Diamond - The Future Star of Semiconductors

Avec le développement rapide de la science et de la technologie et la demande mondiale croissante de dispositifs semi-conducteurs à haute performance et à haute efficacité, les matériaux de substrat semi-conducteur, en tant que lien technique clé dans la chaîne de l'industrie des semi-conducteurs, deviennent de plus en plus importants. Parmi eux, le diamant, en tant que potentiel de quatrième génération "matériau semi-conducteur ultime", devient progressivement un hotspot de recherche et un nouveau favori du marché dans le domaine des matériaux de substrat de semi-conducteur en raison de ses excellentes propriétés physiques et chimiques.

Propriétés du diamant

Le diamant est un cristal atomique typique et un cristal à liaison covalente. La structure cristalline est représentée sur la figure 1 (a). Il se compose de l’atome de carbone central lié aux trois autres atomes de carbone sous la forme d’une liaison covalente. La figure 1 (b) est la structure des cellules unitaires, qui reflète la périodicité microscopique et la symétrie structurelle du diamant.

Figure 1 Diamant (a) structure cristalline ; (b) structure de cellule unitaire

Le diamant est le matériau le plus dur au monde, avec des propriétés physiques et chimiques uniques, et d'excellentes propriétés en mécanique, électricité et optique, comme le montre la figure 2 : Le diamant a une dureté et une résistance à l'usure ultra élevées, adapté à la coupe de matériaux et de pénétrateurs, etc. ., et est bien utilisé dans les outils abrasifs ; (2) Le diamant a la conductivité thermique la plus élevée (2200W / (m · k)) parmi les substances naturelles connues à ce jour, ce qui est 4 fois supérieur à celle du carbure de silicium (sic), 13 fois supérieur à celle du silicium (Si), 43 fois plus élevé que L'arséniure de gallium (GaAs), et 4 à 5 fois supérieur au cuivre et en argent, et est utilisé dans des dispositifs de haute puissance. Il a d'excellentes propriétés telles que le coefficient de dilatation thermique faible (0,8 × 10-6-1,5 × 10^-6K^-1) et un module élastique élevé. C'est un excellent matériau d'emballage électronique avec de bonnes perspectives. 

La mobilité du trou est de 4500 cm2·V^-1· S^-1et la mobilité électronique est de 3800 cm2 · V^-1· S^-1, ce qui le rend applicable aux dispositifs de commutation à grande vitesse ; l'intensité du champ de claquage est de 13 MV/cm, ce qui peut être appliqué aux appareils à haute tension ; le facteur de mérite de Baliga atteint 24 664, ce qui est beaucoup plus élevé que celui des autres matériaux (plus la valeur est élevée, plus le potentiel d'utilisation dans les appareils de commutation est grand). 

Le diamant polycristallin a également un effet décoratif. Le revêtement de diamant a non seulement un effet flash, mais a également une variété de couleurs. Il est utilisé dans la fabrication de montres haut de gamme, de revêtements décoratifs pour les produits de luxe et directement en tant que produit de mode. La force et la dureté du diamant sont 6 fois et 10 fois celles de Corning Glass, il est donc également utilisé dans les écrans de téléphone mobile et les objectifs de caméra.

Figure 2 Propriétés du diamant et d'autres matériaux semi-conducteurs

Préparation du diamant

La croissance du diamant est principalement divisée en méthode HTHP (température élevée et méthode à haute pression) etMéthode CVD (méthode de dépôt chimique en phase vapeur). La méthode CVD est devenue la méthode grand public pour préparer des substrats de semi-conducteurs de diamants en raison de ses avantages tels que la résistance à haute pression, la grande fréquence radio-fréquence, le faible coût et la résistance à haute température. Les deux méthodes de croissance se concentrent sur différentes applications, et ils montreront une relation complémentaire pendant longtemps à l'avenir.

