Diamond - erdieroaleen etorkizuneko izarra

Zientzia eta teknologiaren garapen azkarrarekin eta errendimendu handiko eta eraginkortasun handiko gailu erdieroaleen eskari global gero eta handiagoarekin, erdieroaleen substratu-materialak, erdieroaleen industria-katearen funtsezko lotura tekniko gisa, gero eta garrantzi handiagoa hartzen ari dira. Horien artean, diamantea, laugarren belaunaldiko "azken erdieroale" material potentzial gisa, pixkanaka ikerketa-gune bat eta merkatuko gogokoena bihurtzen ari da erdieroaleen substratu materialen alorrean, bere propietate fisiko eta kimiko bikainengatik.

Diamantearen propietateak

Diamantea kristal atomiko eta lotura kobalentezko kristal tipikoa da. Kristalaren egitura 1 (a) irudian ageri da. Erdiko karbono-atomoaz osatuta dago, lotura kobalente moduan beste hiru karbono-atomoei lotuta. 1 (b) irudia zelula unitarioaren egitura da, eta diamantearen aldizkakotasun mikroskopikoa eta egitura-simetria islatzen ditu.

1. irudia Diamantea (a) kristal-egitura; (b) zelula unitarioen egitura

Diamantea munduko material gogorrena da, propietate fisiko eta kimiko paregabeak dituena, eta mekanika, elektrizitate eta optikako propietate bikainak dituena, 2. irudian ikusten den bezala: Diamanteak gogortasun eta higadura erresistentzia oso handia du, materialak ebakitzeko eta koskagailuetarako egokia da, etab. ., eta ondo erabiltzen da tresna urratzaileetan; (2) Diamanteak du eroankortasun termiko handiena (2200W/(m·K)) orain arte ezagutzen diren substantzia naturalen artean, hau da, silizio karburoa (SiC) baino 4 aldiz handiagoa, silizioa (Si baino 13 aldiz handiagoa), 43 aldiz handiagoa. galio arseniuroa (GaAs), eta kobrea eta zilarra baino 4 eta 5 aldiz handiagoa, eta potentzia handiko gailuetan erabiltzen da. Propietate bikainak ditu, hala nola hedapen termiko baxua koefizientea (0,8 × 10-6-1,5 × 10).^-6K^-1) eta modulu elastiko handia. Itxaropen onak dituen ontzi elektronikoen material bikaina da. 

Zuloaren mugikortasuna 4500 cm2·V-koa da^-1·s^-1, eta elektroien mugikortasuna 3800 cm2·V da^-1·s^-1, abiadura handiko kommutazio gailuetarako aplikagarria egiten duena; matxura-eremuaren indarra 13MV/cm-koa da, tentsio handiko gailuetan aplika daitekeena; Baliga merituaren zifra 24664 bezain altua da, hau da, beste material batzuk baino askoz ere handiagoa (zenbat eta balio handiagoa izan, orduan eta potentzial handiagoa izango da aldatzeko gailuetan erabiltzeko). 

Diamante polikristalinoak dekorazio efektua ere badu. Diamante estaldurak flash efektua ez ezik, hainbat kolore ere baditu. Goi-mailako erlojuak, luxuzko produktuetarako estaldura apaingarriak eta zuzenean moda produktu gisa erabiltzen da. Diamantearen indarra eta gogortasuna Corning beirarena 6 eta 10 aldiz handiagoa da, beraz, telefono mugikorren pantailetan eta kameraren lenteetan ere erabiltzen da.

2. irudia Diamante eta beste material erdieroale batzuen propietateak

Diamantea prestatzea

Diamantearen hazkundea HTHP metodoan banatzen da (tenperatura altuko eta presio handiko metodoa) etaCVD metodoa (lurrun-deposizio kimikoaren metodoa). CVD metodoa diamante erdieroaleen substratuak prestatzeko metodo nagusia bihurtu da presio handiko erresistentzia, irrati-maiztasun handia, kostu baxua eta tenperatura altuko erresistentzia bezalako abantailak direla eta. Bi hazkuntza-metodoek aplikazio ezberdinetan oinarritzen dira, eta harreman osagarria erakutsiko dute etorkizunean denbora luzez.

