صحبت از الماس شد، فکر می‌کنم بسیاری از افراد در زندگی با آن آشنا نیستند. ویراستار وارد این صنعت نشده است و درک من از الماس محدود به ساختار بی‌نقص آن است (ضمناً ویراستار در زمینه مواد سرامیکی فلورسنت متخصص است)....شاید بهتر باشد کلمه «الماس» را که عمیقاً در قلب مردم ریشه دوانده است، به «بلینگ‌بلینگ»، پر از وسوسه، تغییر دهیم.

کلاهبرداری صد ساله «الماس‌ها ابدی هستند» استعداد الماس‌ها را دفن کرده و آنها را بیش از حد ماهر کرده است. شما فکر می‌کنید او مرد ثروتمندی است، اما در واقع او یک پادشاه است.حجم کاربرد الماس در زمینه صنعتی بسیار بیشتر از کاربرد آن در زمینه جواهرات است.به خصوص در زمینه‌های با دقت بالا در آینده، مواد الماس پتانسیل بالایی دارند.

In the post-Moore era, the development of carbon-based electronics has received widespread attention. In the field of nanoelectronics, significant progress has been made in carbon-based nanoelectronics research, mainly one-dimensional carbon nanotubes and two-dimensional graphene.در زمینه الکترونیک قدرت، تحقیقات روی الکترونیک قدرت الماس، که به عنوان نیمه‌هادی‌های پایان‌دهنده شناخته می‌شود، نیز سرزندگی زیادی را نشان می‌دهد و پتانسیل خود را برای تبدیل شدن به نسل بعدی الکترونیک قدرت نشان می‌دهد.

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.

(تصویر از گزارش Carbontech 2020 PPT توسط پروفسور ژانگ جینفنگ از دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک شی‌آن)

الماس یک ماده نیمه‌هادی با شکاف باند بسیار وسیع با پهنای شکاف باند 5.5 eV است که بزرگتر از مواد نیمه‌هادی با شکاف باند وسیع مانند GaN و SiC است. همانطور که در جدول زیر نشان داده شده است، پهنای شکاف باند الماس 5 برابر Si است؛ تحرک حامل نیز 3 برابر ماده Si است. از نظر تئوری، تحرک حامل الماس بیش از 2 برابر بیشتر از مواد نیمه‌هادی با شکاف باند وسیع موجود (GaN، SiC) است. در عین حال، الماس غلظت ذاتی حامل بسیار کمی در دمای اتاق دارد. علاوه بر این، الماس علاوه بر بالاترین سختی، بالاترین رسانایی حرارتی را نیز در بین مواد نیمه‌هادی دارد که 7.5 برابر AlN است. بر اساس این پارامترهای عملکرد عالی، الماس به عنوان امیدوارکننده‌ترین ماده برای تهیه نسل بعدی دستگاه‌های الکترونیکی با توان بالا، فرکانس بالا، دمای بالا و اتلاف توان کم در نظر گرفته می‌شود و توسط صنعت به عنوان "نیمه‌هادی نهایی" مورد ستایش قرار می‌گیرد.

به طور خاص، عصر ارتباطات 5G به سرعت در حال گسترش است و کاربرد مواد تک بلور الماس در نیمه‌هادی‌ها و دستگاه‌های قدرت با فرکانس بالا به طور فزاینده‌ای برجسته شده است. تک بلور الماس و محصولات آن، پایه و اساس مهمی برای اجرای استراتژی‌های ملی بزرگ مانند پردازش فوق دقیق و شبکه‌های هوشمند و ارتقاء گروه‌های صنعتی مانند تولید هوشمند و ارتباطات 5G هستند. پیشرفت و صنعتی شدن این فناوری برای امنیت مستقل صنایع تولید هوشمند و کلان داده چین از اهمیت بالایی برخوردار است.

به این منظور، مسیرهای تحقیقاتی که به مواد الماس نیاز دارنداندازه بزرگ، عیوب کم، مقاومت کم و رسانایی حرارتی بالاجهت توسعه.

