Provocarea industrializării semiconductorilor de diamant

În prezent, semiconductorii de diamant se află într-un stadiu critic de tranziție de la cercetare și dezvoltare la aplicații practice. Deși au obținut anumite rezultate de aplicare în domenii precum substraturile conductoare termice și detectoarele de radiații, ei se confruntă în continuare cu multe provocări.

 

Creșterea materialului este principala provocare pentru industrializarea semiconductorilor de diamant. Actualele plachete de siliciu de 12 inchi au realizat aplicații la scară largă-, care pot reduce semnificativ costul unitar al cipurilor, în timp ce dimensiunea substraturilor cu un singur cristal de diamant este mult mai mică de 8 inchi, limitând direct integrarea și producția cipurilor. Substraturile de dimensiuni mici nu numai că nu îndeplinesc cerințele de-densitate mare a circuitelor integrate-la scară mare, dar și determină deprecierea echipamentelor, consumul de materii prime și alte costuri comune, slăbind competitivitatea prețurilor.

 

Există, de asemenea, blocaje în tehnologia de preparare. Depunerea chimică în vapori (CVD) este metoda principală, dar rata de creștere este de doar câțiva micrometri până la zeci de micrometri pe oră, ceea ce este dificil de a se potrivi nevoilor de producție eficiente ale industriei semiconductoarelor. De asemenea, necesită un control precis al mai multor parametri, iar echipamentele și costurile de operare sunt mari. Deși metoda de temperatură înaltă și presiune înaltă (HTHP) poate produce diamant, acesta este predispus la introducerea de impurități și defecte și nu poate fi utilizat direct în semiconductori. Cu toate acestea, calitatea cristalului și uniformitatea diamantului preparat prin metoda CVD trebuie încă îmbunătățite.

 

În ceea ce privește tehnologia dopajului, atât tipul p-, cât și tipul n- se află într-o dilemă. Dopajul de tip P-se bazează în principal pe atomii de bor, dar energia de ionizare a borului este de până la 0,37eV, ceea ce face dificilă ionizarea completă la temperatura camerei și rezultând o concentrație extrem de scăzută a purtătorului. Dacă se efectuează dopaj intens pentru a crește concentrația, aceasta va duce la o creștere a tensiunii rețelei și a defectelor de suprafață, va intensifica recombinarea găurilor de electroni și va crește pornirea dispozitivului-la tensiune și a rezistenței.

În teorie, dopajul de tip n-poate folosi atomi de fosfor, dar raza atomică a acestora este mult mai mare decât cea a atomilor de carbon, ceea ce poate provoca distorsiuni severe ale rețelei în timpul dopajului. Această distorsiune crește semnificativ probabilitatea împrăștierii purtătorului, ceea ce duce la o scădere bruscă a mobilității. În prezent, este încă dificil să se obțină o concentrație mare și un diamant de tip n-de înaltă calitate-dopat, ceea ce limitează aplicarea dispozitivelor aferente.

 

Cu toate acestea, unii experți prevăd că substraturile de diamant de 4-inci vor atinge producția de masă în următorii 3-5 ani, iar caracteristicile lor excelente de conductivitate sunt de așteptat să rezolve problema globală a lipsei dispozitivelor eficiente de tip p în semiconductori cu bandă interzisă largă.

 

În fabricarea dispozitivelor, procesele tradiționale cu semiconductori au o compatibilitate slabă cu diamantul. În procesul de fotolitografie, caracteristicile suprafeței diamantului sunt speciale, iar fotorezistul obișnuit este dificil de aderat uniform, ceea ce poate duce cu ușurință la denaturarea modelului și la linii inegale; În procesul de gravare, diamantul are o stabilitate chimică extrem de puternică, iar majoritatea agenților de gravare tradiționali au efecte slabe, ceea ce face dificilă controlul cu precizie a adâncimii și formei de gravare.

 

Proprietățile superdure ale diamantului reprezintă, de asemenea, provocări pentru procesare. Tampoanele de lustruire din siliciu și carbură de siliciu trebuie să atingă planeitatea la nivel atomic (rugozitate RMS mai mică sau egală cu 0,1 nm), în timp ce diamantul are o duritate extrem de mare și uneltele obișnuite de șlefuit se uzează rapid. Chiar și cu roți de șlefuit cu diamant, există încă probleme precum eficiența scăzută și deteriorarea termică ușoară, ceea ce face dificilă îndeplinirea cerințelor de calitate a suprafeței „nivelul substratului”.