Le diamant, la future star des semi-conducteurs

Avec le développement rapide de la science et de la technologie et la demande mondiale croissante de dispositifs semi-conducteurs hautes performances et à haut rendement, les matériaux de substrat semi-conducteur, en tant que maillon technique clé de la chaîne industrielle des semi-conducteurs, deviennent de plus en plus importants. Parmi eux, le diamant, en tant que matériau potentiel « semi-conducteur ultime » de quatrième génération, devient progressivement un point chaud de la recherche et un nouveau favori du marché dans le domaine des matériaux de substrat semi-conducteurs en raison de ses excellentes propriétés physiques et chimiques.

Propriétés du diamant

Le diamant est un cristal atomique typique et un cristal à liaison covalente. La structure cristalline est représentée sur la figure 1 (a). Il se compose de l’atome de carbone central lié aux trois autres atomes de carbone sous la forme d’une liaison covalente. La figure 1 (b) est la structure des cellules unitaires, qui reflète la périodicité microscopique et la symétrie structurelle du diamant.

Figure 1 Diamant (a) structure cristalline ; (b) structure de cellule unitaire

Le diamant est le matériau le plus dur au monde, avec des propriétés physiques et chimiques uniques, et d'excellentes propriétés en mécanique, électricité et optique, comme le montre la figure 2 : Le diamant a une dureté et une résistance à l'usure ultra élevées, adapté à la coupe de matériaux et de pénétrateurs, etc. ., et est bien utilisé dans les outils abrasifs ; (2) Le diamant possède la conductivité thermique la plus élevée (2 200 W/(m·K)) parmi les substances naturelles connues à ce jour, soit 4 fois supérieure à celle du carbure de silicium (SiC), 13 fois supérieure à celle du silicium (Si), 43 fois supérieure à celle du carbure de silicium (SiC). arséniure de gallium (GaAs), et 4 à 5 fois supérieure à celle du cuivre et de l'argent, et est utilisé dans les appareils à haute puissance. Il possède d'excellentes propriétés telles qu'un faible coefficient de dilatation thermique (0,8×10-6-1,5×10^-6K^-1) et un module élastique élevé. C'est un excellent matériau d'emballage électronique avec de bonnes perspectives. 

La mobilité du trou est de 4500 cm2·V^-1·s^-1, et la mobilité électronique est de 3 800 cm2·V^-1·s^-1, ce qui le rend applicable aux dispositifs de commutation à grande vitesse ; l'intensité du champ de claquage est de 13 MV/cm, ce qui peut être appliqué aux appareils à haute tension ; le facteur de mérite de Baliga atteint 24 664, ce qui est beaucoup plus élevé que celui des autres matériaux (plus la valeur est élevée, plus le potentiel d'utilisation dans les appareils de commutation est grand). 

Le diamant polycristallin a également un effet décoratif. Le revêtement diamant a non seulement un effet flash mais présente également une variété de couleurs. Il est utilisé dans la fabrication de montres haut de gamme, de revêtements décoratifs pour produits de luxe et directement comme produit de mode. La résistance et la dureté du diamant sont 6 fois et 10 fois supérieures à celles du verre Corning, il est donc également utilisé dans les écrans de téléphones portables et les objectifs d'appareils photo.

Figure 2 Propriétés du diamant et d'autres matériaux semi-conducteurs

Préparation du diamant

La croissance du diamant est principalement divisée en méthode HTHP (méthode à haute température et haute pression) etMéthode CVD (méthode de dépôt chimique en phase vapeur). La méthode CVD est devenue la méthode courante pour préparer des substrats semi-conducteurs en diamant en raison de ses avantages tels qu'une résistance élevée à la pression, une grande fréquence radio, un faible coût et une résistance aux températures élevées. Les deux méthodes de croissance se concentrent sur des applications différentes et montreront une relation complémentaire pendant longtemps.

