Алмаз - жартылай өткізгіштердің болашақ жұлдызы

Ғылым мен техниканың қарқынды дамуы және жоғары өнімді және жоғары тиімді жартылай өткізгіш құрылғыларға әлемдік сұраныстың артуы жағдайында жартылай өткізгіш өнеркәсіп тізбегінің негізгі техникалық буыны ретінде жартылай өткізгіш субстрат материалдарының маңыздылығы арта түсуде. Олардың ішінде гауһар төртінші буынның әлеуетті «соңғы жартылай өткізгіш» материалы ретінде тамаша физикалық және химиялық қасиеттерінің арқасында бірте-бірте зерттеу нүктесіне және жартылай өткізгіш субстрат материалдары саласындағы жаңа нарықтың сүйіктісіне айналады.

Алмаздың қасиеттері

Алмаз - әдеттегі атомдық кристал және коваленттік байланыс кристалы. Кристалл құрылымы 1(а) суретте көрсетілген. Ол басқа үш көміртек атомымен коваленттік байланыс түрінде байланысқан ортаңғы көміртек атомынан тұрады. 1(b) суретте алмаздың микроскопиялық кезеңділігін және құрылымдық симметриясын көрсететін бірлік жасуша құрылымы берілген.

1-сурет Алмаз (а) кристалдық құрылымы; (b) бірлік жасуша құрылымы

Алмаз - әлемдегі ең қатты материал, бірегей физикалық және химиялық қасиеттері бар, механика, электр және оптикада тамаша қасиеттері бар, 2-суретте көрсетілгендей: Алмаз өте жоғары қаттылық пен тозуға төзімді, материалдар мен интенттерді кесуге жарамды және т.б. ., және абразивті құралдарда жақсы қолданылады; (2) Алмаз осы уақытқа дейін белгілі табиғи заттардың арасында ең жоғары жылу өткізгіштікке (2200Вт/(м·К)) ие, ол кремний карбидінен (SiC) 4 есе, кремнийден (Si) 13 есе, одан 43 есе артық. галий арсениді (GaAs) және мыс пен күмістен 4-5 есе артық және жоғары қуатты құрылғыларда қолданылады. Төмен термиялық кеңею коэффициенті (0,8×10-6-1,5×10) сияқты тамаша қасиеттерге ие.^-6K^-1) және жоғары серпімділік модулі. Бұл жақсы болашағы бар тамаша электронды орау материалы. 

Тесіктердің қозғалғыштығы 4500 см2·В^-1·s^-1, ал электронның қозғалғыштығы 3800 см2·В^-1·s^-1, бұл оны жоғары жылдамдықты коммутациялық құрылғыларға қолдануға мүмкіндік береді; бұзылу өрісінің кернеулігі 13МВ/см, оны жоғары вольтты құрылғыларға қолдануға болады; Baliga еңбегінің көрсеткіші 24664-ке дейін жоғары, бұл басқа материалдардан әлдеқайда жоғары (мән неғұрлым үлкен болса, коммутациялық құрылғыларда пайдалану мүмкіндігі соғұрлым жоғары болады). 

Поликристалды алмастың сәндік әсері де бар. Гауһар жабыны жарқырау әсерін ғана емес, сонымен қатар әртүрлі түстерге ие. Ол жоғары санаттағы сағаттарды, сәнді тауарларға арналған сәндік жабындарды өндіруде және тікелей сәнді өнім ретінде қолданылады. Алмаздың беріктігі мен қаттылығы Corning шынысынан 6 және 10 есе көп, сондықтан ол ұялы телефон дисплейлері мен камера линзаларында да қолданылады.

2-сурет Алмаз және басқа жартылай өткізгіш материалдардың қасиеттері

Алмазды дайындау

Алмаз өсімі негізінен HTHP әдісіне (жоғары температура және жоғары қысым әдісі) және бөлінедіCVD әдісі (химиялық буларды тұндыру әдісі). CVD әдісі жоғары қысымға төзімділік, үлкен радиожиілік, төмен баға және жоғары температураға төзімділік сияқты артықшылықтарына байланысты алмазды жартылай өткізгіш негіздерді дайындаудың негізгі әдісі болды. Екі өсу әдісі әртүрлі қолданбаларға бағытталған және олар болашақта ұзақ уақыт бойы бір-бірін толықтыратын қарым-қатынасты көрсетеді.

