Udfordringen ved industrialisering af diamanthalvleder

I øjeblikket er diamanthalvledere på et kritisk stadium i overgangen fra forskning og udvikling til praktiske anvendelser. Selvom de har opnået visse anvendelsesresultater inden for områder som termisk ledende substrater og strålingsdetektorer, står de stadig over for mange udfordringer.

 

Materialevækst er den primære udfordring for industrialiseringen af ​​diamanthalvledere. De nuværende almindelige 12 tommer siliciumwafers har opnået store-applikationer, hvilket kan reducere enhedsomkostningerne for chips betydeligt, mens størrelsen af ​​diamant-enkeltkrystalsubstrater er meget mindre end 8 tommer, hvilket direkte begrænser chipintegration og -produktion. Små substrater opfylder ikke kun de høje-densitetslayoutkrav for integrerede kredsløb i stor-skala, men øger også udstyrsafskrivninger, råmaterialeforbrug og andre delte omkostninger, hvilket svækker priskonkurrenceevnen.

 

Der er også flaskehalse i forberedelsesteknologien. Kemisk dampudfældning (CVD) er den almindelige metode, men væksthastigheden er kun få mikrometer til titusvis af mikrometer i timen, hvilket er svært at matche halvlederindustriens effektive produktionsbehov. Det kræver også præcis kontrol af flere parametre, og udstyr og driftsomkostninger er høje. Selvom højtemperatur- og højtryksmetoden (HTHP) kan producere diamant, er den tilbøjelig til at introducere urenheder og defekter og kan ikke bruges direkte i halvledere. Imidlertid skal krystalkvaliteten og ensartetheden af ​​diamant fremstillet ved CVD-metoden stadig forbedres.

 

Med hensyn til dopingteknologi er både p-type og n-type i et dilemma. P--doping er hovedsageligt afhængig af boratomer, men ioniseringsenergien af ​​bor er så høj som 0,37 eV, hvilket gør det vanskeligt at ionisere fuldstændigt ved stuetemperatur og resulterer i ekstremt lav bærerkoncentration. Hvis der udføres kraftig doping for at øge koncentrationen, vil det føre til en stigning i gitterspænding og overfladedefekter, intensivere elektronhul-rekombination og øge enhedens tur- på spænding og på modstand.

I teorien kan n-type-doping bruge fosforatomer, men deres atomradius er meget større end carbonatomers, hvilket kan forårsage alvorlig gitterforvrængning under doping. Denne forvrængning øger betydeligt sandsynligheden for transportørspredning, hvilket fører til et kraftigt fald i mobiliteten. I øjeblikket er det stadig svært at opnå høj koncentration og høj-kvalitet n-doteret diamant, hvilket begrænser anvendelsen af ​​relaterede enheder.

 

Nogle eksperter forudsiger dog, at 4-tommer diamantsubstrater forventes at opnå masseproduktion i de næste 3-5 år, og deres fremragende konduktivitetsegenskaber forventes at løse det globale problem med manglen på effektive p-type enheder i halvledere med brede båndgab.

 

I enhedsfremstilling har traditionelle halvlederprocesser dårlig kompatibilitet med diamant. I fotolitografiprocessen er diamantens overfladeegenskaber specielle, og almindelig fotoresist er vanskelig at klæbe ensartet, hvilket let kan føre til mønsterforvrængning og ujævne linjer; I ætsningsprocessen har diamant ekstrem stærk kemisk stabilitet, og de fleste traditionelle ætsemidler har svage effekter, hvilket gør det vanskeligt at kontrollere ætsningens dybde og form nøjagtigt.

 

Diamantens superhårde egenskaber giver også udfordringer for forarbejdningen. Silicium- og siliciumcarbidpoleringspuder skal opnå fladhed på atomniveau (ruhed RMS Mindre end eller lig med 0,1 nm), mens diamant har ekstrem høj hårdhed og almindelige slibeværktøjer slides hurtigt. Selv med diamantslibeskiver er der stadig problemer såsom lav effektivitet og let termisk beskadigelse, hvilket gør det vanskeligt at opfylde kravene til overfladekvaliteten på "substratniveau".