Diamant – der zukünftige Star der Halbleiter

Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie und der wachsenden weltweiten Nachfrage nach leistungsstarken und hocheffizienten Halbleiterbauelementen gewinnen Halbleitersubstratmaterialien als wichtiges technisches Glied in der Kette der Halbleiterindustrie immer mehr an Bedeutung. Unter ihnen entwickelt sich Diamant als potenzielles „ultimatives Halbleitermaterial“ der vierten Generation aufgrund seiner hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften allmählich zu einem Forschungsschwerpunkt und einem neuen Marktfavoriten im Bereich der Halbleitersubstratmaterialien.

Eigenschaften von Diamant

Diamant ist ein typischer Atomkristall und kovalent gebundener Kristall. Die Kristallstruktur ist in Abbildung 1(a) dargestellt. Es besteht aus dem mittleren Kohlenstoffatom, das in Form einer kovalenten Bindung an die anderen drei Kohlenstoffatome gebunden ist. Abbildung 1(b) ist die Elementarzellenstruktur, die die mikroskopische Periodizität und strukturelle Symmetrie von Diamant widerspiegelt.

Abbildung 1 Diamant (a) Kristallstruktur; (b) Elementarzellenstruktur

Diamant ist das härteste Material der Welt mit einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie hervorragenden Eigenschaften in Mechanik, Elektrizität und Optik, wie in Abbildung 2 dargestellt: Diamant hat eine extrem hohe Härte und Verschleißfestigkeit und eignet sich zum Schneiden von Materialien und Eindringkörpern usw ., und wird gut in Schleifwerkzeugen verwendet; (2) Diamant hat die höchste Wärmeleitfähigkeit (2200 W/(m·K)) unter den bisher bekannten Naturstoffen, die viermal höher ist als Siliziumkarbid (SiC), 13-mal höher als Silizium (Si), 43-mal höher als Galliumarsenid (GaAs) ist vier- bis fünfmal größer als Kupfer und Silber und wird in Hochleistungsgeräten verwendet. Es verfügt über hervorragende Eigenschaften wie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (0,8×10-6-1,5×10).^-6K^-1) und hohen Elastizitätsmodul. Es ist ein ausgezeichnetes elektronisches Verpackungsmaterial mit guten Aussichten. 

Die Lochmobilität beträgt 4500 cm2·V^-1·S^-1, und die Elektronenmobilität beträgt 3800 cm2·V^-1·S^-1, wodurch es auf Hochgeschwindigkeitsschaltgeräte anwendbar ist; Die Durchschlagsfeldstärke beträgt 13 MV/cm und kann auf Hochspannungsgeräte angewendet werden. Der Baliga-Gütefaktor liegt bei 24664 und ist damit viel höher als bei anderen Materialien (je größer der Wert, desto größer das Potenzial für den Einsatz in Schaltgeräten). 

Polykristalliner Diamant hat auch eine dekorative Wirkung. Die Diamantbeschichtung hat nicht nur einen Flash-Effekt, sondern ist auch in verschiedenen Farben erhältlich. Es wird bei der Herstellung hochwertiger Uhren, dekorativer Beschichtungen für Luxusgüter und direkt als Modeprodukt verwendet. Die Festigkeit und Härte von Diamant sind 6-mal bzw. 10-mal so hoch wie die von Corning-Glas und werden daher auch in Mobiltelefondisplays und Kameraobjektiven verwendet.

Abbildung 2 Eigenschaften von Diamant und anderen Halbleitermaterialien

Vorbereitung von Diamant

Das Diamantwachstum wird hauptsächlich in die HTHP-Methode (Hochtemperatur- und Hochdruckmethode) und unterteiltCVD-Verfahren (chemische Gasphasenabscheidungsmethode). Das CVD-Verfahren hat sich aufgrund seiner Vorteile wie hoher Druckbeständigkeit, großer Hochfrequenz, niedriger Kosten und hoher Temperaturbeständigkeit zum gängigsten Verfahren zur Herstellung von Diamanthalbleitersubstraten entwickelt. Die beiden Wachstumsmethoden konzentrieren sich auf unterschiedliche Anwendungen und werden noch lange in einer komplementären Beziehung zueinander stehen.

Bei der Hochtemperatur- und Hochdruckmethode (HTHP) wird eine Graphitkernsäule durch Mischen von Graphitpulver, Metallkatalysatorpulver und Zusatzstoffen in dem durch die Rohstoffformel angegebenen Verhältnis und anschließendes Granulieren, statisches Pressen, Vakuumreduzierung, Inspektion und Wiegen hergestellt und andere Prozesse. Die Graphitkernsäule wird dann mit dem Verbundblock, Hilfsteilen und anderen versiegelten Druckübertragungsmedien zu einem synthetischen Block zusammengebaut, der zur Synthese von Diamant-Einkristallen verwendet werden kann. Anschließend wird es zur Erwärmung und Druckbeaufschlagung in eine sechsseitige Oberpresse gegeben und über einen langen Zeitraum konstant gehalten. Nachdem das Kristallwachstum abgeschlossen ist, wird die Hitze gestoppt und der Druck abgelassen, und das versiegelte Druckübertragungsmedium wird entfernt, um die synthetische Säule zu erhalten, die dann gereinigt und sortiert wird, um Diamant-Einkristalle zu erhalten.