Жоғары температура және жоғары қысым әдісі (HTHP) шикізат формуласында көрсетілген пропорцияда графит ұнтағын, металл катализатор ұнтағын және қоспаларды араластыру, содан кейін түйіршіктеу, статикалық престеу, вакуумды азайту, тексеру, өлшеу арқылы графит өзегі бағанасын жасау болып табылады. және басқа процестер. Содан кейін алмаз монокристалдарын синтездеу үшін қолдануға болатын синтетикалық блокты қалыптастыру үшін графит өзегі бағанасы композиттік блокпен, қосалқы бөлшектермен және басқа тығыздалған қысымды өткізгіштермен жиналады. Осыдан кейін оны қыздыру және қысым жасау үшін алты қырлы үстіңгі пресске салып, ұзақ уақыт бойы тұрақты ұстайды. Кристаллдың өсуі аяқталғаннан кейін жылу тоқтатылады және қысым босатылады, ал тығыздалған қысымды тасымалдау ортасы синтетикалық бағананы алу үшін жойылады, содан кейін алмаз монокристалдарын алу үшін тазартылады және сұрыпталады.

3-сурет Алты қырлы үстіңгі престің құрылымдық диаграммасы

Металл катализаторларын қолданудың арқасында өнеркәсіптік HTHP әдісімен дайындалған алмаз бөлшектері көбінесе белгілі бір қоспалар мен ақауларды қамтиды және азоттың қосылуына байланысты әдетте сары реңкке ие болады. Технологияны жаңартқаннан кейін алмазды жоғары температурада және жоғары қысымда дайындау температуралық градиент әдісін қолдана отырып, алмазды өнеркәсіптік абразивті сортты асыл тасқа айналдыруды жүзеге асыра отырып, үлкен бөлшекті жоғары сапалы алмаз монокристалдарын алады.

4-сурет Алмаз морфологиясы

Химиялық буларды тұндыру (CVD) алмаз пленкаларын синтездеудің ең танымал әдісі болып табылады. Негізгі әдістері ыстық жіп химиялық бу тұндыру (HFCVD) және қамтидымикротолқынды плазманың химиялық буының тұндыру (MPCVD).

(1) Ыстық жіптің химиялық буының тұндырылуы

HFCVD негізгі принципі әртүрлі жоғары белсенді «зарядталмаған» топтарды құру үшін реакциялық газды вакуумдық камерада жоғары температуралы металл сыммен соқтығысу болып табылады. Түзілген көміртегі атомдары наноалмастарды қалыптастыру үшін субстрат материалына қойылады. Жабдықтың жұмысы қарапайым, өсу құны төмен, кеңінен қолданылады және өнеркәсіптік өндіріске қол жеткізу оңай. Төмен термиялық ыдырау тиімділігіне және жіп пен электродтан металл атомының елеулі ластануына байланысты, HFCVD әдетте дән шекарасында sp2 фазалық көміртегі қоспаларының көп мөлшері бар поликристалды алмаз пленкаларын дайындау үшін қолданылады, сондықтан ол әдетте сұр-қара болады. .

5-сурет (а) HFCVD жабдықтарының диаграммасы, (b) вакуумдық камераның құрылымының диаграммасы

(2) Микротолқынды плазмадағы химиялық будың тұндырылуы

MPCVD әдісі толқын өткізгіші арқылы реакция камерасына берілетін және реакция камерасының арнайы геометриялық өлшемдеріне сәйкес субстрат үстінде тұрақты тұрақты толқындарды құрайтын белгілі бір жиіліктегі микротолқындарды генерациялау үшін магнетронды немесе қатты дене көзін пайдаланады. 

Жоғары фокусталған электромагниттік өріс тұрақты плазмалық шар түзу үшін мұндағы реакциялық газдар метан мен сутегін ыдыратады. Электронға бай, ионға бай және белсенді атом топтары тиісті температура мен қысымда субстратта ядроланып, өседі, бұл гомоэпитаксиалды өсуді баяу тудырады. HFCVD-мен салыстырғанда, ол ыстық металл сымның булануынан туындаған алмаз пленкасының ластануын болдырмайды және наноалмас пленканың тазалығын арттырады. Процессте HFCVD-ге қарағанда көбірек реакциялық газдарды қолдануға болады, ал тұндырылған алмаз монокристалдары табиғи алмаздарға қарағанда таза. Сондықтан оптикалық дәрежедегі алмазды поликристалды терезелерді, электронды сортты алмаз монокристалдарын және т.б.

6-сурет MPCVD ішкі құрылымы

Алмаздың дамуы және дилеммасы

Алғашқы жасанды гауһар 1963 жылы сәтті жасалғаннан бері, 60 жылдан астам дамудан кейін менің елім әлемдегі жасанды алмасты ең көп өндіретін елге айналды, оның үлесіне әлемнің 90% -дан астамы тиесілі. Дегенмен, Қытайдың гауһар тастары негізінен абразивті ұнтақтау, оптика, ағынды суларды тазарту және басқа салалар сияқты төмен және орта деңгейлі қолданбалы нарықтарда шоғырланған. Отандық гауһар тастардың дамуы үлкен, бірақ күшті емес және ол жоғары деңгейлі жабдықтар мен электронды класс материалдары сияқты көптеген салаларда қолайсыз. 

