Hablando de diamantes, creo que mucha gente no los conoce. El autor no pertenece a este sector, y su conocimiento sobre los diamantes se limita a su estructura perfecta (PD: el autor es un profesional en materiales cerámicos fluorescentes)....Might as well change the word "diamond", which is deeply rooted in people's hearts, BlingBling, full of temptation.

The century-old scam of "diamonds are forever" has buried the talent of diamonds and overskilled them. You think he is a rich man, but in fact he is a king.El volumen de aplicación del diamante en el campo industrial es mucho mayor que en el campo de la joyería.Especialmente en los futuros campos de alta precisión, los materiales de diamante tienen un gran potencial.

En la era posterior a Moore, el desarrollo de la electrónica basada en carbono ha recibido una atención generalizada. En el campo de la nanoelectrónica, se han logrado avances significativos en la investigación de la nanoelectrónica basada en carbono, principalmente en nanotubos de carbono unidimensionales y grafeno bidimensional.En el campo de la electrónica de potencia, la investigación sobre la electrónica de potencia de diamante, conocida por estar poniendo fin a los semiconductores, también está mostrando una gran vitalidad, demostrando su potencial para convertirse en la próxima generación de electrónica de potencia.

There is a reason why diamond semiconductor is hailed as the ultimate semiconductor by the industry. The current main research focus is based on the properties of diamond itself.

(Imagen del informe Carbontech 2020 en formato PPT, elaborado por el profesor Zhang Jinfeng de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de Xi'an)

El diamante es un material semiconductor de banda prohibida ultraancha con un ancho de banda prohibida de 5.5 eV, mayor que el de materiales semiconductores de banda prohibida ancha como el GaN y el SiC. Como se muestra en la tabla a continuación, el ancho de banda prohibida del diamante es 5 veces mayor que el del Si; la movilidad de los portadores también es 3 veces mayor que la del Si. Teóricamente, la movilidad de los portadores del diamante es más del doble que la de los materiales semiconductores de banda prohibida ancha existentes (GaN, SiC). Al mismo tiempo, el diamante tiene una concentración intrínseca de portadores extremadamente baja a temperatura ambiente. Además de la mayor dureza, el diamante también tiene la mayor conductividad térmica entre los materiales semiconductores, 7.5 veces mayor que la del AlN. Basándose en estos excelentes parámetros de rendimiento, el diamante se considera el material más prometedor para la fabricación de la próxima generación de dispositivos electrónicos de alta potencia, alta frecuencia, alta temperatura y bajas pérdidas de potencia, y es aclamado como el "semiconductor definitivo" por la industria.

In particular, the 5G communication era is rapidly unfolding, and the application of diamond single crystal materials in semiconductors and high-frequency power devices has become increasingly prominent. Diamond single crystal and products are an important material basis for the implementation of major national strategies such as ultra-precision processing and smart grids, and the upgrading of industrial groups such as intelligent manufacturing and 5G communications. The breakthrough and industrialization of this technology are of great significance to the independent security of China's intelligent manufacturing and big data industries.

to this end, Research directions requiring diamond materialsGran tamaño, pocos defectos, baja resistividad y alta conductividad térmica.direction of development.

La investigación actual sobre materiales y dispositivos semiconductores de diamante se centra principalmente en los siguientes aspectos:

Los métodos de preparación del diamante se dividen principalmente en el método de alta temperatura y alta presión (HPHT) y el método de deposición química de vapor por plasma (PCVD). En comparación con el método HPHT y otros métodos PCVD,La MPCVD es una técnica de descarga sin electrodos, libre de contaminación y con un alto grado de control epitaxial. Presenta ventajas más evidentes en la preparación de diamantes de gran tamaño y alta pureza, así como en la investigación sobre dopaje. Es el método preferido para la preparación de diamantes de alta calidad y con aplicaciones en diversos campos..