Abbildung 3 Strukturdiagramm einer sechsseitigen Oberpresse

Aufgrund der Verwendung von Metallkatalysatoren enthalten Diamantpartikel, die mit der industriellen HTHP-Methode hergestellt werden, häufig bestimmte Verunreinigungen und Mängel und weisen aufgrund der Zugabe von Stickstoff normalerweise einen gelben Farbton auf. Nach dem Technologie-Upgrade kann die Hochtemperatur- und Hochdruckpräparation von Diamanten mithilfe der Temperaturgradientenmethode großteilige, hochwertige Diamant-Einkristalle herstellen und so die Umwandlung von industriellem Diamantschleifmittel in Edelsteinqualität realisieren.

Abbildung 4 Diamantmorphologie

Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist die beliebteste Methode zur Synthese von Diamantfilmen. Zu den Hauptmethoden gehören die chemische Gasphasenabscheidung mit heißen Filamenten (HFCVD) undMikrowellenplasma-chemische Gasphasenabscheidung (MPCVD).

(1) Chemische Gasphasenabscheidung mit heißen Filamenten

Das Grundprinzip von HFCVD besteht darin, das Reaktionsgas in einer Vakuumkammer mit einem Hochtemperatur-Metalldraht kollidieren zu lassen, um eine Vielzahl hochaktiver „ungeladener“ Gruppen zu erzeugen. Die erzeugten Kohlenstoffatome lagern sich auf dem Substratmaterial ab und bilden Nanodiamanten. Die Ausrüstung ist einfach zu bedienen, hat geringe Wachstumskosten, ist weit verbreitet und lässt sich leicht industriell produzieren. Aufgrund der geringen thermischen Zersetzungseffizienz und der starken Verunreinigung durch Metallatome durch das Filament und die Elektrode wird HFCVD normalerweise nur zur Herstellung polykristalliner Diamantfilme verwendet, die an der Korngrenze eine große Menge an sp2-Phasen-Kohlenstoffverunreinigungen enthalten, sodass sie im Allgemeinen grauschwarz sind .

Abbildung 5 (a) HFCVD-Gerätediagramm, (b) Vakuumkammer-Strukturdiagramm

(2) Chemische Gasphasenabscheidung mit Mikrowellenplasma

Das MPCVD-Verfahren nutzt ein Magnetron oder eine Festkörperquelle, um Mikrowellen einer bestimmten Frequenz zu erzeugen, die über einen Wellenleiter in die Reaktionskammer eingespeist werden und entsprechend den speziellen geometrischen Abmessungen der Reaktionskammer stabile stehende Wellen über dem Substrat bilden. 

Das hochfokussierte elektromagnetische Feld zerlegt hier die Reaktionsgase Methan und Wasserstoff zu einer stabilen Plasmakugel. Die elektronenreichen, ionenreichen und aktiven Atomgruppen bilden Keime und wachsen bei der entsprechenden Temperatur und dem entsprechenden Druck auf dem Substrat, was zu einem langsamen homoepitaxialen Wachstum führt. Im Vergleich zu HFCVD wird die Kontamination des Diamantfilms durch die Verdampfung heißer Metalldrähte vermieden und die Reinheit des Nanodiamantfilms erhöht. Bei dem Verfahren können mehr Reaktionsgase verwendet werden als bei HFCVD, und die abgeschiedenen Diamant-Einkristalle sind reiner als natürliche Diamanten. Daher können polykristalline Diamantfenster in optischer Qualität, Diamanteinkristalle in elektronischer Qualität usw. hergestellt werden.

Abbildung 6 Interne Struktur von MPCVD

Entwicklung und Dilemma des Diamanten

Seit der erfolgreichen Entwicklung des ersten künstlichen Diamanten im Jahr 1963 ist mein Land nach mehr als 60 Jahren Entwicklungszeit das Land mit der weltweit größten Produktion an künstlichen Diamanten geworden, die mehr als 90 % der Welt ausmacht. Chinas Diamanten konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die unteren und mittleren Anwendungsmärkte, wie z. B. Schleifschleifen, Optik, Abwasserbehandlung und andere Bereiche. Die Entwicklung einheimischer Diamanten ist groß, aber nicht stark, und sie sind in vielen Bereichen wie High-End-Geräten und Materialien in Elektronikqualität im Nachteil. 

