Diamond - bintang masa depan semikonduktor

Dengan pesatnya perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi dan meningkatnya permintaan global akan perangkat semikonduktor berkinerja tinggi dan efisiensi tinggi, bahan substrat semikonduktor, sebagai penghubung teknis utama dalam rantai industri semikonduktor, menjadi semakin penting. Diantaranya, intan, sebagai material "semikonduktor pamungkas" generasi keempat yang potensial, secara bertahap menjadi pusat penelitian dan favorit pasar baru di bidang material substrat semikonduktor karena sifat fisik dan kimianya yang sangat baik.

Sifat berlian

Berlian adalah kristal atom dan kristal ikatan kovalen yang khas. Struktur kristal ditunjukkan pada Gambar 1(a). Terdiri dari atom karbon tengah yang terikat pada tiga atom karbon lainnya dalam bentuk ikatan kovalen. Gambar 1(b) adalah struktur sel satuan, yang mencerminkan periodisitas mikroskopis dan simetri struktural berlian.

Gambar 1 Struktur kristal berlian (a); (b) struktur sel satuan

Intan adalah material terkeras di dunia, dengan sifat fisik dan kimia yang unik, serta sifat yang sangat baik dalam bidang mekanika, kelistrikan, dan optik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2: Intan memiliki kekerasan dan ketahanan aus yang sangat tinggi, cocok untuk memotong material dan indentor, dll. ., dan baik digunakan dalam alat abrasif; (2) Intan memiliki konduktivitas termal tertinggi (2200W/(m·K)) di antara bahan alami yang diketahui hingga saat ini, yaitu 4 kali lebih besar dari silikon karbida (SiC), 13 kali lebih besar dari silikon (Si), 43 kali lebih besar dari gallium arsenide (GaAs), dan 4 hingga 5 kali lebih besar dari tembaga dan perak, dan digunakan dalam perangkat berdaya tinggi. Ia memiliki sifat yang sangat baik seperti koefisien muai panas yang rendah (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) dan modulus elastisitas tinggi. Ini adalah bahan kemasan elektronik yang sangat baik dengan prospek yang bagus. 

Mobilitas lubang adalah 4500 cm2·V^-1·S^-1, dan mobilitas elektronnya adalah 3800 cm2·V^-1·S^-1, yang membuatnya dapat diterapkan pada perangkat switching berkecepatan tinggi; kekuatan medan tembusnya adalah 13MV/cm, yang dapat diterapkan pada perangkat tegangan tinggi; Angka kelayakan Baliga mencapai 24664, yang jauh lebih tinggi dibandingkan bahan lainnya (semakin besar nilainya, semakin besar potensi untuk digunakan dalam perangkat switching). 

Berlian polikristalin juga memiliki efek dekoratif. Lapisan berlian tidak hanya memiliki efek kilatan tetapi juga memiliki warna yang beragam. Ini digunakan dalam pembuatan jam tangan kelas atas, pelapis dekoratif untuk barang-barang mewah, dan secara langsung sebagai produk fashion. Kekuatan dan kekerasan berlian 6 kali dan 10 kali lipat dari kaca Corning, sehingga juga digunakan pada tampilan ponsel dan lensa kamera.

Gambar 2 Sifat berlian dan bahan semikonduktor lainnya

Persiapan berlian

Pertumbuhan intan terutama dibagi menjadi metode HTHP (metode suhu tinggi dan tekanan tinggi) danMetode CVD (metode deposisi uap kimia). Metode CVD telah menjadi metode utama untuk menyiapkan substrat semikonduktor berlian karena kelebihannya seperti tahan tekanan tinggi, frekuensi radio besar, biaya rendah, dan tahan suhu tinggi. Kedua metode pertumbuhan ini berfokus pada penerapan yang berbeda, dan keduanya akan menunjukkan hubungan yang saling melengkapi untuk jangka waktu yang lama di masa depan.