En cuanto al desarrollo de tecnologías clave y la comercialización de equipos MPCVD avanzados, equipos de Japón, Estados Unidos, Alemania y otros países ocupan una posición de liderazgo. Entre ellos, en el desarrollo y la aplicación de equipos MPCVD de tipo ventana de cuarzo plana y equipos MPCVD de tipo CAP, la empresa japonesa Seki ocupa la posición de liderazgo mundial y mantiene el liderazgo tecnológico. En cuanto al desarrollo y la aplicación de equipos MPCVD de tipo campana de cuarzo, el equipo Asmussen de la Universidad Estatal de Michigan en Estados Unidos desarrolló un equipo de alta presión (>2.4 × 104El sistema Pa) funciona en una cavidad resonante de plasma de microondas de alta densidad de potencia para lograr la deposición de diamante a alta velocidad.

In terms of the development and application of quartz ring MPCVD devices, the MPCVD produced by Plassys of France and iPlas of Germany is very representative. Among them, iPlas equipment has a microwave slit coupling structure and is suitable for the preparation of large-size diamonds, but the deposition rate is not particularly ideal. In the research and development of ellipsoidal resonant cavity MPCVD equipment, Germany's Fraunhofer Institute and Aixtron have always maintained the world's top level. Compared with quartz bell type or quartz ring type MPCVD equipment, equipment with this structure is suitable for matching microwave power sources with higher power levels, which is beneficial to obtaining a larger area of ​​plasma.El objetivo final de los desarrolladores de equipos MPCVD es obtener un plasma de microondas uniforme, estable y de gran superficie.

En los últimos años, los equipos de investigación nacionales relacionados con el desarrollo de equipos MPCVD han logrado ciertos resultados en el desarrollo de nuevas cavidades resonantes MPCVD. Sin embargo, en comparación con los equipos extranjeros avanzados, pocas empresas o instituciones nacionales han superado las dificultades técnicas para lograr la producción comercial en masa a gran escala. Por lo tanto,Los avances en tecnologías clave, como el diseño optimizado e independiente de resonadores de plasma de microondas y la mejora de los procesos de preparación de diamantes de gran tamaño, requieren urgentemente una inversión e investigación continuas por parte de equipos nacionales especializados. Aún queda mucho camino por recorrer.

As a semiconductor material, the preparation requirements and application directions of diamond single crystal and polycrystalline materials are quite different.

Preparation method of CVD polycrystalline diamond film, includingCVD de chorro de plasma de arco de CC de alta potencia, CVD de hilo caliente y MPCVD, etc.La preparación de películas de diamante policristalino de grado óptico y electrónico requiere una tasa de deposición ideal y una densidad de defectos extremadamente baja o controlable. La deposición química en fase vapor asistida por plasma (MPCVD) sin descarga de contaminación de electrodos se convertirá inevitablemente en un método ideal para la preparación de películas de diamante de grado electrónico y óptico. Sin embargo, la tasa de crecimiento del diamante policristalino es lenta y la consistencia de su orientación cristalina es crucial para el procesamiento, lo que dificulta su realización.

Actualmente, Element Six ha logrado la producción comercial en masa de diamante policristalino de grado electrónico de 4 pulgadas. El equipo de Li Chengming de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing, el equipo de Wang Jianhua de la Universidad Tecnológica de Wuhan y el equipo de Yu Shengwang de la Universidad Tecnológica de Taiyuan han obtenido resultados significativos en la investigación sobre la preparación de películas de diamante policristalino de grado óptico mediante MPCVD. Si bien aún existe una brecha entre las películas de diamante policristalino de grado óptico y electrónico nacionales y el nivel avanzado internacional, las películas de diamante policristalino de grado óptico desarrolladas por equipos nacionales y de otros países pueden satisfacer las necesidades de ventanas de guía de modo dual infrarrojo/radar y CO2 de alta potencia.2Basic application requirements for laser processing machine windows and high-power microwave windows.

En comparación con las exigentes condiciones de preparación y aplicación de las películas de diamante policristalino de grado óptico y electrónico, estas últimas se utilizan con mayor frecuencia como disipadores de calor para la refrigeración de dispositivos semiconductores de potencia, y la demanda es mayor y más urgente. Además, el nivel técnico actual para su precipitación es relativamente fácil de alcanzar.