La méthode à haute température et à haute pression (HTHP) est de fabriquer une colonne de noyau de graphite en mélangeant la poudre de graphite, la poudre de catalyseur métallique et les additifs dans la proportion spécifiée par la formule de matière première, puis granulatrice, pressante statique, réduction du vide, inspection, pesée et d'autres processus. La colonne du noyau de graphite est ensuite assemblée avec le bloc composite, les pièces auxiliaires et autres supports de transmission de pression scellés pour former un bloc synthétique qui peut être utilisé pour synthétiser des monocristaux de diamant. Après cela, il est placé dans une presse supérieure à six faces pour le chauffage et la pressurisation et maintenue constante pendant longtemps. Une fois la croissance des cristaux terminée, la chaleur est arrêtée et la pression est libérée, et le milieu de transmission de pression scellé est retiré pour obtenir la colonne synthétique, qui est ensuite purifiée et triée pour obtenir des monocristaux de diamant.

Figure 3 Schéma de structure d'une presse supérieure à six côtés

En raison de l'utilisation de catalyseurs métalliques, les particules de diamant préparées par la méthode industrielle HTHP contiennent souvent certaines impuretés et défauts, et en raison de l'ajout d'azote, elles ont généralement une teinte jaune. Après la mise à niveau technologique, la préparation des diamants à haute température et haute pression peut utiliser la méthode du gradient de température pour produire des monocristaux de diamant de haute qualité à grosses particules, réalisant ainsi la transformation de la qualité abrasive industrielle du diamant en qualité gemme.

Figure 4 Morphologie du diamant

Le dépôt de vapeur chimique (CVD) est la méthode la plus populaire pour synthétiser les films de diamants. Les principales méthodes comprennent le dépôt de vapeur chimique à filature chaude (HFCVD) etdépôt chimique en phase vapeur par plasma micro-ondes (MPCVD).

(1) Dépôt de vapeur chimique du filament chaud

Le principe de base du HFCVD est de collision le gaz de réaction avec un fil métallique à haute température dans une chambre à vide pour générer une variété de groupes "non chargés" très actifs. Les atomes de carbone générés sont déposés sur le substrat pour former des nanodiamères. L'équipement est simple à utiliser, a un faible coût de croissance, est largement utilisé et est facile à réaliser une production industrielle. En raison de la faible efficacité de décomposition thermique et de la contamination grave des atomes métalliques du filament et de l'électrode, le HFCVD n'est généralement utilisé que pour préparer des films de diamant polycristallin contenant une grande quantité d'impuretés de carbone de phase SP2 à la limite du grain, donc il est généralement gris-noir .

Figure 5 (a) Schéma de l'équipement HFCVD, (b) Schéma de structure de la chambre à vide

(2) Dépôt de vapeur chimique plasmatique micro-ondes

La méthode MPCVD utilise un magnétron ou une source à semi-conducteurs pour générer des micro-ondes de fréquence spécifique, qui sont introduites dans la chambre de réaction via un guide d'ondes et forment des ondes stationnaires stables au-dessus du substrat en fonction des dimensions géométriques spéciales de la chambre de réaction. 

Le champ électromagnétique hautement concentré décompose ici les gaz de réaction méthane et hydrogène pour former une boule de plasma stable. Les groupes atomiques actifs, riches en électrons et en ions, se nucléeront et se développeront sur le substrat à la température et à la pression appropriées, provoquant une croissance homoépitaxiale lente. Comparé au HFCVD, il évite la contamination du film de diamant provoquée par l'évaporation du fil métallique chaud et augmente la pureté du film de nanodiamant. Plus de gaz de réaction peuvent être utilisés dans le processus que le HFCVD, et les monocristaux de diamant déposés sont plus purs que les diamants naturels. Par conséquent, des fenêtres polycristallines de diamant de qualité optique, des monocristaux de diamant de qualité électronique, etc. peuvent être préparés.

Figure 6 Structure interne de MPCVD

Développement et dilemme du diamant

Depuis que le premier diamant artificiel a été développé avec succès en 1963, après plus de 60 ans de développement, mon pays est devenu le pays avec la plus grande production de diamant artificiel au monde, représentant plus de 90% du monde. Cependant, les diamants de la Chine sont principalement concentrés sur les marchés d'application bas de gamme et moyens, tels que le broyage abrasif, l'optique, le traitement des eaux usées et d'autres domaines. Le développement de diamants domestiques est grand mais pas fort, et il est désavantagé dans de nombreux domaines tels que des équipements haut de gamme et des matériaux de qualité électronique. 