Metode suhu tinggi dan tekanan tinggi (HTHP) adalah membuat kolom inti grafit dengan mencampurkan bubuk grafit, bubuk katalis logam dan bahan tambahan sesuai proporsi yang ditentukan oleh formula bahan baku, kemudian granulasi, pengepresan statis, reduksi vakum, inspeksi, penimbangan. dan proses lainnya. Kolom inti grafit kemudian dirakit dengan blok komposit, bagian tambahan dan media transmisi tekanan tertutup lainnya untuk membentuk blok sintetis yang dapat digunakan untuk mensintesis kristal tunggal berlian. Setelah itu, ditempatkan dalam mesin press enam sisi atas untuk pemanasan dan tekanan dan dijaga konstan untuk waktu yang lama. Setelah pertumbuhan kristal selesai, panas dihentikan dan tekanan dilepaskan, dan media transmisi tekanan yang disegel dikeluarkan untuk mendapatkan kolom sintetis, yang kemudian dimurnikan dan disortir untuk mendapatkan kristal tunggal berlian.

Gambar 3 Diagram struktur mesin press atas enam sisi

Karena penggunaan katalis logam, partikel intan yang dibuat dengan metode HTHP industri sering kali mengandung pengotor dan cacat tertentu, dan karena penambahan nitrogen, biasanya memiliki warna kuning. Setelah peningkatan teknologi, persiapan berlian pada suhu tinggi dan tekanan tinggi dapat menggunakan metode gradien suhu untuk menghasilkan kristal tunggal berlian berkualitas tinggi dengan partikel besar, mewujudkan transformasi tingkat abrasif industri berlian menjadi tingkat permata.

Gambar 4 Morfologi berlian

Deposisi uap kimia (CVD) adalah metode paling populer untuk mensintesis film berlian. Metode utama meliputi deposisi uap kimia filamen panas (HFCVD) dandeposisi uap kimia plasma gelombang mikro (MPCVD).

(1) Deposisi uap kimia filamen panas

Prinsip dasar HFCVD adalah menumbukkan gas reaksi dengan kawat logam bersuhu tinggi dalam ruang vakum untuk menghasilkan berbagai gugus "tidak bermuatan" yang sangat aktif. Atom karbon yang dihasilkan disimpan pada bahan substrat untuk membentuk nanodiamond. Peralatan ini mudah dioperasikan, memiliki biaya pertumbuhan yang rendah, digunakan secara luas, dan mudah untuk mencapai produksi industri. Karena efisiensi dekomposisi termal yang rendah dan kontaminasi atom logam yang serius dari filamen dan elektroda, HFCVD biasanya hanya digunakan untuk membuat film berlian polikristalin yang mengandung sejumlah besar pengotor karbon fase sp2 pada batas butir, sehingga umumnya berwarna abu-abu kehitaman. .

Gambar 5 (a) diagram peralatan HFCVD, (b) diagram struktur ruang vakum

(2) Deposisi uap kimia plasma microwave

Metode MPCVD menggunakan magnetron atau sumber solid-state untuk menghasilkan gelombang mikro dengan frekuensi tertentu, yang dimasukkan ke dalam ruang reaksi melalui pandu gelombang, dan membentuk gelombang berdiri yang stabil di atas substrat sesuai dengan dimensi geometris khusus ruang reaksi. 

Medan elektromagnetik yang sangat terfokus memecah gas reaksi metana dan hidrogen di sini untuk membentuk bola plasma yang stabil. Gugus atom yang kaya elektron, kaya ion, dan aktif akan berinti dan tumbuh pada substrat pada suhu dan tekanan yang sesuai, menyebabkan pertumbuhan homoepitaksi secara perlahan. Dibandingkan dengan HFCVD, ini menghindari kontaminasi film berlian yang disebabkan oleh penguapan kawat logam panas dan meningkatkan kemurnian film nanodiamond. Lebih banyak gas reaksi yang dapat digunakan dalam proses ini dibandingkan HFCVD, dan kristal tunggal berlian yang disimpan lebih murni dibandingkan berlian alami. Oleh karena itu, jendela polikristalin berlian tingkat optik, kristal tunggal berlian tingkat elektronik, dll.

Gambar 6 Struktur internal MPCVD

Perkembangan dan dilema berlian

Sejak berlian buatan pertama berhasil dikembangkan pada tahun 1963, setelah lebih dari 60 tahun pembangunan, negara saya telah menjadi negara dengan produksi berlian buatan terbesar di dunia, mencakup lebih dari 90% dunia. Namun, berlian Tiongkok sebagian besar terkonsentrasi di pasar aplikasi kelas bawah dan menengah, seperti penggilingan abrasif, optik, pengolahan limbah, dan bidang lainnya. Perkembangan berlian dalam negeri besar namun tidak kuat, dan mengalami kerugian di banyak bidang seperti peralatan kelas atas dan material bermutu elektronik. 