In addition, the manufacturing cost advantage of polycrystalline diamond is more obvious than that of single crystal diamond. In the past 30 years, research on the application of MPCVD polycrystalline diamond films as heat sinks in semiconductor devices has never stopped. Currently, inch-scale Si-based polycrystalline diamond films are used in HEMTs devices, and the RF power density of the devices has been effectively improved, reaching more than 23W/mm. Currently, the size of the prepared heat sink-grade polycrystalline diamond film can reach 8 inches. With the improvement and upgrade of MPCVD technology, it is expected to be compatible with the existing 8-inch semiconductor wafer manufacturing production line, ultimately realizing the large-scale application and promotion of polycrystalline diamond heat sink materials in the semiconductor material industry.

Compared with polycrystalline diamond, single crystal diamond (SCD) without grain boundary constraints has better optical and electrical properties. It has outstanding application effects in cutting-edge scientific and technological fields such as quantum communication/computing radiation detectors, cold cathode field emission displays, semiconductor lasers, supercomputer CPU chip multi-dimensional integrated circuits, and military high-power radar microwave traveling wave tube thermal conductive support rods. Preparing large-sized and high-quality SCD is a prerequisite.

Como oblea de diamante, su tamaño debe ser superior a 2 pulgadas. Actualmente, las principales tecnologías para la preparación de diamantes y obleas de gran tamaño son:Crecimiento homoepitaxial, preparación de obleas en mosaico y crecimiento heteroepitaxial.y otras tecnologías.

Mosaic splicing methodComo método altamente viable para la preparación de SCD de gran tamaño, el empalme y crecimiento de múltiples sustratos uniformes, combinado con la tecnología de levantamiento, ha permitido la preparación de SCD de gran tamaño. Actualmente, se han logrado obleas monocristalinas de hasta 2 pulgadas. Sin embargo, los altos requisitos de uniformidad del sustrato y la existencia de límites de grano generan problemas como tensiones y defectos en la unión de empalme, lo que afecta la calidad de las láminas de SCD empalmadas. Además, el costo es elevado, se requiere tecnología de despegue y el rendimiento es muy bajo.

(Imagen del informe Carbontech 2020 en formato PPT, elaborado por el profesor Zhang Jinfeng de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de Xi'an)

Synthesize high-qualityhomoepitaxialLa capa de diamante es una de las tecnologías más importantes para la fabricación de dispositivos electrónicos de diamante. Se caracteriza por su baja densidad de defectos y un tamaño máximo de 0.5 pulgadas (1 pulgada = 2.54 cm). En el proceso de preparación homoepitaxial de diamante monocristalino, el desprendimiento del diamante del sustrato es un paso crucial y, a la vez, relativamente difícil. Dado que el sustrato también es de diamante monocristalino extremadamente duro, no se puede cortar con métodos convencionales. Los métodos más utilizados incluyen el pulido mecánico y el corte por láser.

(Imagen del informe Carbontech 2020 en formato PPT, elaborado por el profesor Zhang Jinfeng de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de Xi'an)

In addition to homoepitaxial growth, heteroepitaxial growth is also an effective method for growing large-area single crystal diamond. Heteroepitaxy refers to the use of buffer layers on Si, sapphire, MgO and other substrates to alleviate the thermal mismatch and lattice mismatch between diamond and substrate, and ultimately achieve the growth of single crystal diamond films. The most effective buffer layer is Ir, etc. Theoretically, this method can grow single crystal diamond with a large enough area to meet its industrialization needs in the field of electronic devices. Its main disadvantage is the high defect density.

Tras avances significativos en tecnologías clave como el crecimiento a alta velocidad mediante adición de nitrógeno, el crecimiento de alta eficiencia mediante descarga pulsada y la eliminación por implantación iónica en la tecnología de crecimiento por deposición química de vapor asistida por plasma de microondas (MPCVD), en los últimos 10 años se ha logrado un crecimiento epitaxial tridimensional repetitivo multidireccional de alta velocidad mediante MPCVD (tasa de crecimiento de 100 μm·h).-1), tecnologías innovadoras como el crecimiento de bordes de diamante policristalinos, gruesos y de gran tamaño y el uso de CVD de plasma en sistemas (H, C, N, O) durante 200 h sin bordes y crecimiento continuo.

