Η πρόκληση της βιομηχανοποίησης του διαμαντιού ημιαγωγού

Επί του παρόντος, οι ημιαγωγοί διαμαντιών βρίσκονται σε ένα κρίσιμο στάδιο μετάβασης από την έρευνα και την ανάπτυξη σε πρακτικές εφαρμογές. Αν και έχουν επιτύχει ορισμένα αποτελέσματα εφαρμογής σε τομείς όπως τα θερμικά αγώγιμα υποστρώματα και οι ανιχνευτές ακτινοβολίας, εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν πολλές προκλήσεις.

 

Η ανάπτυξη υλικών είναι η κύρια πρόκληση για την εκβιομηχάνιση των ημιαγωγών διαμαντιών. Οι τρέχουσες κύριες γκοφρέτες πυριτίου 12 ιντσών έχουν επιτύχει εφαρμογές-μεγάλης κλίμακας, οι οποίες μπορούν να μειώσουν σημαντικά το μοναδιαίο κόστος των τσιπ, ενώ το μέγεθος των υποστρωμάτων μονοκρυστάλλου διαμαντιού είναι πολύ μικρότερο από 8 ίντσες, περιορίζοντας άμεσα την ενοποίηση και την παραγωγή τσιπ. Τα μικρού μεγέθους υποστρώματα όχι μόνο δεν ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις διάταξης υψηλής πυκνότητας-των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων-μεγάλης κλίμακας, αλλά αυξάνουν επίσης την απόσβεση του εξοπλισμού, την κατανάλωση πρώτων υλών και άλλα κοινά κόστη, αποδυναμώνοντας την ανταγωνιστικότητα των τιμών.

 

Υπάρχουν επίσης σημεία συμφόρησης στην τεχνολογία παρασκευής. Η εναπόθεση χημικών ατμών (CVD) είναι η κύρια μέθοδος, αλλά ο ρυθμός ανάπτυξης είναι μόνο λίγα μικρόμετρα έως δεκάδες μικρόμετρα ανά ώρα, κάτι που είναι δύσκολο να ανταποκριθεί στις αποδοτικές ανάγκες παραγωγής της βιομηχανίας ημιαγωγών. Απαιτεί επίσης ακριβή έλεγχο πολλαπλών παραμέτρων και το κόστος εξοπλισμού και λειτουργίας είναι υψηλά. Αν και η μέθοδος υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης (HTHP) μπορεί να παράγει διαμάντι, είναι επιρρεπής στην εισαγωγή ακαθαρσιών και ελαττωμάτων και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας σε ημιαγωγούς. Ωστόσο, η ποιότητα των κρυστάλλων και η ομοιομορφία του διαμαντιού που παρασκευάζεται με τη μέθοδο CVD πρέπει ακόμη να βελτιωθούν.

 

Όσον αφορά την τεχνολογία ντόπινγκ, τόσο το p{0}}type όσο και το n-type βρίσκονται σε δίλημμα. Το ντόπινγκ τύπου P βασίζεται κυρίως σε άτομα βορίου, αλλά η ενέργεια ιονισμού του βορίου είναι τόσο υψηλή όσο 0,37 eV, καθιστώντας δύσκολο τον πλήρη ιονισμό σε θερμοκρασία δωματίου και καταλήγοντας σε εξαιρετικά χαμηλή συγκέντρωση φορέα. Εάν εκτελεστεί βαρύ ντόπινγκ για να αυξηθεί η συγκέντρωση, θα οδηγήσει σε αύξηση της τάσης του πλέγματος και των επιφανειακών ελαττωμάτων, θα ενταθεί ο ανασυνδυασμός της οπής ηλεκτρονίων και θα αυξηθεί η στροφή-της συσκευής στην τάση και στην αντίσταση.

Θεωρητικά, το ν-τύπο ντόπινγκ μπορεί να χρησιμοποιήσει άτομα φωσφόρου, αλλά η ατομική τους ακτίνα είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των ατόμων άνθρακα, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει σοβαρή παραμόρφωση του πλέγματος κατά τη διάρκεια του ντόπινγκ. Αυτή η παραμόρφωση αυξάνει σημαντικά την πιθανότητα διασποράς του φορέα, οδηγώντας σε απότομη μείωση της κινητικότητας. Επί του παρόντος, εξακολουθεί να είναι δύσκολο να αποκτήσετε υψηλής συγκέντρωσης και υψηλής ποιότητας n-διαμάντι υψηλής ποιότητας, γεγονός που περιορίζει την εφαρμογή σχετικών συσκευών.

 

Ωστόσο, ορισμένοι ειδικοί προβλέπουν ότι τα υποστρώματα διαμαντιού 4{2} ιντσών αναμένεται να επιτύχουν μαζική παραγωγή τα επόμενα 3-5 χρόνια και τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά αγωγιμότητας τους αναμένεται να λύσουν το παγκόσμιο πρόβλημα της έλλειψης αποδοτικών συσκευών τύπου p σε ημιαγωγούς ευρείας ζώνης.

 

Στην κατασκευή συσκευών, οι παραδοσιακές διεργασίες ημιαγωγών έχουν κακή συμβατότητα με το διαμάντι. Στη διαδικασία της φωτολιθογραφίας, τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας του διαμαντιού είναι ιδιαίτερα και το συνηθισμένο φωτοανθεκτικό είναι δύσκολο να προσκολληθεί ομοιόμορφα, γεγονός που μπορεί εύκολα να οδηγήσει σε παραμόρφωση σχεδίου και ανομοιόμορφες γραμμές. Στη διαδικασία χάραξης, το διαμάντι έχει εξαιρετικά ισχυρή χημική σταθερότητα και τα περισσότερα παραδοσιακά χαρακτικά έχουν ασθενή αποτελέσματα, καθιστώντας δύσκολο τον ακριβή έλεγχο του βάθους και του σχήματος χάραξης.

 

Οι υπερσκληρές ιδιότητες του διαμαντιού θέτουν επίσης προκλήσεις για την επεξεργασία. Τα επιθέματα στίλβωσης πυριτίου και καρβιδίου του πυριτίου πρέπει να επιτύχουν επιπεδότητα ατομικού επιπέδου (τραχύτητα RMS μικρότερη ή ίση με 0,1 nm), ενώ το διαμάντι έχει εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα και τα συνηθισμένα εργαλεία λείανσης φθείρονται γρήγορα. Ακόμη και με τους τροχούς λείανσης διαμαντιών, εξακολουθούν να υπάρχουν προβλήματα όπως η χαμηλή απόδοση και η εύκολη θερμική ζημιά, γεγονός που καθιστά δύσκολη την κάλυψη των απαιτήσεων ποιότητας της επιφάνειας "επίπεδο υποστρώματος".