Tenperatura altuko eta presio handiko metodoa (HTHP) grafitoaren nukleoko zutabe bat egitea da, grafito hautsa, metal katalizatzailearen hautsa eta gehigarriak lehengaien formulak zehaztutako proportzioan nahastuz, eta gero granulatzea, prentsaketa estatikoa, hutsean murriztea, ikuskatzea, pisatzea. eta beste prozesu batzuk. Grafitoaren nukleoaren zutabea bloke konposatuarekin, pieza osagarriekin eta presio-transmisio-euskarri zigilatuekin muntatzen da bloke sintetiko bat osatzeko, diamante bakarreko kristalak sintetizatzeko erabil daitekeen. Horren ondoren, sei aldetako goiko prentsa batean jartzen da berotzeko eta presioratzeko eta denbora luzez etengabe mantentzen da. Kristalaren hazkuntza amaitu ondoren, beroa gelditzen da eta presioa askatzen da, eta zigilatutako presio-transmisio-euskarria kentzen da zutabe sintetikoa lortzeko, gero araztu eta ordenatzen den diamante-kristal bakarrak lortzeko.

3. irudia Sei aldeko goiko prentsaren egitura-diagrama

Katalizatzaile metalikoak erabiltzearen ondorioz, HTHP metodo industrialaren bidez prestatutako diamante partikulek ezpurutasun eta akats jakin batzuk izan ohi dituzte, eta nitrogenoa gehitzearen ondorioz, tonu horia izan ohi dute. Teknologia berritu ondoren, tenperatura altuko eta presio handiko diamanteen prestaketak tenperatura-gradientearen metodoa erabil dezake partikula handien kalitate handiko diamante kristal bakarreak ekoizteko, diamante industrialaren urratzaile-kalifikazioa gema-kalifikaziora eraldaketaz jabetuz.

4. irudia Diamantearen morfologia

Lurrun-deposizio kimikoa (CVD) diamante-filmak sintetizatzeko metodorik ezagunena da. Metodo nagusien artean harizpi beroko lurrun-deposizio kimikoa (HFCVD) etamikrouhin-plasma-lurrun-deposizio kimikoa (MPCVD).

(1) Harizpi beroaren lurrun-jadapen kimikoa

HFCVD-ren oinarrizko printzipioa da erreakzio-gasa tenperatura altuko metal-hari batekin talka egitea huts-ganbera batean, "kargarik gabeko" talde oso aktibo ugari sortzeko. Sortutako karbono-atomoak substratu-materialean metatzen dira nanodiamanteak sortzeko. Ekipamendua funtzionatzeko erraza da, hazkunde-kostu txikia du, oso erabilia da eta ekoizpen industriala lortzeko erraza da. Deskonposizio termikoko eraginkortasun txikia eta harizpiaren eta elektrodoaren metal atomoen kutsadura larriaren ondorioz, HFCVD normalean ale-mugan sp2 faseko karbono-ezpurutasun kopuru handia duten diamante polikristalino-filmak prestatzeko erabiltzen da normalean, beraz, oro har, gris-beltza da. .

5. irudia (a) HFCVD ekipoen diagrama, (b) huts-ganberaren egituraren diagrama

(2) Mikrouhinen plasma lurrun-jadapen kimikoa

MPCVD metodoak magnetroia edo egoera solidoko iturria erabiltzen du maiztasun espezifikoko mikrouhinak sortzeko, erreakzio-ganbera uhin-gidaren bidez elikatzen direnak, eta substratuaren gainean uhin egonkorrak eratzen dituzte erreakzio-ganberaren dimentsio geometriko berezien arabera. 

Oso fokatutako eremu elektromagnetikoak erreakzio-gasak metanoa eta hidrogenoa hausten ditu hemen plasma-bola egonkor bat osatzeko. Elektroietan aberatsak, ioietan aberatsak eta talde atomiko aktiboak nukleatu eta haziko dira substratuan tenperatura eta presio egokian, hazkuntza homoepitaxiala poliki-poliki eraginez. HFCVD-rekin alderatuta, metalezko alanbre beroak lurruntzeak eragindako diamante-filmaren kutsadura saihesten du eta nanodiamante-filmaren garbitasuna areagotzen du. Prozesuan HFCVD baino erreakzio-gas gehiago erabil daitezke, eta metatutako diamante-kristal bakarrak diamante naturalak baino puruagoak dira. Hori dela eta, gradu optikoko diamante polikristalino leihoak, gradu elektronikoko diamante kristal bakarrekoak eta abar prestatu daitezke.

6. irudia MPCVDren barne egitura

Diamantearen garapena eta dilema

1963an lehenengo diamante artifiziala arrakastaz garatu zenetik, 60 urte baino gehiagoko garapenaren ondoren, nire herrialdea munduko diamante artifizialaren ekoizpen handiena duen herrialdea bihurtu da, munduko % 90 baino gehiago hartzen duena. Hala ere, Txinako diamanteak gama baxuko eta ertaineko aplikazioen merkatuetan kontzentratzen dira batez ere, hala nola artezketa urratzailea, optika, ur zikinen tratamendua eta beste alor batzuetan. Etxeko diamanteen garapena handia da, baina ez da sendoa, eta desabantailan dago arlo askotan, hala nola goi-mailako ekipamenduetan eta maila elektronikoko materialetan. 