En el caso de los dispositivos semiconductores de diamante, el dopaje de los materiales de diamante es la tecnología básica para la fabricación de dispositivos de potencia.El principal problema en la comercialización de semiconductores de diamante radica en que aún no se ha resuelto el problema del dopaje masivo eficiente del diamante. Es fácil fabricar transistores de tipo P, pero difícil fabricar transistores de tipo N..La tecnología de dopaje de tipo p del diamante está relativamente madura, y el principal dopante son los átomos de boro. Para el diamante de tipo p, las impurezas de boro se pueden integrar fácilmente en el diamante natural y el diamante MPCVD, y no hay problema de orientación cristalina, pero la eficiencia de activación del boro a temperatura ambiente es inferior al 0.1%. La concentración de dopaje y la movilidad del boro en el diamante tienen una relación de compromiso. Una concentración de dopaje excesiva a menudo conduce a una rápida disminución de la movilidad. Cuando la concentración de dopaje de boro es 1019 cm-3La movilidad se reducirá a 100 cm.2·V -1· s-1el seguimiento.

(Imagen del informe Carbontech 2020 en formato PPT, elaborado por el profesor Zhang Jinfeng de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de Xi'an)

Seleccionado en función de la posición del átomo de carbono (C) del diamante (radio covalente de 0.077 nm) en la tabla periódica de los elementos, el átomo más cercano es el de nitrógeno (N) (0.075 nm), lo que lo convierte en un candidato favorable para el dopaje de tipo n del diamante. Sin embargo, tras el dopaje, los átomos de N que sustituyen a los de C en el diamante se distorsionan debido al efecto Jahn-Teller, lo que provoca una asimetría en la red cristalina local y que los átomos de N se desvíen de su posición original. Su nivel de energía de dopaje es muy bajo, 1.7 eV, lo que dificulta su conductividad eléctrica a temperatura ambiente.

(Imagen del informe Carbontech 2020 en formato PPT, elaborado por el profesor Zhang Jinfeng de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de Xi'an)

With the continuous development of diamond semiconductor technology, bottlenecks such as n-type doping technology, large-size and high-quality single crystal preparation, and high-flatness and high-uniformity material epitaxy technology will surely be broken through in the future to realize diamond electronic devices with higher power performance. But this is inseparable from the unremitting efforts of scientific researchers!

diodo de potenciaEn los últimos 10 años, el progreso de los materiales de diamante CVD en términos de gran tamaño, bajos defectos y dopaje intenso ha impulsado directamente el desarrollo de diodos de diamante hacia un alto voltaje de ruptura, alta rigidez dieléctrica, baja resistencia de encendido, alta velocidad de conmutación y funcionamiento a altas temperaturas. Ambos tipos de diodos Schottky (SBD) y diodos de unión pn se encuentran en desarrollo, entre los cuales el SBD de diamante está progresando más rápidamente y ya se encuentra en la etapa experimental de aplicación preliminar.

The main reason for the low breakdown voltage of diamond diodes and transistors (less than 500 V) is the difficulty in controlling the doping substances in diamondEl diamante es el material con la mayor densidad atómica de la Tierra. A excepción de unos pocos átomos pequeños como los elementos H, P, N y Si, es difícil incorporar otros átomos grandes a su cristal.

diodo pin de diamanteis an advanced device suitable for high-power applications, except that its critical electric field is 3 MV·cm-1(SiC theoretical limit), the series resistance of diamond p-i-n diodes can also be significantly reduced by using a heavily doped layer. In the past 10 years, diamond p-i-n diode technology has made great progress, such as breakthroughs in the preparation of heavily doped p+ and n+ layers with transition conduction mechanisms; carrier transport mechanisms of diamond p+-i-n+ junction diodes with low resistance transition conductivity; material structure optimization design of Schottky diamond p-n diodes (SPND); selective growth of n+ Research on the mechanism of the impact of interface defects of layers and p-n junction diodes on reverse leakage; research on reverse recovery and minority carrier lifetime of diamond p-i-n diodes; research on the mechanism of uneven Schottky barrier height of diamond Schottky p-i-n diodes (SPIND) and other key technologies.