En termes de réalisations académiques dans le domaine des diamants de MCV, la recherche aux États-Unis, au Japon et en Europe est dans une position de premier plan, et il y a relativement peu de recherches originales dans mon pays. Avec le soutien de la recherche et du développement clés du "13e plan quinquennal", des outraxes de diamant épitaxiaux de grande taille domestiques ont sauté vers la position de première classe du monde. En termes de monocristaux épitaxiaux hétérogènes, il y a toujours un grand écart de taille et de qualité, qui peut être dépassé dans le "14e plan quinquennal".

Des chercheurs du monde entier ont mené des recherches approfondies sur la croissance, le dopage et l'assemblage de diamants afin de réaliser l'application de diamants dans les dispositifs optoélectroniques et de répondre aux attentes des gens pour les diamants en tant que matériau multifonctionnel. Cependant, la bande interdite du diamant est aussi élevée que 5,4 eV. Sa conductivité de type P peut être obtenue par le dopage du bore, mais il est très difficile d'obtenir une conductivité de type N. Des chercheurs de divers pays ont dopé des impuretés telles que l'azote, le phosphore et le soufre en diamant monocristal ou polycristallin sous la forme de remplacement des atomes de carbone dans le réseau. Cependant, en raison du niveau d'énergie des donneurs profonds ou de la difficulté d'ionisation des impuretés, une bonne conductivité de type N n'a pas été obtenue, ce qui limite considérablement la recherche et l'application de dispositifs électroniques à base de diamant. 

Dans le même temps, le diamant monocristallant à grande surface est difficile à préparer en grande quantité comme les tranches de silicium monocristallines, ce qui est une autre difficulté dans le développement de dispositifs semi-conducteurs à base de diamant. Les deux problèmes ci-dessus montrent que la théorie existante du dopage des semi-conducteurs et du développement de l'appareil est difficile pour résoudre les problèmes de dopage de type N diamant et d'appareil. Il est nécessaire de rechercher d'autres méthodes de dopage et dopants, ou même de développer de nouveaux principes de dopage et de développement d'appareils.

Les prix excessivement élevés limitent également le développement des diamants. Comparé au prix du silicium, le prix du carbure de silicium est de 30 à 40 fois celui du silicium, le prix du nitrure de gallium est de 650 à 1300 fois celui du silicium, et le prix des matériaux de diamant synthétique est environ 10 000 fois celui du silicium. Un prix trop élevé limite le développement et l'application des diamants. Comment réduire les coûts est un point de percée pour briser le dilemme de développement.

Perspectives

Bien que les semi-conducteurs de diamants soient actuellement confrontés à des difficultés de développement, ils sont toujours considérés comme le matériau le plus prometteur pour préparer la prochaine génération de dispositifs électroniques à haute puissance, haute fréquence, à haute température et à perte à faible puissance. Actuellement, les semi-conducteurs les plus chauds sont occupés par du carbure de silicium. Le carbure de silicium a la structure du diamant, mais la moitié de ses atomes sont du carbone. Par conséquent, il peut être considéré comme un demi-diamant. Le carbure de silicium devrait être un produit de transition de l'ère des cristaux de silicium à l'ère des semi-conducteurs en diamant.

L'expression "Les diamants sont pour toujours, et un diamant dure pour toujours" a rendu le nom de De Beers célèbre à ce jour. Pour les semi-conducteurs de diamants, la création d'un autre type de gloire peut nécessiter une exploration permanente et continue.

Vetek Semiconductor est un fabricant chinois professionnel deRevêtement en carbure de tantale, Revêtement en carbure de silicium, produits GaN,Graphite spécial, Céramique en carbure de siliciumetAutres céramiques semi-conducteurs. VeTek Semiconductor s'engage à fournir des solutions avancées pour divers produits de revêtement destinés à l'industrie des semi-conducteurs.

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