تحقیقات فعلی در مورد مواد و دستگاه‌های نیمه‌هادی الماس عمدتاً بر جنبه‌های زیر متمرکز است:

روش‌های آماده‌سازی الماس عمدتاً به روش دما و فشار بالا (HPHT) و روش رسوب بخار شیمیایی پلاسما (PCVD) تقسیم می‌شوند. در مقایسه با روش HPHT و سایر روش‌های PCVD،MPCVD تخلیه بدون الکترود، بدون آلودگی و دارای قابلیت کنترل اپیتاکسیال قوی است. این روش مزایای آشکارتری در آماده‌سازی الماس با اندازه بزرگ و خلوص بالا و تحقیقات آلایش دارد. این روش برای آماده‌سازی الماس با کیفیت بالا و کاربردهای چند میدانی ترجیح داده می‌شود..

از نظر توسعه فناوری‌های کلیدی و بازاریابی تجهیزات پیشرفته MPCVD، تیم‌هایی از ژاپن، ایالات متحده، آلمان و سایر کشورها در موقعیت پیشرو قرار دارند. در میان آنها، شرکت Seki ژاپن در توسعه و کاربرد تجهیزات MPCVD از نوع پنجره کوارتز تخت و تجهیزات MPCVD از نوع CAP، جایگاه پیشرو را در جهان اشغال کرده و رهبری فناوری را حفظ می‌کند. از نظر توسعه و کاربرد تجهیزات MPCVD از نوع زنگوله‌ای کوارتز، تیم Asmussen در دانشگاه ایالتی میشیگان در ایالات متحده، یک دستگاه فشار بالا (>2.4×10) توسعه داد.4Pa) در یک حفره رزونانس پلاسمای مایکروویو با چگالی بالا کار می‌کند تا به رسوب سریع الماس دست یابد.

از نظر توسعه و کاربرد دستگاه‌های MPCVD حلقه کوارتز، MPCVD تولید شده توسط Plassys فرانسه و iPlas آلمان بسیار نمونه هستند. در میان آنها، تجهیزات iPlas دارای ساختار کوپلینگ شکاف مایکروویو هستند و برای تهیه الماس‌های بزرگ مناسب هستند، اما سرعت رسوب آنها به طور خاص ایده‌آل نیست. در تحقیق و توسعه تجهیزات MPCVD حفره رزونانس بیضوی، موسسه Fraunhofer آلمان و Aixtron همیشه در سطح برتر جهانی قرار داشته‌اند. در مقایسه با تجهیزات MPCVD نوع زنگوله‌ای کوارتز یا نوع حلقه‌ای کوارتز، تجهیزات با این ساختار برای تطبیق منابع توان مایکروویو با سطوح توان بالاتر مناسب هستند که برای به دست آوردن مساحت بزرگتری از پلاسما مفید است.دستیابی به پلاسمای مایکروویو یکنواخت، پایدار و با مساحت زیاد، هدف نهایی توسعه‌دهندگان تجهیزات MPCVD است.

در سال‌های اخیر، تیم‌های تحقیقاتی داخلی مرتبط با توسعه تجهیزات MPCVD به نتایج خاصی در توسعه حفره‌های رزونانسی جدید MPCVD دست یافته‌اند. با این حال، در مقایسه با تیم‌های پیشرفته خارجی، تعداد کمی از شرکت‌ها یا موسسات داخلی بر مشکلات فنی دستیابی به تولید انبوه تجاری در مقیاس بزرگ غلبه کرده‌اند. بنابراین،پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری‌های کلیدی مانند طراحی بهینه و مستقل تشدیدگرهای پلاسمای مایکروویو و بهبود فرآیندهای آماده‌سازی الماس در اندازه بزرگ، نیازمند سرمایه‌گذاری و تحقیقات مستمر توسط تیم‌های داخلی مربوطه است. هنوز راه درازی برای کاوش در آینده وجود دارد.

به عنوان یک ماده نیمه‌هادی، الزامات آماده‌سازی و دستورالعمل‌های کاربرد مواد تک بلور الماس و مواد چندبلوری کاملاً متفاوت است.

روش تهیه فیلم الماس پلی کریستالی CVD، شاملجت پلاسمای قوسی DC با توان بالا، CVD سیم داغ و MPCVD و غیرهتهیه لایه‌های الماس پلی‌کریستال با گرید نوری و الکترونیکی نیازمند نرخ رسوب ایده‌آل و چگالی نقص بسیار کم یا قابل کنترل است. MPCVD بدون تخلیه آلودگی الکترود، ناگزیر به روشی ایده‌آل برای تهیه لایه‌های الماس با گرید الکترونیکی و نوری تبدیل خواهد شد. با این حال، نرخ رشد الماس پلی‌کریستال کند است و ثبات جهت‌گیری کریستالی آن برای پردازش بسیار مهم است و پردازش آن را دشوار می‌کند.