Transistores de potencia y circuitos lógicos

Los transistores de diamante han experimentado avances tanto en el campo de la electrónica de potencia como en el de la electrónica de microondas. En el campo de la electrónica de potencia, la tendencia de desarrollo apunta hacia dispositivos con alto voltaje de ruptura, alta rigidez dieléctrica, funcionamiento a altas temperaturas, baja resistencia de encendido, alta velocidad de conmutación y funcionamiento normalmente apagado.Los transistores de diamante se componen principalmente de varios tipos de FET, incluidos:Transistores de efecto de campo metal-semiconductor (MESFET), MOSFET y JFETetc. Existen dos tipos de canales: superficie terminal de hidrógeno de diamante, gas de huecos bidimensional y capa dopada de tipo p. Con el avance de los materiales de dopaje de tipo n, han comenzado a aparecer dispositivos bipolares de diamante, y recientemente se han desarrollado transistores bipolares de heterounión. En el campo de la electrónica de microondas, los FET con terminación de hidrógeno son dominantes y se están desarrollando hacia una alta fT/fmax y una alta densidad de potencia.

Diamond MESFET uses Schottky barrier to modulate and control the channel. Technological advances in recent years include: combination of wide gate-drain spacing and lightly doped p-channel, research on the effect of reduced gate-source spacing, passing 14.8 MeV neutron irradiation experiments, higher boron doping concentration and good surface epitaxial channel layer technology, and high-temperature annealing of boron-doped diamond MESFET.

MOSFET de diamanteEs el transistor de diamante más estudiado, que utiliza una estructura de control de puerta MOS para suprimir la corriente de fuga de la puerta. En los últimos años, los transistores MOSFFT de diamante han estado dominados por dispositivos con canal terminado en hidrógeno y han logrado avances significativos en una serie de tecnologías clave, como la estructura de capa de óxido de puerta Al2O3 de alta estabilidad.

Para aplicaciones de dispositivos de potencia que operan a altos voltajes y altas temperaturas, el dispositivo JFET con canal de cuerpo de diamante, que es más estable que los dispositivos de canal superficial, resulta más ventajoso.

Diamond BJTEs uno de los principales dispositivos de conmutación de potencia. En comparación con los transistores FET de diamante con terminación de hidrógeno, los transistores BJT basados ​​en diamante carecen de capa dieléctrica de puerta, presentan conductividad superficial con terminación de hidrógeno y efectos de modulación de conductancia que permiten la inyección de portadores minoritarios, lo que resulta en una resistencia de encendido potencialmente menor. Un parámetro clave de los transistores BJT de potencia es el factor de amplificación de la corriente de emisor común, que permite la amplificación de corriente en comparación con los transistores FET de diamante para reducir los requisitos de potencia del circuito de control.

circuito lógico de diamanteEl desarrollo de circuitos lógicos de diamante es el primer paso en el desarrollo de circuitos integrados de diamante. Con el desarrollo de transistores MISFET de diamante mejorados, se ha impulsado la investigación y el desarrollo de circuitos lógicos de diamante.

Transistor FET de RFEl diamante posee propiedades semiconductoras como alta conductividad térmica, alta rigidez dieléctrica y alta velocidad de saturación de portadores. Por esta razón, los dispositivos de alta frecuencia y alta potencia basados ​​en diamante constituyen uno de los principales focos de investigación en la electrónica de diamante.

GaN on diamond HEMT:Los enlaces covalentes entre los átomos de diamante son extremadamente fuertes, lo que confiere a la estructura rígida una alta frecuencia de vibración. Su temperatura característica de Debye alcanza los 2200 K. La dispersión de fonones es mínima, por lo que la resistencia a la conducción de calor mediante fonones es extremadamente baja. Su conductividad térmica es cinco veces mayor que la del cobre, llegando a 2000 W/(m·K). La electrónica de microondas de GaN, un semiconductor de banda prohibida ancha, se ha convertido en la tecnología predominante tras casi dos décadas de desarrollo, y sus problemas de gestión térmica constituyen el principal obstáculo para su mayor desarrollo. Por lo tanto, la combinación de las ventajas de conductividad térmica del diamante de banda prohibida ultraancha y la tecnología de GaN se ha vuelto indispensable para el desarrollo de la próxima generación de electrónica de microondas de GaN. Además, sienta las bases para el desarrollo actual de la electrónica de microondas de GaN.2O3Proporcionar información de referencia para la gestión térmica de dispositivos electrónicos, etc. Los materiales de diamante pueden utilizarse como materiales de gestión térmica para dispositivos electrónicos de potencia, y se están desarrollando en la dirección de un mayor tamaño, una baja resistencia térmica interfacial y una alta conductividad térmica.

