incluem deposição química de vapor por 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 metálico de alta temperatura em uma câmara de vácuo para gerar uma variedade de grupos "descarregados" 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 fácil de alcançar a produção industrial. Devido à baixa eficiência de decomposição térmica e à grave contaminação de átomos metálicos 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 na fase sp2 no limite do grão, por isso é geralmente cinza-preto .

Figura 5 (a) Diagrama do equipamento HFCVD, (b) diagrama da estrutura da câmara de vácuo

(2) Deposição química de vapor de plasma de microondas

O método MPCVD usa magnetron ou fonte de estado sólido para gerar microondas de frequência específica, que são alimentadas na câmara de reação através de guia de ondas e formam ondas estacionárias estáveis ​​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 conduziram pesquisas aprofundadas sobre o crescimento, dopagem e montagem de dispositivos de diamantes, a fim de realizar a aplicação de diamantes em dispositivos optoeletrônicos e atender às expectativas das pessoas em relação aos diamantes como um material multifuncional. No entanto, o band gap do diamante chega a 5,4 eV. Sua condutividade tipo p pode ser alcançada por dopagem com boro, mas é muito difícil obter condutividade tipo n. Pesquisadores de vários países doparam impurezas como nitrogênio, fósforo e enxofre em cristal único ou diamante policristalino na forma de substituição de átomos de carbono na rede. Porém, devido ao profundo nível de energia do doador ou à dificuldade de ionização das impurezas, não foi obtida uma boa condutividade do tipo n, o que limita bastante a pesquisa e aplicação de dispositivos eletrônicos à base de diamante. 

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

Preços excessivamente elevados também limitam o desenvolvimento dos diamantes. Comparado com o preço do silício, o preço do carboneto de silício é 30-40 vezes maior que o do silício, o preço do nitreto de gálio é 650-1300 vezes maior que o do silício e o preço dos materiais de diamante sintético é cerca de 10.000 vezes maior que o do silício. Um preço demasiado elevado limita o desenvolvimento e a aplicação de diamantes. Como reduzir custos é um avanço para quebrar o dilema do desenvolvimento.

Panorama

Embora os semicondutores de diamante enfrentem atualmente dificuldades de 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 perda de potência. Atualmente, os semicondutores mais quentes são ocupados pelo carboneto de silício. O carboneto de silício tem estrutura de diamante, mas metade de seus átomos são 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 “Os diamantes são para sempre e um diamante dura para sempre” tornou o nome da De Beers famoso até hoje. Para os semicondutores de diamante, a criação de outro tipo de glória pode exigir uma exploração permanente e contínua.

VeTek Semiconductor é um fabricante chinês profissional deRevestimento de carboneto de tântalo, Revestimento de carboneto de silício, Produtos GaN,Grafite Especial, Cerâmica de Carboneto de SilícioeOutras cerâmicas semicondutoras. A VeTek Semiconductor está comprometida em fornecer soluções avançadas para diversos produtos de revestimento para a indústria de semicondutores.

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