الماس - ستاره آینده نیمه هادی ها

با توسعه سریع علم و فناوری و تقاضای روزافزون جهانی برای دستگاه های نیمه هادی با کارایی بالا و کارایی بالا، مواد بستر نیمه هادی، به عنوان یک حلقه فنی کلیدی در زنجیره صنعت نیمه هادی، اهمیت فزاینده ای پیدا می کنند. در این میان، الماس، به عنوان یک ماده بالقوه نسل چهارم "نیمه هادی نهایی"، به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی عالی خود، به تدریج به یک کانون تحقیقاتی و بازار مورد علاقه جدید در زمینه مواد زیرلایه نیمه هادی تبدیل می شود.

خواص الماس

الماس یک کریستال اتمی معمولی و کریستال پیوند کووالانسی است. ساختار کریستالی در شکل 1(a) نشان داده شده است. از اتم کربن میانی تشکیل شده است که به شکل یک پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده است. شکل 1(b) ساختار سلول واحد است که تناوب میکروسکوپی و تقارن ساختاری الماس را منعکس می کند.

شکل 1 الماس (الف) ساختار کریستالی; (ب) ساختار سلول واحد

الماس سخت ترین ماده جهان با خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد و خواص عالی در مکانیک، الکتریسیته و اپتیک است، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است: الماس دارای سختی و مقاومت در برابر سایش فوق العاده بالا، مناسب برای برش مواد و فرورفتگی ها و غیره است. .، و به خوبی در ابزار ساینده استفاده می شود. . گالیم آرسنید (GAAS) و 4 تا 5 برابر بیشتر از مس و نقره است و در دستگاه های با قدرت بالا استفاده می شود. این خصوصیات عالی مانند ضریب انبساط حرارتی کم دارد (10 × 10-6-1.5 × 10 × 10^-6K^-1) و مدول الاستیک بالا. این یک ماده بسته بندی الکترونیکی عالی با چشم انداز خوب است. 

تحرک سوراخ 4500 cm2·V است^-1·^-1، و تحرک الکترونی 3800 cm2 · v است^-1·^-1، که آن را برای دستگاه های سوئیچینگ با سرعت بالا کاربرد دارد. قدرت میدان شکست 13mV/cm است که می تواند برای دستگاه های ولتاژ بالا اعمال شود. رقم شایستگی Baliga به اندازه 24664 است که بسیار بالاتر از سایر مواد است (هرچه مقدار بزرگتر باشد ، پتانسیل استفاده در دستگاه های سوئیچینگ بیشتر است). 

الماس پلی کریستالی نیز جلوه تزئینی دارد. روکش الماس نه تنها اثر فلاش دارد بلکه رنگ های متنوعی نیز دارد. در ساخت ساعت‌های گران‌قیمت، پوشش‌های تزئینی برای کالاهای لوکس و مستقیماً به عنوان یک محصول مد استفاده می‌شود. استحکام و سختی الماس 6 برابر و 10 برابر شیشه کورنینگ است، بنابراین در نمایشگر تلفن همراه و لنز دوربین نیز استفاده می شود.

شکل 2 خواص الماس و سایر مواد نیمه هادی

تهیه الماس

رشد الماس عمدتا به روش HTHP (دما بالا و روش فشار بالا) وروش CVD (روش رسوب بخار شیمیایی)بشر روش CVD به دلیل مزایای آن مانند مقاومت در برابر فشار بالا ، فرکانس رادیویی بزرگ ، کم هزینه و مقاومت در برابر دمای بالا ، به روش اصلی تهیه بسترهای نیمه هادی الماس تبدیل شده است. دو روش رشد بر روی برنامه های مختلف متمرکز شده و آنها برای مدت طولانی در آینده رابطه مکمل را نشان می دهند.

روش درجه حرارت بالا و فشار بالا (HTHP) ساخت ستون هسته گرافیت با مخلوط کردن پودر گرافیت ، پودر کاتالیزور فلزی و مواد افزودنی به نسبت مشخص شده توسط فرمول مواد اولیه ، و سپس گرانول سازی ، فشار استاتیک ، کاهش خلاء ، بازرسی ، وزن است. و فرآیندهای دیگر ستون هسته گرافیت سپس با بلوک کامپوزیت ، قطعات کمکی و سایر محیط انتقال فشار بسته شده مونتاژ می شود تا یک بلوک مصنوعی تشکیل شود که می تواند برای سنتز کریستال های تک الماس استفاده شود. پس از آن ، آن را در یک فشار بالای شش طرفه برای گرمایش و فشار قرار می دهد و برای مدت طولانی ثابت نگه داشته می شود. پس از اتمام رشد کریستال ، گرما متوقف می شود و فشار آزاد می شود و محیط انتقال فشار مهر و موم شده برای به دست آوردن ستون مصنوعی برداشته می شود ، که سپس برای بدست آوردن کریستال های تک الماس خالص و مرتب می شود.