La méthode à haute température et haute pression (HTHP) consiste à fabriquer une colonne à noyau de graphite en mélangeant de la poudre de graphite, de la poudre de catalyseur métallique et des additifs dans la proportion spécifiée par la formule de la matière première, puis en granulant, en pressant statique, en réduisant le vide, en inspectant et en pesant. et d'autres processus. La colonne à noyau de graphite est ensuite assemblée avec le bloc composite, les pièces auxiliaires et d'autres supports de transmission de pression scellés pour former un bloc synthétique pouvant être utilisé pour synthétiser des monocristaux de diamant. Après cela, il est placé dans une presse supérieure à six côtés pour être chauffé et mis sous pression et maintenu constant pendant une longue période. Une fois la croissance cristalline terminée, la chaleur est arrêtée et la pression est relâchée, et le milieu de transmission de pression scellé est retiré pour obtenir la colonne synthétique, qui est ensuite purifiée et triée pour obtenir des monocristaux de diamant.

Figure 3 Schéma de structure d'une presse supérieure à six côtés

En raison de l'utilisation de catalyseurs métalliques, les particules de diamant préparées par la méthode industrielle HTHP contiennent souvent certaines impuretés et défauts, et en raison de l'ajout d'azote, elles ont généralement une teinte jaune. Après la mise à niveau technologique, la préparation des diamants à haute température et haute pression peut utiliser la méthode du gradient de température pour produire des monocristaux de diamant de haute qualité à grosses particules, réalisant ainsi la transformation de la qualité abrasive industrielle du diamant en qualité gemme.

Figure 4 Morphologie du diamant

Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est la méthode la plus populaire pour synthétiser des films de diamant. Les principales méthodes comprennent le dépôt chimique en phase vapeur de filament chaud (HFCVD) etdépôt chimique en phase vapeur par plasma micro-ondes (MPCVD).

(1) Dépôt chimique en phase vapeur de filaments chauds

Le principe de base du HFCVD est de faire entrer en collision le gaz de réaction avec un fil métallique à haute température dans une chambre à vide pour générer une variété de groupes « non chargés » hautement actifs. Les atomes de carbone générés sont déposés sur le matériau du substrat pour former des nanodiamants. L'équipement est simple à utiliser, présente un faible coût de croissance, est largement utilisé et permet une production industrielle facile. En raison de la faible efficacité de décomposition thermique et de la grave contamination des atomes métalliques du filament et de l'électrode, le HFCVD est généralement utilisé uniquement pour préparer des films de diamant polycristallin contenant une grande quantité d'impuretés de carbone de phase sp2 au niveau de la limite des grains, il est donc généralement gris-noir. .

Figure 5 (a) Schéma de l'équipement HFCVD, (b) Schéma de structure de la chambre à vide

(2) Dépôt chimique en phase vapeur par plasma micro-ondes

La méthode MPCVD utilise un magnétron ou une source à semi-conducteurs pour générer des micro-ondes de fréquence spécifique, qui sont introduites dans la chambre de réaction via un guide d'ondes et forment des ondes stationnaires stables au-dessus du substrat en fonction des dimensions géométriques spéciales de la chambre de réaction. 

Le champ électromagnétique hautement concentré décompose ici les gaz de réaction méthane et hydrogène pour former une boule de plasma stable. Les groupes atomiques actifs, riches en électrons et en ions, se nucléeront et se développeront sur le substrat à la température et à la pression appropriées, provoquant une croissance homoépitaxiale lente. Comparé au HFCVD, il évite la contamination du film de diamant provoquée par l'évaporation du fil métallique chaud et augmente la pureté du film de nanodiamant. Plus de gaz de réaction peuvent être utilisés dans le processus que le HFCVD, et les monocristaux de diamant déposés sont plus purs que les diamants naturels. Par conséquent, des fenêtres polycristallines de diamant de qualité optique, des monocristaux de diamant de qualité électronique, etc. peuvent être préparés.

Figure 6 Structure interne du MPCVD

Développement et dilemme du diamant

Depuis que le premier diamant artificiel a été développé avec succès en 1963, après plus de 60 ans de développement, la Chine est devenue le pays avec la plus grande production de diamants artificiels au monde, représentant plus de 90 % de la production mondiale. Cependant, les diamants chinois sont principalement concentrés sur les marchés d'applications bas et moyen de gamme, tels que le meulage abrasif, l'optique, le traitement des eaux usées et d'autres domaines. Le développement des diamants nationaux est important mais pas fort, et il est désavantagé dans de nombreux domaines tels que les équipements haut de gamme et les matériaux de qualité électronique. 