در حال حاضر، شرکت Element Six به تولید انبوه تجاری الماس پلی کریستالی درجه الکترونیکی ۴ اینچی دست یافته است. تیم لی چنگ مینگ از دانشگاه علوم و فناوری پکن، تیم وانگ جیانهوا از دانشگاه فناوری ووهان و تیم یو شنگوانگ از دانشگاه فناوری تایوان، همگی در تحقیقات خود در زمینه تهیه MPCVD فیلم‌های الماس پلی کریستالی درجه نوری به روش MPCVD به نتایج خاصی دست یافته‌اند. اگرچه هنوز فاصله‌ای بین فیلم‌های الماس پلی کریستالی درجه نوری و الکترونیکی داخلی و سطح پیشرفته بین‌المللی وجود دارد، فیلم‌های الماس پلی کریستالی درجه نوری که توسط تیم‌های داخلی و بالاتر توسعه یافته‌اند، می‌توانند نیازهای پنجره‌های هدایت دو حالته مادون قرمز/رادار، CO4 با توان بالا و ... را برآورده کنند.2الزامات کاربردی پایه برای پنجره‌های ماشین پردازش لیزری و پنجره‌های مایکروویو پرقدرت.

در مقایسه با شرایط سخت آماده‌سازی و کاربرد لایه‌های الماس پلی‌کریستالی درجه نوری و الکترونیکی، لایه‌های الماس پلی‌کریستالی به عنوان هیت سینک برای اتلاف حرارت دستگاه‌های قدرت نیمه‌هادی به طور گسترده‌تری مورد استفاده قرار می‌گیرند و تقاضا برای آنها بیشتر و فوری‌تر است. سطح فنی فعلی رسوب آن نیز نسبتاً آسان به دست می‌آید.

علاوه بر این، مزیت هزینه تولید الماس چندبلوری نسبت به الماس تک بلوری آشکارتر است. در 30 سال گذشته، تحقیقات در مورد کاربرد لایه‌های الماس چندبلوری MPCVD به عنوان هیت سینک در دستگاه‌های نیمه‌هادی هرگز متوقف نشده است. در حال حاضر، لایه‌های الماس چندبلوری مبتنی بر Si در مقیاس اینچ در دستگاه‌های HEMT استفاده می‌شوند و چگالی توان RF این دستگاه‌ها به طور مؤثر بهبود یافته و به بیش از 23 وات بر میلی‌متر مربع رسیده است. در حال حاضر، اندازه لایه الماس چندبلوری درجه هیت سینک آماده شده می‌تواند به 8 اینچ برسد. با بهبود و ارتقاء فناوری MPCVD، انتظار می‌رود که با خط تولید ویفر نیمه‌هادی 8 اینچی موجود سازگار باشد و در نهایت کاربرد و ارتقاء مواد هیت سینک الماس چندبلوری در مقیاس بزرگ در صنعت مواد نیمه‌هادی محقق شود.

در مقایسه با الماس چندبلوری، الماس تک بلور (SCD) بدون محدودیت مرز دانه، خواص نوری و الکتریکی بهتری دارد. این الماس اثرات کاربردی برجسته‌ای در زمینه‌های علمی و فناوری پیشرفته مانند آشکارسازهای تابش ارتباطات/محاسبات کوانتومی، نمایشگرهای انتشار میدان کاتد سرد، لیزرهای نیمه‌هادی، مدارهای مجتمع چندبعدی تراشه CPU ابررایانه و میله‌های نگهدارنده رسانای حرارتی لوله موج سیار مایکروویو رادار پرقدرت نظامی دارد. تهیه SCD با اندازه بزرگ و کیفیت بالا یک پیش‌نیاز است.

به عنوان یک ویفر الماس، اندازه آن باید بیش از 2 اینچ باشد. در حال حاضر، فناوری‌های اصلی برای تهیه الماس‌ها و ویفرهای بزرگ عبارتند ازرشد همواپیتاکسی، تهیه ویفر موزاییکی و رشد ناهمواپیتاکسیو سایر فناوری ها

روش اتصال موزاییکبه عنوان روشی بسیار عملی برای تهیه SCD های بزرگ، اتصال و رشد چندین زیرلایه یکنواخت، همراه با فناوری lift-off، امکان تهیه SCD های بزرگ را فراهم کرده است. در حال حاضر، ویفرهای تک کریستالی تا 2 اینچ نیز تولید شده‌اند. با این حال، الزامات یکنواختی بالا برای زیرلایه و وجود مرزدانه‌ها منجر به مشکلاتی مانند تنش و نقص در محل اتصال اتصال می‌شود که بر کیفیت صفحات اتصال SCD تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، هزینه بالا است، فناوری لایه‌برداری باید تزریق شود و بازده بسیار پایین است.

