De uitdaging van de industrialisatie van diamanthalfgeleiders

Momenteel bevinden diamanthalfgeleiders zich in een kritieke fase van de overgang van onderzoek en ontwikkeling naar praktische toepassingen. Hoewel ze bepaalde toepassingsresultaten hebben behaald op gebieden als warmtegeleidende substraten en stralingsdetectoren, staan ​​ze nog steeds voor veel uitdagingen.

 

Materiaalgroei is de voornaamste uitdaging voor de industrialisatie van diamanthalfgeleiders. De huidige mainstream siliciumwafels van 12 inch hebben grootschalige toepassingen bereikt, die de kosten per eenheid van chips aanzienlijk kunnen verlagen, terwijl de grootte van diamant-monokristalsubstraten veel kleiner is dan 8 inch, wat de integratie en productie van chips direct beperkt. Klein formaat substraten voldoen niet alleen niet aan de lay-outvereisten met hoge dichtheid van grootschalige geïntegreerde schakelingen, maar drijven ook de afschrijving van apparatuur, het grondstoffenverbruik en andere gedeelde kosten op, waardoor het prijsconcurrentievermogen wordt verzwakt.

 

Ook in de bereidingstechnologie zijn er knelpunten. Chemische dampdepositie (CVD) is de gangbare methode, maar de groeisnelheid bedraagt ​​slechts enkele micrometers tot tientallen micrometers per uur, wat moeilijk te evenaren is aan de efficiënte productiebehoeften van de halfgeleiderindustrie. Het vereist ook nauwkeurige controle van meerdere parameters, en de apparatuur- en bedrijfskosten zijn hoog. Hoewel de hogetemperatuur- en hogedrukmethode (HTHP) diamant kan produceren, is deze gevoelig voor het introduceren van onzuiverheden en defecten, en kan deze niet rechtstreeks in halfgeleiders worden gebruikt. De kristalkwaliteit en uniformiteit van diamant bereid met de CVD-methode moeten echter nog worden verbeterd.

 

Op het gebied van dopingtechnologie bevinden zowel het p-type als het n-type zich in een dilemma. P-type doping is voornamelijk afhankelijk van booratomen, maar de ionisatie-energie van boor is maar liefst 0,37 eV, waardoor het moeilijk is om volledig te ioniseren bij kamertemperatuur en dit resulteert in een extreem lage dragerconcentratie. Als zware doping wordt uitgevoerd om de concentratie te verhogen, zal dit leiden tot een toename van de roosterspanning en oppervlaktedefecten, de recombinatie van elektronengaten intensiveren en de inschakelspanning en weerstand van het apparaat verhogen.

In theorie kan bij doping van het n-type fosforatomen worden gebruikt, maar hun atomaire straal is veel groter dan die van koolstofatomen, wat tijdens doping ernstige roostervervorming kan veroorzaken. Deze vervorming vergroot de kans op dragerverstrooiing aanzienlijk, wat leidt tot een scherpe afname van de mobiliteit. Momenteel is het nog steeds moeilijk om n-type gedoteerde diamant met een hoge concentratie en hoge kwaliteit te verkrijgen, wat de toepassing van gerelateerde apparaten beperkt.

 

Sommige experts voorspellen echter dat 4-inch diamantsubstraten naar verwachting in de komende drie tot vijf jaar massaproductie zullen bereiken, en dat hun uitstekende geleidbaarheidseigenschappen naar verwachting het mondiale probleem van het gebrek aan efficiënte p-type apparaten in halfgeleiders met grote bandafstand zullen oplossen.

 

Bij de productie van apparaten zijn traditionele halfgeleiderprocessen slecht compatibel met diamant. Bij het fotolithografieproces zijn de oppervlaktekenmerken van diamant speciaal en is gewone fotoresist moeilijk uniform te hechten, wat gemakkelijk kan leiden tot patroonvervorming en ongelijkmatige lijnen; Tijdens het etsproces heeft diamant een extreem sterke chemische stabiliteit, en de meeste traditionele etsmiddelen hebben zwakke effecten, waardoor het moeilijk is om de etsdiepte en -vorm nauwkeurig te controleren.

 

De superharde eigenschappen van diamant vormen ook uitdagingen voor de verwerking. Silicium- en siliciumcarbide-polijstpads moeten vlakheid op atomair niveau bereiken (ruwheid RMS kleiner dan of gelijk aan 0,1 nm), terwijl diamant een extreem hoge hardheid heeft en gewone slijpgereedschappen snel verslijten. Zelfs met diamantslijpschijven zijn er nog steeds problemen zoals een laag rendement en gemakkelijke thermische schade, waardoor het moeilijk wordt om aan de oppervlaktekwaliteitseisen op "substraatniveau" te voldoen.