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With the widespread application of third-generation semiconductors and the advent of the 5G era, traditional electronic packaging thermal management materials and even chip materials are facing huge challenges in upgrading. Advanced carbon and its composite materials, which have emerged rapidly in recent years, will play an important role in the field of heat dissipation of high-power, high-frequency optoelectronic devices and become ideal thermal management materials in the electronics industry! (Including heat sink materials, packaging materials, base materials, etc.).

(Imagen de la presentación en PowerPoint del informe Carbontech 2020 del profesor Wang Chengyong de la Universidad Tecnológica de Guangdong)

Sustrato de diamante para la disipación de calor en dispositivos de potencia basados ​​en GaN:El rendimiento óptimo de los dispositivos de potencia basados ​​en nitruro de galio (GaN) se ve limitado por la baja conductividad térmica del sustrato sobre el que se deposita el GaN. El diamante obtenido mediante deposición química de vapor (CVD), con su alta conductividad térmica, se ha convertido en una excelente opción como material de sustrato para la difusión térmica en dispositivos de potencia de GaN. Diversos investigadores han llevado a cabo numerosos estudios técnicos sobre la combinación de diamante de alta conductividad térmica y dispositivos de GaN, incluyendo principalmente la tecnología de unión a baja temperatura, la tecnología de transferencia de sustrato para el crecimiento directo de diamante en la parte posterior de la capa epitaxial de GaN, la tecnología de GaN epitaxial con diamante monocristalino y la tecnología de disipación de calor mediante capas de pasivación de diamante de alta conductividad térmica.

El crecimiento directo de diamante sobre la capa epitaxial de GaN ofrece una buena resistencia de unión interfacial, pero implica dificultades técnicas como altas temperaturas, elevada tensión en la oblea y alta resistencia térmica interfacial. La tecnología de GaN epitaxial con diamante monocristalino y la tecnología de disipación de calor mediante capas de pasivación de diamante de alta conductividad térmica se ven limitadas, respectivamente, por el pequeño tamaño, el alto coste y la incompatibilidad de procesos del diamante monocristalino. Por lo tanto, el desarrollo de sustratos de diamante de gran tamaño y bajo coste, la mejora de la tecnología de control de la tensión en la oblea y la resistencia de unión interfacial, la reducción de la resistencia térmica interfacial y la mejora del rendimiento de los dispositivos de GaN sobre sustrato de diamante serán el foco del desarrollo futuro de la tecnología de unión de dispositivos de diamante y GaN.

(Imagen del informe Carbontech 2020 en formato PPT, elaborado por el profesor Zhang Jinfeng de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de Xi'an)

Láser semiconductor encapsulado en diamante

Cuando un láser semiconductor de alta potencia está en funcionamiento, la zona activa genera una gran cantidad de calor, lo que reduce su potencia de salida y acorta su vida útil. El diamante posee una alta conductividad térmica. Su uso como disipador de calor mejora la capacidad de disipación térmica del dispositivo, reduce la resistencia térmica, aumenta la potencia de salida del láser y prolonga su vida útil.

Investigación sobre láseres Raman de diamante:Stimulated Raman scattering is an important nonlinear optical effect. Stimulated Raman scattering can achieve a fixed frequency displacement of all incident photons without the need for phase matching. It is an important technology for expanding the use band range of lasers. Research in this direction has become a hot spot in the development of laser technology.

Como material Raman cristalino de excelente rendimiento, el diamante presenta el mayor desplazamiento de frecuencia Raman, de 1332.3 cm⁻¹, entre los materiales cristalinos conocidos.-1Su ancho de línea de ganancia Raman es de aproximadamente 1.5 cm a temperatura ambiente.-1. The Raman gain of diamond has polarization selectivity. When the polarization direction of the pump light is parallel to the <111> direction of the diamond crystal, its Raman gain is maximum (10 cm/GW@1 μm), and linearly polarized Raman light is output. Diamond has ultra-high thermal conductivity, and its ultra-fast heat dissipation ability is the key for diamond crystals to maintain high Raman gain and obtain high-beam quality laser output under high-power operation.