(تصویر از گزارش Carbontech 2020 PPT توسط پروفسور ژانگ جینفنگ از دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک شی‌آن)

سنتز با کیفیت بالاهومواپیتاکسیاللایه‌گذاری الماس یکی از فناوری‌های مهم برای تهیه دستگاه‌های الکترونیکی الماس است. این فناوری دارای چگالی نقص کم است و حداکثر اندازه آن می‌تواند به 0.5 اینچ (1 اینچ = 2.54 سانتی‌متر) برسد. در فرآیند تهیه همواپیتکسی الماس تک بلور، نحوه جدا کردن الماس تک بلور از زیرلایه یک پیوند بسیار مهم و همچنین نسبتاً دشوار است. از آنجا که زیرلایه نیز الماس تک بلور بسیار سخت است، نمی‌توان آن را با روش‌های برش معمولی برش داد. روش‌های متداول شامل صیقل‌کاری مکانیکی و برش لیزری است.

(تصویر از گزارش Carbontech 2020 PPT توسط پروفسور ژانگ جینفنگ از دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک شی‌آن)

علاوه بر رشد همواپیتاکسی، رشد هترواپیتاکسی نیز روشی مؤثر برای رشد الماس تک بلور با مساحت بزرگ است. هترواپیتاکسی به استفاده از لایه‌های بافر روی زیرلایه‌های Si، یاقوت کبود، MgO و سایر زیرلایه‌ها برای کاهش عدم تطابق حرارتی و عدم تطابق شبکه بین الماس و زیرلایه و در نهایت دستیابی به رشد لایه‌های نازک الماس تک بلور اشاره دارد. مؤثرترین لایه بافر، Ir و غیره است. از لحاظ تئوری، این روش می‌تواند الماس تک بلور را با مساحت کافی برای برآورده کردن نیازهای صنعتی‌سازی آن در زمینه دستگاه‌های الکترونیکی رشد دهد. عیب اصلی آن چگالی بالای نقص است.

پس از پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری‌های کلیدی مانند رشد پرسرعت با افزودن نیتروژن، رشد با راندمان بالای تخلیه پالسی و حذف کاشت یون در فناوری رشد رسوب شیمیایی بخار پلاسما (MPCVD) مایکروویو، رشد اپیتاکسیال پرسرعت چند جهته MPCVD سه بعدی تکراری (با سرعت رشد ۱۰۰ میکرومتر بر ساعت) در ۱۰ سال گذشته محقق شده است.-1) ، فناوری‌های نوآورانه‌ای مانند رشد لبه‌های الماس بزرگ، ضخیم و چندبلوری و استفاده از CVD پلاسما در سیستم‌های (H، C، N، O) به مدت 200 ساعت بدون مرز و رشد مداوم.

برای دستگاه‌های نیمه‌هادی الماس، آلایش مواد الماس، فناوری اساسی برای تشکیل دستگاه‌های قدرت است.بزرگترین مشکل در تجاری‌سازی نیمه‌رساناهای الماس این است که آلایش حجمی کارآمد الماس هنوز حل نشده است. ساخت ترانزیستورهای نوع P آسان است اما ساخت ترانزیستورهای نوع N دشوار است..فناوری آلایش نوع p الماس نسبتاً بالغ است و آلایش‌کننده اصلی اتم‌های بور است. برای الماس نوع p، ناخالصی‌های بور را می‌توان به راحتی در الماس طبیعی و الماس MPCVD ادغام کرد و هیچ مشکل جهت‌گیری کریستالی وجود ندارد، اما راندمان فعال‌سازی بور در دمای اتاق کمتر از 0.1٪ است. غلظت آلایش و تحرک بور در الماس یک رابطه‌ی جایگزینی دارند. غلظت بیش از حد آلایش اغلب منجر به کاهش سریع تحرک می‌شود. وقتی غلظت آلایش بور 10 باشد19 cm-3، میزان تحرک به ۱۰۰ سانتی‌متر کاهش خواهد یافت2· V -1· س-1به شرح زیر.