En termes de réalisations académiques dans le domaine des diamants CVD, la recherche aux États-Unis, au Japon et en Europe occupe une position de leader, et il y a relativement peu de recherches originales en Chine. Avec le soutien des activités clés de recherche et de développement du « 13e plan quinquennal », les monocristaux de diamant épitaxiés de grande taille épissés au pays ont atteint la première place mondiale. En termes de monocristaux épitaxiaux hétérogènes, il existe encore un écart important en termes de taille et de qualité, qui pourrait être surpassé dans le « 14e plan quinquennal ».

Des chercheurs du monde entier ont mené des recherches approfondies sur la croissance, le dopage et l'assemblage des diamants afin de réaliser l'application des diamants dans les dispositifs optoélectroniques et de répondre aux attentes des gens concernant les diamants en tant que matériau multifonctionnel. Cependant, la bande interdite du diamant atteint 5,4 eV. Sa conductivité de type p peut être obtenue par dopage au bore, mais il est très difficile d'obtenir une conductivité de type n. Des chercheurs de divers pays ont dopé des impuretés telles que l’azote, le phosphore et le soufre pour en faire un diamant monocristallin ou polycristallin en remplaçant les atomes de carbone dans le réseau. Cependant, en raison du niveau d'énergie profond du donneur ou de la difficulté d'ionisation des impuretés, une bonne conductivité de type n n'a pas été obtenue, ce qui limite considérablement la recherche et l'application de dispositifs électroniques à base de diamant. 

Dans le même temps, le diamant monocristallin de grande surface est difficile à préparer en grande quantité comme les tranches de silicium monocristallin, ce qui constitue une autre difficulté dans le développement de dispositifs semi-conducteurs à base de diamant. Les deux problèmes ci-dessus montrent que la théorie existante du dopage des semi-conducteurs et du développement de dispositifs est difficile à résoudre les problèmes de dopage de type N au diamant et d'assemblage de dispositifs. Il est nécessaire de rechercher d’autres méthodes de dopage et d’autres dopants, voire de développer de nouveaux principes de dopage et de développement de dispositifs.

Les prix trop élevés limitent également le développement des diamants. Par rapport au prix du silicium, le prix du carbure de silicium est 30 à 40 fois supérieur à celui du silicium, le prix du nitrure de gallium est 650 à 1 300 fois supérieur à celui du silicium et le prix des matériaux en diamant synthétique est environ 10 000 fois supérieur à celui du silicium. Un prix trop élevé limite le développement et l’application des diamants. La manière de réduire les coûts est une étape décisive pour sortir du dilemme du développement.

Perspectives

Bien que les semi-conducteurs en diamant soient actuellement confrontés à des difficultés de développement, ils sont toujours considérés comme le matériau le plus prometteur pour préparer la prochaine génération de dispositifs électroniques à haute puissance, haute fréquence, haute température et faible perte de puissance. Actuellement, les semi-conducteurs les plus chauds sont occupés par le carbure de silicium. Le carbure de silicium a la structure du diamant, mais la moitié de ses atomes sont du carbone. Par conséquent, il peut être considéré comme un demi-diamant. Le carbure de silicium devrait être un produit de transition entre l’ère des cristaux de silicium et l’ère des semi-conducteurs en diamant.

L'expression « Les diamants sont éternels, et un diamant dure éternellement » a rendu le nom de De Beers célèbre encore aujourd'hui. Pour les semi-conducteurs en diamant, créer un autre type de gloire peut nécessiter une exploration permanente et continue.

VeTek Semiconductor est un fabricant chinois professionnel deRevêtement en carbure de tantale, Revêtement en carbure de silicium, produits GaN,Graphite spécial, Céramiques de carbure de siliciumetAutres céramiques semi-conductrices. VeTek Semiconductor s'engage à fournir des solutions avancées pour divers produits de revêtement destinés à l'industrie des semi-conducteurs.

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