Izazov industrijalizacije dijamantnog poluvodiča

Trenutno su dijamantni poluvodiči u kritičnoj fazi prijelaza iz istraživanja i razvoja u praktične primjene. Iako su postigli određene rezultate primjene u područjima kao što su toplinski vodljive podloge i detektori zračenja, još uvijek se suočavaju s mnogim izazovima.

 

Rast materijala primarni je izazov za industrijalizaciju dijamantnih poluvodiča. Trenutačne glavne 12-inčne silicijske pločice postigle su -primjene velikih razmjera, što može značajno smanjiti jediničnu cijenu čipova, dok je veličina dijamantnih monokristalnih supstrata mnogo manja od 8 inča, izravno ograničavajući integraciju čipova i proizvodnju. Podloge male veličine ne samo da ne ispunjavaju zahtjeve velike-gustoće rasporeda velikih-integriranih krugova, već također povećavaju amortizaciju opreme, potrošnju sirovina i druge zajedničke troškove, slabeći cjenovnu konkurentnost.

 

Postoje i uska grla u tehnologiji pripreme. Kemijsko taloženje iz pare (CVD) je glavna metoda, ali stopa rasta je samo nekoliko mikrometara do desetaka mikrometara po satu, što je teško zadovoljiti učinkovite proizvodne potrebe industrije poluvodiča. Također zahtijeva preciznu kontrolu više parametara, a troškovi opreme i rada su visoki. Iako se metodom visoke temperature i visokog tlaka (HTHP) može proizvesti dijamant, ona je sklona unošenju nečistoća i nedostataka i ne može se izravno koristiti u poluvodičima. Međutim, kvalitetu kristala i ujednačenost dijamanta pripremljenog CVD metodom tek treba poboljšati.

 

Što se tiče tehnologije dopinga, i p-tip i n-tip su u dilemi. Dopiranje tipa P- uglavnom se oslanja na atome bora, ali energija ionizacije bora iznosi čak 0,37 eV, što otežava potpunu ionizaciju na sobnoj temperaturi i rezultira iznimno niskom koncentracijom nositelja. Ako se izvrši snažno dopiranje da bi se povećala koncentracija, to će dovesti do povećanja naprezanja rešetke i površinskih defekata, intenzivirati rekombinaciju elektronskih šupljina i povećati-napon uključivanja i otpor uređaja.

U teoriji, dopiranje tipa n- može koristiti atome fosfora, ali je njihov atomski radijus puno veći od radijusa ugljikovih atoma, što može uzrokovati ozbiljno izobličenje rešetke tijekom dopiranja. Ova distorzija značajno povećava vjerojatnost raspršenja nositelja, što dovodi do oštrog smanjenja pokretljivosti. Trenutačno je još uvijek teško dobiti dopirani dijamant visoke koncentracije i visoke -kvalitete n-tipa, što ograničava primjenu srodnih uređaja.

 

Međutim, neki stručnjaci predviđaju da se očekuje da će dijamantne podloge od 4-inča postići masovnu proizvodnju u sljedećih 3-5 godina, a očekuje se da će njihove izvrsne karakteristike vodljivosti riješiti globalni problem nedostatka učinkovitih uređaja p-tipa u poluvodičima sa širokim pojasnim razmakom.

 

U proizvodnji uređaja, tradicionalni poluvodički procesi slabo su kompatibilni s dijamantom. U procesu fotolitografije, površinske karakteristike dijamanta su posebne, a obični fotootporni materijal je teško jednoliko lijepiti, što može lako dovesti do iskrivljenja uzorka i neravnih linija; U procesu jetkanja, dijamant ima izuzetno jaku kemijsku stabilnost, a većina tradicionalnih sredstava za jetkanje ima slab učinak, što otežava točnu kontrolu dubine i oblika jetkanja.

 

Supertvrda svojstva dijamanta također predstavljaju izazove za obradu. Jastučići za poliranje od silicija i silicij-karbida moraju postići ravnost na atomskoj razini (hrapavost RMS manja ili jednaka 0,1 nm), dok dijamant ima izuzetno visoku tvrdoću i obični alati za brušenje se brzo troše. Čak i s dijamantnim brusnim pločama još uvijek postoje problemi kao što su niska učinkovitost i lako toplinsko oštećenje, što otežava ispunjavanje zahtjeva kvalitete površine "razine podloge".