(تصویر از گزارش Carbontech 2020 PPT توسط پروفسور ژانگ جینفنگ از دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک شی‌آن)

بر اساس موقعیت اتم C الماس (شعاع کووالانسی 0.077 نانومتر) در جدول تناوبی عناصر، نزدیکترین اتم، اتم نیتروژن (0.075 نانومتر) است که آن را به کاندیدای مناسبی برای آلایش نوع n الماس تبدیل می‌کند. با این حال، پس از آلایش، اتم‌های N که جایگزین اتم‌های C در الماس می‌شوند، به دلیل اثر یان-تلر دچار اعوجاج می‌شوند و باعث می‌شوند شبکه محلی کج شود و اتم‌های N از موقعیت جایگزین شده منحرف شوند. سطح انرژی آلایش آن بسیار عمیق، 1.7 الکترون ولت است که هدایت الکتریکی را در دمای اتاق دشوار می‌کند.

(تصویر از گزارش Carbontech 2020 PPT توسط پروفسور ژانگ جینفنگ از دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک شی‌آن)

با توسعه مداوم فناوری نیمه‌هادی الماس، مطمئناً در آینده تنگناهایی مانند فناوری آلایش نوع n، آماده‌سازی تک بلورهای بزرگ و با کیفیت بالا، و فناوری اپیتاکسی مواد با تختی و یکنواختی بالا برای دستیابی به دستگاه‌های الکترونیکی الماس با عملکرد توان بالاتر برطرف خواهد شد. اما این از تلاش‌های بی‌وقفه محققان علمی جدایی‌ناپذیر است!

دیود قدرتدر 10 سال گذشته، پیشرفت مواد الماس CVD از نظر اندازه بزرگ، نقص‌های کم و آلایش زیاد، مستقیماً توسعه دیودهای الماس را در جهت ولتاژ شکست بالا، قدرت میدان شکست بالا، مقاومت روشن کم، نرخ سوئیچینگ بالا و عملکرد در دمای بالا سوق داده است. هر دو نوع دیود SBD و پیوند pn در حال توسعه هستند که در میان آنها SBD الماس سریع‌تر در حال توسعه است و در حال حاضر در مرحله آزمایشی کاربردی اولیه قرار دارد.

دلیل اصلی ولتاژ شکست پایین دیودها و ترانزیستورهای الماس (کمتر از ۵۰۰ ولت) دشواری کنترل مواد ناخالصی در الماس است.الماس ماده‌ای با بالاترین چگالی اتمی روی زمین است. به جز چند اتم کوچک مانند عناصر H، P، N و Si، افزودن اتم‌های بزرگ دیگر به بلور آن دشوار است.

دیود پین الماسیis an advanced device suitable for high-power applications, except that its critical electric field is 3 MV·cm-1(حد نظری SiC)، مقاومت سری دیودهای پین الماسی را نیز می‌توان با استفاده از یک لایه به شدت آلایش شده به طور قابل توجهی کاهش داد. در 10 سال گذشته، فناوری دیود پین الماسی پیشرفت‌های بزرگی داشته است، مانند پیشرفت‌هایی در تهیه لایه‌های p+ و n+ به شدت آلایش شده با مکانیسم‌های رسانایی گذار؛ مکانیسم‌های انتقال حامل دیودهای پیوند p+-i-n+ الماسی با رسانایی گذار با مقاومت کم؛ طراحی بهینه‌سازی ساختار مواد دیودهای pn الماسی شاتکی (SPND)؛ رشد انتخابی n+؛ تحقیق در مورد مکانیسم تأثیر نقص‌های سطح مشترک لایه‌ها و دیودهای پیوند pn بر نشت معکوس؛ تحقیق در مورد بازیابی معکوس و طول عمر حامل اقلیت دیودهای پین الماسی؛ تحقیق در مورد مکانیسم ارتفاع ناهموار سد شاتکی دیودهای پین شاتکی الماسی (SPIND) و سایر فناوری‌های کلیدی.