شکل 3 نمودار ساختار پرس بالا شش وجهی

با توجه به استفاده از کاتالیزورهای فلزی ، ذرات الماس تهیه شده به روش HTHP صنعتی اغلب حاوی ناخالصی ها و نقص های خاصی هستند و به دلیل افزودن نیتروژن ، معمولاً رنگ زرد دارند. پس از به روزرسانی فناوری ، دمای بالا و آماده سازی فشار زیاد الماس می تواند از روش گرادیان دما برای تولید کریستال های تک الماس با کیفیت بالا با ذرات بزرگ استفاده کند و تحول درجه ساینده صنعتی الماس را به درجه GEM تبدیل کند.

شکل 4 مورفولوژی الماس

رسوب شیمیایی بخار (CVD) محبوب ترین روش برای سنتز فیلم های الماس است. روش های اصلی شامل رسوب بخار شیمیایی فیلامنت داغ (HFCVD) ورسوب شیمیایی بخار پلاسما مایکروویو (MPCVD).

(1) رسوب بخار شیمیایی رشته داغ

اصل اساسی HFCVD برخورد گاز واکنش با یک سیم فلزی با دمای بالا در یک محفظه خلاء برای تولید انواع گروه‌های بسیار فعال "بدون شارژ" است. اتم‌های کربن تولید شده بر روی مواد بستر رسوب می‌کنند تا نانوالماس‌ها را تشکیل دهند. کارکرد این تجهیزات ساده است، هزینه رشد پایینی دارد، به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد و به راحتی به تولید صنعتی می رسد. با توجه به راندمان تجزیه حرارتی پایین و آلودگی جدی اتم فلز از رشته و الکترود، HFCVD معمولا فقط برای تهیه فیلم های الماس پلی کریستالی حاوی مقدار زیادی ناخالصی کربن فاز sp2 در مرز دانه استفاده می شود، بنابراین به طور کلی خاکستری مایل به سیاه است. .

شکل 5 (الف) نمودار تجهیزات HFCVD ، (ب) نمودار ساختار محفظه خلاء

(2) رسوب بخار شیمیایی مایکروویو

روش MPCVD از مگنترون یا منبع حالت جامد برای تولید امواج مایکروویو با فرکانس خاص استفاده می کند که از طریق موجبر به محفظه واکنش وارد می شود و با توجه به ابعاد هندسی خاص محفظه واکنش، امواج ایستاده پایدار بالای بستر را تشکیل می دهد. 

میدان الکترومغناطیسی بسیار متمرکز، گازهای واکنش متان و هیدروژن را در اینجا تجزیه می کند تا یک توپ پلاسما پایدار تشکیل دهد. گروه های اتمی غنی از الکترون، غنی از یون و فعال هسته می شوند و روی بستر در دما و فشار مناسب رشد می کنند و باعث رشد آهسته هموپیتاکسی می شوند. در مقایسه با HFCVD، از آلودگی فیلم الماس ناشی از تبخیر سیم فلزی داغ جلوگیری می کند و خلوص فیلم نانوالماس را افزایش می دهد. گازهای واکنش بیشتری نسبت به HFCVD می‌توان در فرآیند استفاده کرد و تک بلورهای الماس رسوب‌شده خالص‌تر از الماس‌های طبیعی هستند. بنابراین می توان پنجره های پلی کریستالی الماس درجه نوری، تک کریستال های الماس درجه الکترونیکی و ... را تهیه کرد.

شکل 6 ساختار داخلی MPCVD

توسعه و معضل الماس

از آنجا که اولین الماس مصنوعی در سال 1963 با موفقیت توسعه یافت ، پس از بیش از 60 سال توسعه ، کشور من با بزرگترین تولید الماس مصنوعی در جهان به کشور تبدیل شده است و بیش از 90 ٪ جهان را به خود اختصاص داده است. با این حال ، الماس های چین عمدتاً در بازارهای کاربردی کم مصرف و متوسط ​​مانند سنگ زنی ساینده ، اپتیک ، تصفیه فاضلاب و سایر زمینه ها متمرکز شده اند. توسعه الماس های خانگی بزرگ است اما قوی نیست و در بسیاری از زمینه ها مانند تجهیزات با کیفیت بالا و مواد با درجه الکترونیکی به ضرر است. 