Dalam hal prestasi akademik di bidang berlian CVD, penelitian di Amerika Serikat, Jepang dan Eropa berada pada posisi terdepan, dan penelitian asli di negara saya relatif sedikit. Dengan dukungan penelitian dan pengembangan utama dari "Rencana Lima Tahun ke-13", kristal tunggal berlian epitaksi berukuran besar yang disambung dalam negeri telah melonjak ke posisi kelas satu di dunia. Dalam hal kristal tunggal epitaksi heterogen, masih terdapat kesenjangan besar dalam ukuran dan kualitas, yang mungkin terlampaui dalam "Rencana Lima Tahun ke-14".

Para peneliti dari seluruh dunia telah melakukan penelitian mendalam tentang pertumbuhan, doping, dan perakitan perangkat berlian untuk mewujudkan penerapan berlian pada perangkat optoelektronik dan memenuhi ekspektasi masyarakat terhadap berlian sebagai bahan multifungsi. Namun, celah pita intan mencapai 5,4 eV. Konduktivitas tipe-p dapat dicapai dengan doping boron, namun sangat sulit untuk mendapatkan konduktivitas tipe-n. Para peneliti dari berbagai negara telah mendoping pengotor seperti nitrogen, fosfor, dan belerang menjadi kristal tunggal atau berlian polikristalin dalam bentuk penggantian atom karbon dalam kisi. Namun, karena tingkat energi donor yang dalam atau kesulitan dalam ionisasi pengotor, konduktivitas tipe-n yang baik belum diperoleh, sehingga sangat membatasi penelitian dan penerapan perangkat elektronik berbasis berlian. 

Pada saat yang sama, berlian kristal tunggal dengan area luas sulit untuk dibuat dalam jumlah besar seperti wafer silikon kristal tunggal, yang merupakan kesulitan lain dalam pengembangan perangkat semikonduktor berbasis berlian. Dua masalah di atas menunjukkan bahwa teori doping semikonduktor dan pengembangan perangkat yang ada sulit untuk menyelesaikan masalah doping tipe-n berlian dan perakitan perangkat. Penting untuk mencari metode doping dan dopan lain, atau bahkan mengembangkan prinsip doping dan pengembangan perangkat baru.

Harga yang terlalu tinggi juga membatasi pengembangan berlian. Dibandingkan dengan harga silikon, harga silikon karbida 30-40 kali lipat dari harga silikon, harga galium nitrida 650-1300 kali lipat dari harga silikon, dan harga bahan berlian sintetis kira-kira 10,000 kali lipat dari harga silikon. Harga yang terlalu tinggi membatasi pengembangan dan penerapan berlian. Cara mengurangi biaya merupakan sebuah terobosan untuk memecahkan dilema pembangunan.

Pandangan

Meskipun semikonduktor berlian saat ini menghadapi kesulitan dalam pengembangan, mereka masih dianggap sebagai bahan yang paling menjanjikan untuk mempersiapkan perangkat elektronik berdaya tinggi, frekuensi tinggi, suhu tinggi, dan kehilangan daya rendah generasi berikutnya. Saat ini, semikonduktor terpanas ditempati oleh silikon karbida. Silikon karbida memiliki struktur intan, tetapi separuh atomnya adalah karbon. Oleh karena itu, dapat dianggap sebagai setengah berlian. Silikon karbida harus menjadi produk peralihan dari era kristal silikon ke era semikonduktor berlian.

Ungkapan “Berlian selamanya, dan satu berlian bertahan selamanya” membuat nama De Beers terkenal hingga saat ini. Untuk semikonduktor berlian, menciptakan jenis kemuliaan lain mungkin memerlukan eksplorasi permanen dan berkelanjutan.

VeTek Semiconductor adalah produsen Cina profesionalLapisan Tantalum Karbida, Lapisan Silikon Karbida, produk GaN,Grafit Khusus, Keramik Silikon KarbidaDanKeramik Semikonduktor Lainnya. VeTek Semiconductor berkomitmen untuk menyediakan solusi canggih untuk berbagai produk Pelapisan untuk industri semikonduktor.

Jika Anda memiliki pertanyaan atau memerlukan detail tambahan, jangan ragu untuk menghubungi kami.

Massa/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Surel: anny@veteksemi.com