Power transistors and logic circuits

Diamond transistors have made progress in both the fields of power electronics and microwave electronics. In the field of power electronics, the development direction is towards high breakdown voltage, high breakdown field strength, high temperature operation, low on-resistance, high switching rate and normally-off devices.ترانزیستورهای الماس عمدتاً از انواع مختلفی از FETها تشکیل شده‌اند، از جملهترانزیستورهای اثر میدانی نیمه‌هادی فلزی (MESFET)، MOSFET و JFETetc. There are two types of channels: diamond hydrogen terminal surface two-dimensional hole gas and p-type doped layer. With the advancement of n-type doping materials, bipolar diamond devices have begun to appear, and recently heterojunction bipolar transistors have been developed. In the field of microwave electronics, hydrogen-terminated FETs are dominant and are developing towards high fT/fmax and high power density.

MESFET الماسی از سد شاتکی برای مدولاسیون و کنترل کانال استفاده می‌کند. پیشرفت‌های فناوری در سال‌های اخیر شامل موارد زیر است: ترکیب فاصله زیاد گیت-درین و کانال p با آلایش کم، تحقیق در مورد تأثیر کاهش فاصله گیت-سورس، عبور از آزمایش‌های تابش نوترونی ۱۴.۸ MeV، غلظت آلایش بور بالاتر و فناوری لایه کانال اپیتاکسیال سطحی خوب، و آنیل دمای بالای MESFET الماسی آلایش شده با بور.

ماسفت الماسیاین ترانزیستور الماس، پرکاربردترین ترانزیستور مورد مطالعه است که از ساختار کنترل گیت MOS برای سرکوب جریان نشتی گیت استفاده می‌کند. در سال‌های اخیر، MOSFFT الماس تحت سلطه دستگاه‌های کانال با انتهای هیدروژنی بوده و در مجموعه‌ای از فناوری‌های کلیدی مانند ساختار لایه اکسید گیت بسیار پایدار Al2O3 پیشرفت‌هایی داشته است.

برای کاربردهای دستگاه‌های قدرت که در ولتاژها و دماهای بالا کار می‌کنند، دستگاه کانال بدنه الماس JFET که پایدارتر از دستگاه‌های کانال سطحی است، مزیت بیشتری دارد.

ترانزیستور BJT الماسیاین یکی از دستگاه‌های اصلی سوئیچینگ توان است. در مقایسه با FET های الماس با انتهای هیدروژن، BJT های مبتنی بر الماس هیچ لایه دی‌الکتریک گیت، رسانایی سطح با انتهای هیدروژن و اثرات مدولاسیون رسانایی ندارند که می‌توانند تزریق حامل اقلیت را به دست آورند و در نتیجه مقاومت در حالت روشن به طور بالقوه کمتری ایجاد کنند. یک پارامتر کلیدی BJT های توان، ضریب تقویت جریان امیتر مشترک است که در مقایسه با FET های الماس، تقویت جریان را قادر می‌سازد تا نیازهای توان مدار درایو را کاهش دهد.

diamond logic circuitتوسعه مدارهای منطقی الماس اولین گام در توسعه IC های الماس است. با توسعه MISFET های الماس بهبود یافته، تحقیق و توسعه مدارهای منطقی الماس هدایت شده است.

ترانزیستور اثر میدانی RFالماس دارای خواص نیمه‌رسانایی مانند رسانایی حرارتی بالا، قدرت میدان شکست بالا و سرعت اشباع حامل بالا است. به همین دلیل، دستگاه‌های فرکانس بالا و توان بالا از جنس الماس نیز یکی از نقاط داغ تحقیقاتی در زمینه الکترونیک الماس هستند.

GaN روی HEMT الماسی:پیوندهای کووالانسی بین اتم‌های الماس بسیار قوی هستند و به ساختار سفت و سخت آن فرکانس ارتعاش بالایی می‌دهند. دمای مشخصه دبای آن تا 2200 کلوین است. پراکندگی فونون کم است، بنابراین مقاومت در برابر هدایت گرما با استفاده از فونون‌ها به عنوان واسطه بسیار کم است. رسانایی حرارتی آن پنج برابر مس است، تا 2000 وات بر (متر · کلوین). الکترونیک مایکروویو GaN نیمه‌هادی با شکاف باند وسیع، پس از نزدیک به دو دهه توسعه، به جریان اصلی فعلی تبدیل شده است و مسائل مربوط به مدیریت حرارتی آن به مانع اصلی توسعه بیشتر آن تبدیل شده است. بنابراین، ترکیب مزایای رسانایی حرارتی الماس با شکاف باند فوق وسیع و فناوری GaN برای توسعه نسل بعدی الکترونیک مایکروویو GaN اجتناب‌ناپذیر شده است. همچنین مبنایی برای توسعه مداوم الکترونیک مایکروویو GaN فراهم می‌کند.2O3ارائه مرجع برای مدیریت حرارتی دستگاه‌های الکترونیکی و غیره. مواد الماس می‌توانند به عنوان مواد مدیریت حرارتی برای دستگاه‌های الکترونیکی قدرت استفاده شوند و در جهت اندازه بزرگ، مقاومت حرارتی کم در سطح مشترک و رسانایی حرارتی بالا در حال توسعه هستند.