CVD алмаздары саласындағы академиялық жетістіктер бойынша АҚШ, Жапония және Еуропадағы зерттеулер жетекші орында, ал менің елімде салыстырмалы түрде түпнұсқа зерттеулер аз. «13-бесжылдықтың» негізгі зерттеулері мен әзірлемелерінің қолдауымен отандық эпитаксистік ірі өлшемді алмаз монокристалдары әлемдегі бірінші дәрежелі позицияға көтерілді. Гетерогенді эпитаксиалды монокристалдар бойынша «14-бесжылдықта» асып түсуі мүмкін көлемі мен сапасы жағынан әлі де үлкен алшақтық бар.

Бүкіл дүние жүзінің зерттеушілері алмаздарды оптоэлектрондық құрылғыларда қолдануды жүзеге асыру және көп функционалды материал ретінде адамдардың гауһарға деген үмітін қанағаттандыру үшін гауһарлардың өсуі, допинг және құрылғы құрастыруы бойынша терең зерттеулер жүргізді. Дегенмен, алмаздың диапазоны 5,4 эВ-қа дейін жоғары. Оның р-типті өткізгіштігін бор қоспасы арқылы алуға болады, бірақ n-типті өткізгіштік алу өте қиын. Әртүрлі елдердің зерттеушілері азот, фосфор және күкірт сияқты қоспаларды тордағы көміртегі атомдарын ауыстыру түрінде монокристалды немесе поликристалды алмазға айналдырды. Дегенмен, донорлық энергияның терең деңгейіне немесе қоспаларды иондау қиындығына байланысты n-типті жақсы өткізгіштік алынған жоқ, бұл алмаз негізіндегі электрондық құрылғыларды зерттеу мен қолдануды айтарлықтай шектейді. 

Сонымен қатар, үлкен аумақты монокристалды алмазды монокристалды кремний пластиналары сияқты үлкен мөлшерде дайындау қиын, бұл алмаз негізіндегі жартылай өткізгіш құрылғыларды әзірлеудегі тағы бір қиындық. Жоғарыда келтірілген екі мәселе жартылай өткізгішті қоспалау және құрылғыны дамыту теориясының n-типті алмазды қоспалау және құрылғыны құрастыру мәселелерін шешудің қиын екенін көрсетеді. Басқа допинг әдістері мен қоспаларды іздеу керек, тіпті жаңа допинг пен құрылғыны әзірлеу принциптерін әзірлеу қажет.

Бағаның тым жоғары болуы да гауһар тастардың дамуын шектейді. Кремний бағасымен салыстырғанда кремний карбидінің бағасы кремнийден 30-40 есе, галий нитридінің бағасы кремнийден 650-1300 есе, ал синтетикалық алмаз материалдарының бағасы кремнийден шамамен 10 000 есе жоғары. Тым жоғары баға алмастардың дамуы мен қолданылуын шектейді. Шығындарды қалай азайту керек - бұл даму дилеммасын жоюдың серпінді нүктесі.

Outlook

Алмаз жартылай өткізгіштер қазіргі уақытта дамуда қиындықтарға тап болса да, олар әлі де жоғары қуатты, жоғары жиілікті, жоғары температура мен қуатты аз жоғалтатын электронды құрылғылардың келесі буынын дайындау үшін ең перспективалы материал болып саналады. Қазіргі уақытта ең ыстық жартылай өткізгіштерді кремний карбиді алып жатыр. Кремний карбиді алмаздың құрылымына ие, бірақ оның атомдарының жартысы көміртек. Сондықтан оны жарты гауһар тас деп санауға болады. Кремний карбиді кремний кристалы дәуірінен алмаз жартылай өткізгіш дәуіріне өтпелі өнім болуы керек.

«Гауһар мәңгі, ал бір гауһар мәңгі қалады» деген тіркес Де Бирстің есімін күні бүгінге дейін әйгілі етті. Алмаз жартылай өткізгіштер үшін даңқтың басқа түрін жасау тұрақты және үздіксіз барлауды қажет етуі мүмкін.

VeTek Semiconductor - бұл қытайлық кәсіпқой өндірушіТантал карбиді жабыны, Кремний карбиді жабыны, GaN өнімдері,Арнайы графит, Кремний карбиді керамикажәнеБасқа жартылай өткізгіш керамика. VeTek Semiconductor компаниясы жартылай өткізгіштер өнеркәсібіне арналған әртүрлі жабын өнімдері үшін озық шешімдерді ұсынуға ұмтылады.

Егер сізде қандай да бір сұрақтар болса немесе қосымша мәліметтер қажет болса, бізбен байланысудан тартынбаңыз.

Моб/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Электрондық пошта: anny@veteksemi.com