Comparison between common laser Raman crystals and diamond

En los últimos años, gracias al perfeccionamiento de la tecnología de preparación mediante deposición química de vapor, la calidad óptica del diamante artificial ha mejorado notablemente. Los cristales de diamante de grado óptico también han demostrado una excelente mejora en la potencia, la coherencia y la capacidad de conversión de frecuencia, gracias a sus excelentes características Raman y Brillouin. Esto ha permitido que los láseres de diamante superen en gran medida los efectos térmicos de los láseres de inversión de número de partículas basados ​​en materiales de trabajo tradicionales, así como la dificultad de equilibrar la longitud de onda y la potencia de salida.

Sustrato de disipación de calor para embalaje 3D de diamante monocristalino:

Cuando la Ley de Moore se ha convertido en un consenso en la industria, la propuesta de "Más Moore" parece haber aportado un nuevo impulso al desarrollo de la industria de fabricación de chips. En términos generales, "Más Moore" se refiere a la continua reducción del tamaño de las características de los chips, lo que abarca dos aspectos: seguir reduciendo el tamaño de las características en las direcciones horizontal y vertical de la oblea para mejorar la densidad, el rendimiento y la fiabilidad; y utilizar tecnologías de procesamiento como las estructuras 3D y el uso de nuevos materiales para influir en el rendimiento eléctrico de la oblea.

(Imagen de la presentación en PowerPoint del informe Carbontech 2020, elaborada por un investigador de Jiangnan en el Instituto de Materiales de Ningbo)

Los materiales de encapsulado electrónico se utilizan para alojar componentes electrónicos y sus interconexiones. Su función principal es proporcionar soporte mecánico, protección de sellado, disipación de calor y blindaje. Tienen un impacto crucial en el rendimiento y la fiabilidad de los circuitos integrados. Con el avance de la tecnología electrónica, los circuitos integrados evolucionan hacia una escala ultrarrápida, alta velocidad, alta densidad, alta potencia, alta precisión y multifuncionalidad, lo que impone exigencias cada vez mayores a los materiales de encapsulado. La investigación y el desarrollo de materiales de encapsulado multisistema de alto rendimiento, como diamante/cobre, diamante/aluminio, diamante/carburo de silicio, grafito/cobre, etc., son de gran importancia para impulsar el desarrollo de materiales de encapsulado electrónico hacia la miniaturización, el alto rendimiento, la alta fiabilidad y el bajo coste.

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Diamond materials and laser processing technology:Compared with other materials, diamond has the characteristics of high resistivity, high breakdown field strength, low dielectric constant, and low thermal expansion. Its application in thermal management can meet the requirements of high-density and highly integrated assembly development in the rapidly developing electronics industry. Laser processing can achieve high-quality processing of diamond microstructures. It is an advanced manufacturing technology that is currently being researched at home and abroad.

Diamond substrate grinding and polishing technology

Los dispositivos semiconductores incluyen principalmente circuitos integrados, dispositivos de potencia, dispositivos optoelectrónicos y sensores, entre otros. Los dispositivos de potencia se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial, la defensa militar y nacional, la generación de energía, el transporte ferroviario y el Internet de las Cosas (IoT). La oblea semiconductora es el soporte del dispositivo semiconductor, y el sustrato semiconductor es el soporte de la oblea semiconductora. El sustrato es la base epitaxial de los dispositivos semiconductores, que determina directamente la calidad y el rendimiento del dispositivo.

Mecanizado de ultraprecisión

Los objetos de mecanizado de ultraprecisión suelen ser materiales de diamante de pequeño tamaño, cuyo coste es excesivo para la industrialización y que no resultan adecuados para su aplicación industrial. Para aplicar con éxito el diamante a la disipación de calor de dispositivos de potencia y lograr su industrialización, es fundamental obtener materiales base de gran tamaño a nivel de oblea con una buena calidad superficial. Además, a medida que aumenta el nivel de integración de circuitos en sustratos de diamante, las exigencias en cuanto a la calidad superficial se incrementarán gradualmente. La rugosidad superficial alcanzará el nivel de angstrom o incluso menor, y la deformación superficial llegará a 5 μm o menos.

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