Предизвикателството на индустриализацията на диамантените полупроводници

В момента диамантените полупроводници са в критичен етап на преход от научноизследователска и развойна дейност към практически приложения. Въпреки че са постигнали определени резултати при приложение в области като топлопроводими субстрати и радиационни детектори, те все още са изправени пред много предизвикателства.

 

Растежът на материала е основното предизвикателство за индустриализацията на диамантените полупроводници. Настоящите масови 12-инчови силициеви пластини са постигнали широко{2}}мащабни приложения, които могат значително да намалят единичната цена на чиповете, докато размерът на диамантените монокристални субстрати е много по-малък от 8 инча, което директно ограничава интегрирането и производството на чипове. Субстратите с малък размер не само не отговарят на изискванията за висока-плотност на оформлението на широко-мащабните интегрални схеми, но също така повишават амортизацията на оборудването, потреблението на суровини и други споделени разходи, отслабвайки ценовата конкурентоспособност.

 

Тесни места има и в технологията на приготвяне. Химичното отлагане на пари (CVD) е основният метод, но скоростта на растеж е само няколко микрометра до десетки микрометра на час, което е трудно да се отговори на ефективните производствени нужди на полупроводниковата индустрия. Освен това изисква прецизен контрол на множество параметри, а оборудването и оперативните разходи са високи. Въпреки че методът с висока температура и високо налягане (HTHP) може да произведе диамант, той е предразположен към въвеждане на примеси и дефекти и не може да се използва директно в полупроводници. Въпреки това, кристалното качество и еднородността на диаманта, получен чрез CVD метод, все още трябва да бъдат подобрени.

 

От гледна точка на технологията за допинг, както типът p-, така и типът n- са в дилема. Допингът тип P- разчита главно на борни атоми, но йонизационната енергия на бора е толкова висока, колкото 0,37 eV, което затруднява пълното йонизиране при стайна температура и води до изключително ниска концентрация на носител. Ако се извърши силно допиране, за да се увеличи концентрацията, това ще доведе до увеличаване на напрежението на решетката и повърхностните дефекти, ще засили рекомбинацията на електронните дупки и ще увеличи-напрежението и съпротивлението на устройството.

На теория допингът от тип n- може да използва фосфорни атоми, но техният атомен радиус е много по-голям от този на въглеродните атоми, което може да причини сериозно изкривяване на решетката по време на допиране. Това изкривяване значително увеличава вероятността от разсейване на носителя, което води до рязко намаляване на подвижността. Понастоящем все още е трудно да се получи висока концентрация и високо-качествен n-тип легиран диамант, което ограничава приложението на свързани устройства.

 

Някои експерти обаче прогнозират, че 4--инчовите диамантени субстрати се очаква да постигнат масово производство през следващите 3-5 години и техните отлични характеристики на проводимост се очаква да решат глобалния проблем с липсата на ефективни устройства от p-тип в полупроводниците с широка лента.

 

При производството на устройства традиционните полупроводникови процеси имат слаба съвместимост с диаманта. В процеса на фотолитография повърхностните характеристики на диаманта са специални и обикновеният фоторезист е трудно да се залепи равномерно, което лесно може да доведе до изкривяване на модела и неравномерни линии; В процеса на ецване диамантът има изключително силна химическа стабилност, а повечето традиционни ецващи средства имат слаб ефект, което затруднява точното контролиране на дълбочината и формата на ецване.

 

Свръхтвърдите свойства на диаманта също създават предизвикателства за обработката. Подложките за полиране от силиций и силициев карбид трябва да постигнат плоскост на атомно ниво (грапавост RMS по-малка или равна на 0,1 nm), докато диамантът има изключително висока твърдост и обикновените шлифовъчни инструменти се износват бързо. Дори при диамантените шлифовъчни дискове все още има проблеми като ниска ефективност и лесна термична повреда, което затруднява изпълнението на изискванията за качество на повърхността на "нивото на субстрата".