CVD diamanteen alorrean lorpen akademikoei dagokienez, Estatu Batuetan, Japonian eta Europan egindako ikerketa lidergoan dago, eta nire herrialdean ikerketa original gutxi dago. "Bost Urteko 13. Planaren" ikerketa eta garapen gakoen laguntzarekin, tamaina handiko diamante-kristal bakarreko epitaxial spliced ​​etxeko munduko lehen mailako posiziora jauzi egin dute. Kristal bakar epitaxial heterogeneoei dagokienez, oraindik ere hutsune handia dago tamainan eta kalitatean, "14. Bosturteko Planean" gaindi daitekeena.

Mundu osoko ikertzaileek diamanteen hazkundeari, dopinari eta gailuen muntaketari buruzko ikerketa sakonak egin dituzte, gailu optoelektronikoetan diamanteen aplikazioa gauzatzeko eta diamanteak material anitzeko material gisa dituzten itxaropenak asetzeko. Hala ere, diamantearen banda-aldea 5,4 eV-koa da. Bere p motako eroankortasuna boro-doping bidez lor daiteke, baina oso zaila da n motako eroankortasuna lortzea. Hainbat herrialdetako ikertzaileek nitrogenoa, fosforoa eta sufrea bezalako ezpurutasunak dopatu dituzte kristal bakarrean edo diamante polikristalinotan, sareko karbono atomoak ordezkatzeko moduan. Hala ere, emaileen energia maila sakona edo ezpurutasunak ionizatzeko zailtasuna dela eta, ez da n motako eroankortasun ona lortu, eta horrek asko mugatzen du diamantean oinarritutako gailu elektronikoen ikerketa eta aplikazioa. 

Aldi berean, azalera handiko kristal bakarreko diamantea zaila da kristal bakarreko siliziozko obleak bezalako kantitate handietan prestatzea, hau da, diamanteetan oinarritutako gailu erdieroaleen garapenean, beste zailtasun bat. Goiko bi arazoek erakusten dute lehendik dagoen erdieroaleen dopinaren eta gailuen garapenaren teoria zaila dela diamante n motako dopinaren eta gailuen muntaketaren arazoak konpontzeko. Beharrezkoa da beste dopin-metodo eta dopatzaileak bilatzea, edota dopin eta gailuen garapen-printzipio berriak garatzea.

Prezio handiegiek ere mugatzen dute diamanteen garapena. Silizioaren prezioarekin alderatuta, silizio karburoaren prezioa silizioarena baino 30-40 aldiz handiagoa da, galio nitruroaren prezioa silizioarena 650-1300 aldiz handiagoa da eta diamante sintetikoen materialen prezioa silizioarena 10.000 aldiz gutxi gorabehera. Prezio altuegiak diamanteen garapena eta aplikazioa mugatzen du. Kostuak nola murriztu garapenaren dilema hausteko aurrerapauso puntua da.

Outlook

Gaur egun diamante erdieroaleak garapenean zailtasunak dituzten arren, oraindik ere potentzia handiko, maiztasun handiko, tenperatura altuko eta potentzia txikiko galera baxuko gailu elektronikoen hurrengo belaunaldia prestatzeko material itxaropentsuena dela uste da. Gaur egun, erdieroale beroenak silizio karburoak hartzen ditu. Silizio karburoak diamantearen egitura du, baina bere atomoen erdia karbonoa da. Hori dela eta, diamante erdi bat bezala har daiteke. Silizio karburoa silizio kristalaren garaitik diamante erdieroaleen arorako trantsizio-produktua izan behar da.

"Diamonds are forever, and one diamond lasts forever" esaldiak gaur arte famatu egin du De Beers izena. Diamante erdieroaleentzat, beste aintza mota bat sortzeak esplorazio iraunkor eta etengabea behar du.

VeTek Semiconductor Txinako fabrikatzaile profesionala daTantalo Karburozko Estaldura, Siliziozko karburozko estaldura, GaN produktuak,Grafito berezia, Silizio Karburo ZeramikaetaBeste Erdieroale Zeramika batzuk. VeTek Semiconductor-ek erdieroaleen industriarako estaldura produktuetarako soluzio aurreratuak eskaintzeko konpromisoa hartu du.

Kontsultarik baduzu edo xehetasun gehiago behar badituzu, ez izan zalantzarik eta jarri gurekin harremanetan.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Posta elektronikoa: anny@veteksemi.com