Was die akademischen Leistungen auf dem Gebiet der CVD-Diamanten angeht, nimmt die Forschung in den Vereinigten Staaten, Japan und Europa eine führende Position ein, und in meinem Land gibt es relativ wenige Originalforschungen. Mit der Unterstützung der Schlüsselforschung und -entwicklung des „13. Fünfjahresplans“ haben inländische gespleißte epitaktische Diamant-Einzelkristalle in großen Größen den Sprung in die Weltspitze geschafft. Bei heterogenen epitaktischen Einkristallen besteht noch eine große Lücke in Größe und Qualität, die im „14. Fünfjahresplan“ überwunden werden könnte.

Forscher aus der ganzen Welt haben eingehende Untersuchungen zum Wachstum, zur Dotierung und zum Zusammenbau von Diamanten durchgeführt, um die Anwendung von Diamanten in optoelektronischen Geräten zu realisieren und die Erwartungen der Menschen an Diamanten als multifunktionales Material zu erfüllen. Allerdings beträgt die Bandlücke von Diamant bis zu 5,4 eV. Seine Leitfähigkeit vom p-Typ kann durch Bordotierung erreicht werden, es ist jedoch sehr schwierig, eine Leitfähigkeit vom n-Typ zu erreichen. Forscher aus verschiedenen Ländern haben Verunreinigungen wie Stickstoff, Phosphor und Schwefel in einkristalline oder polykristalline Diamanten dotiert, um Kohlenstoffatome im Gitter zu ersetzen. Aufgrund des tiefen Donorenergieniveaus oder der Schwierigkeit bei der Ionisierung der Verunreinigungen konnte jedoch keine gute n-Leitfähigkeit erreicht werden, was die Forschung und Anwendung elektronischer Geräte auf Diamantbasis stark einschränkt. 

Gleichzeitig ist es schwierig, großflächigen einkristallinen Diamanten wie einkristalline Siliziumwafer in großen Mengen herzustellen, was eine weitere Schwierigkeit bei der Entwicklung diamantbasierter Halbleiterbauelemente darstellt. Die beiden oben genannten Probleme zeigen, dass es mit der bestehenden Halbleiterdotierungs- und Geräteentwicklungstheorie schwierig ist, die Probleme der Diamant-n-Typ-Dotierung und der Gerätemontage zu lösen. Es ist notwendig, nach anderen Dotiermethoden und Dotierstoffen zu suchen oder sogar neue Dotier- und Geräteentwicklungsprinzipien zu entwickeln.

Auch zu hohe Preise schränken die Entwicklung von Diamanten ein. Im Vergleich zum Preis von Silizium beträgt der Preis von Siliziumkarbid das 30- bis 40-fache des Preises von Silizium, der Preis von Galliumnitrid beträgt das 650- bis 1300-fache des Preises von Silizium und der Preis von synthetischen Diamantmaterialien beträgt etwa das 10.000-fache des Preises von Silizium. Ein zu hoher Preis schränkt die Entwicklung und Anwendung von Diamanten ein. Die Kostensenkung ist ein Durchbruch, um das Entwicklungsdilemma zu durchbrechen.

Ausblick

Obwohl Diamanthalbleiter derzeit mit Entwicklungsschwierigkeiten konfrontiert sind, gelten sie immer noch als das vielversprechendste Material für die Vorbereitung der nächsten Generation elektronischer Hochleistungs-, Hochfrequenz-, Hochtemperatur- und verlustarmer elektronischer Geräte. Derzeit sind die heißesten Halbleiter Siliziumkarbid. Siliziumkarbid hat die Struktur von Diamant, aber die Hälfte seiner Atome besteht aus Kohlenstoff. Daher kann er als halber Diamant betrachtet werden. Siliziumkarbid sollte ein Übergangsprodukt von der Ära der Siliziumkristalle zur Ära der Diamanthalbleiter sein.

Der Satz „Diamanten sind ewig, und ein Diamant währt ewig“ hat den Namen De Beers bis heute berühmt gemacht. Bei Diamanthalbleitern kann die Schaffung einer anderen Art von Ruhm eine permanente und kontinuierliche Erforschung erfordern.

VeTek Semiconductor ist ein professioneller chinesischer Hersteller vonTantalcarbid-Beschichtung, Siliziumkarbidbeschichtung, GaN-Produkte,Spezialgraphit, SiliziumkarbidkeramikUndAndere Halbleiterkeramiken. VeTek Semiconductor ist bestrebt, fortschrittliche Lösungen für verschiedene Beschichtungsprodukte für die Halbleiterindustrie bereitzustellen.

Wenn Sie Fragen haben oder weitere Informationen benötigen, zögern Sie bitte nicht, mit uns Kontakt aufzunehmen.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

E-Mail: anny@veteksemi.com