از نظر دستاوردهای دانشگاهی در زمینه الماس CVD ، تحقیقات در ایالات متحده ، ژاپن و اروپا در موقعیت پیشرو قرار دارند و تحقیقات اصلی نسبتاً کمی در کشور من وجود دارد. با حمایت از تحقیق و توسعه کلیدی "برنامه پنج ساله سیزدهم" ، کریستال های تک الماس با اندازه بزرگ اپیتاکسیال در حال تقسیم به موقعیت درجه یک جهان جهش یافته اند. از نظر کریستال های تک اپیتاکسیال ناهمگن ، هنوز هم شکاف بزرگی از نظر اندازه و کیفیت وجود دارد که ممکن است در "برنامه پنج ساله چهاردهم" پیشی بگیرد.

محققان از سراسر جهان تحقیقات عمیقی در مورد رشد ، دوپینگ و مونتاژ دستگاه الماس به منظور تحقق کاربرد الماس در دستگاه های نوری و برآورده کردن انتظارات مردم از الماس به عنوان یک ماده چند منظوره انجام داده اند. با این حال ، شکاف باند الماس به اندازه 5.4 ولت است. هدایت نوع P آن را می توان با دوپینگ Boron به دست آورد ، اما به دست آوردن هدایت نوع N بسیار دشوار است. محققان کشورهای مختلف ناخالصی های دوپ مانند نیتروژن ، فسفر و گوگرد را به الماس تک کریستال یا پلی کریستالی به شکل جایگزینی اتم های کربن در شبکه دارند. با این حال ، با توجه به سطح انرژی عمیق اهدا کننده یا دشواری در یونیزاسیون ناخالصی ها ، هدایت خوب N از نوع N به دست نیامده است که تحقیقات و کاربرد دستگاههای الکترونیکی مبتنی بر الماس را تا حد زیادی محدود می کند. 

در همین زمان ، الماس کریستالی تک در منطقه بزرگ در مقادیر زیادی مانند ویفرهای سیلیکون کریستالی تک کار دشوار است ، که این یک مشکل دیگر در توسعه دستگاه های نیمه هادی مبتنی بر الماس است. دو مشکل فوق نشان می دهد که دوپینگ نیمه هادی موجود و نظریه توسعه دستگاه برای حل مشکلات دوپینگ از نوع الماس N و مونتاژ دستگاه دشوار است. لازم است به دنبال سایر روشهای دوپینگ و دوپانتها ، یا حتی اصول جدید دوپینگ و توسعه دستگاه باشید.

قیمت های بیش از حد بالا نیز توسعه الماس را محدود می کند. در مقایسه با قیمت سیلیکون ، قیمت کاربید سیلیکون 30-40 برابر سیلیکون است ، قیمت نیترید گالیم 650-1300 برابر سیلیکون است و قیمت مواد الماس مصنوعی تقریباً 10،000 برابر سیلیکون است. قیمت بسیار بالا توسعه و کاربرد الماس را محدود می کند. نحوه کاهش هزینه ها یک نکته دستیابی به موفقیت برای شکستن معضل توسعه است.

چشم انداز

اگرچه نیمه هادی های الماسی در حال حاضر با مشکلاتی در توسعه مواجه هستند، اما همچنان امیدوارکننده ترین ماده برای آماده سازی نسل بعدی دستگاه های الکترونیکی پرقدرت، فرکانس بالا، دمای بالا و کم مصرف هستند. در حال حاضر داغ ترین نیمه هادی ها توسط کاربید سیلیکون اشغال می شوند. کاربید سیلیکون دارای ساختار الماس است، اما نیمی از اتم های آن کربن است. بنابراین می توان آن را نیمی از الماس در نظر گرفت. کاربید سیلیکون باید یک محصول انتقالی از عصر کریستال سیلیکون به عصر نیمه هادی الماس باشد.

عبارت «الماس ها همیشه هستند و یک الماس همیشه ماندگار هستند» نام دی بیرز را تا به امروز معروف کرده است. برای نیمه هادی های الماس، ایجاد نوع دیگری از شکوه ممکن است نیاز به کاوش دائمی و مداوم داشته باشد.

نیمه هادی Vetek یک تولید کننده حرفه ای چینی استپوشش کاربید Tantalum, پوشش کاربید سیلیکونمحصولات GaN،گرافیت ویژه, سرامیک سیلیکون کاربیدوسرامیک های نیمه هادی دیگربشر نیمه هادی Vetek متعهد به ارائه راه حل های پیشرفته برای محصولات مختلف پوشش برای صنعت نیمه هادی است.

اگر سؤالی دارید یا به جزئیات بیشتری احتیاج دارید ، لطفاً در تماس با ما دریغ نکنید.

Mob/WhatsAPP: 0752 6922 180-86+

ایمیل: anny@veteksemi.com