. . .

با کاربرد گسترده نیمه‌هادی‌های نسل سوم و ظهور عصر 5G، مواد مدیریت حرارتی بسته‌بندی الکترونیکی سنتی و حتی مواد تراشه با چالش‌های بزرگی در ارتقاء روبرو هستند. کربن پیشرفته و مواد کامپوزیتی آن، که در سال‌های اخیر به سرعت ظهور کرده‌اند، نقش مهمی در زمینه اتلاف حرارت دستگاه‌های اپتوالکترونیکی با توان بالا و فرکانس بالا ایفا خواهند کرد و به مواد مدیریت حرارتی ایده‌آل در صنعت الکترونیک تبدیل می‌شوند! (از جمله مواد سینک حرارتی، مواد بسته‌بندی، مواد پایه و غیره).

(تصویر از گزارش Carbontech 2020 PPT توسط پروفسور وانگ چنگ‌یونگ از دانشگاه صنعتی گوانگدونگ)

زیرلایه اتلاف حرارت الماس در دستگاه‌های قدرت مبتنی بر GaN:عملکرد کامل دستگاه‌های قدرت مبتنی بر نیترید گالیوم (GaN) به دلیل رسانایی حرارتی پایین زیرلایه‌ای که GaN روی آن رسوب داده می‌شود، محدود شده است. الماس رسوب بخار شیمیایی (CVD) با رسانایی حرارتی بالا، به انتخابی عالی برای مواد زیرلایه انتشار حرارتی برای دستگاه‌های قدرت GaN تبدیل شده است. محققان مربوطه مطالعات فنی متعددی در مورد ترکیب دستگاه‌های الماس و GaN با رسانایی حرارتی بالا انجام داده‌اند، که عمدتاً شامل فناوری پیوند در دمای پایین، فناوری انتقال زیرلایه برای رشد مستقیم الماس در پشت لایه اپیتاکسیال GaN، فناوری GaN اپیتاکسیال الماس تک کریستالی و فناوری اتلاف حرارت لایه غیرفعال الماس با رسانایی حرارتی بالا می‌شود.

رشد مستقیم الماس در پشت لایه اپیتاکسیال GaN استحکام اتصال سطح مشترک خوبی دارد، اما شامل مشکلات فنی مانند دمای بالا، تنش ویفر بالا و مقاومت حرارتی بالای سطح مشترک است. فناوری GaN اپیتاکسیال الماس تک کریستالی و فناوری اتلاف حرارت لایه غیرفعال الماس با رسانایی حرارتی بالا به ترتیب به دلیل اندازه کوچک، هزینه بالا و ناسازگاری فرآیند الماس تک کریستالی محدود می‌شوند. بنابراین، توسعه زیرلایه‌های الماس با اندازه بزرگ و کم‌هزینه، بهبود فناوری کنترل تنش ویفر و استحکام اتصال سطح مشترک، کاهش مقاومت حرارتی سطح مشترک و بهبود عملکرد دستگاه‌های GaN با زیرلایه الماس، تمرکز توسعه آینده فناوری اتصال دستگاه‌های الماس و GaN خواهد بود.

(تصویر از گزارش Carbontech 2020 PPT توسط پروفسور ژانگ جینفنگ از دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک شی‌آن)

لیزر نیمه‌هادی بسته‌بندی‌شده با الماس

وقتی یک لیزر نیمه‌هادی پرقدرت کار می‌کند، ناحیه فعال مقدار زیادی گرما تولید می‌کند که باعث کاهش توان خروجی لیزر و کوتاه شدن عمر مفید آن می‌شود. الماس دارای ویژگی‌های رسانایی حرارتی بالایی است. استفاده از آن به عنوان یک هیت سینک انتقالی، ظرفیت اتلاف حرارت دستگاه را بهبود می‌بخشد، مقاومت حرارتی را کاهش می‌دهد، توان خروجی لیزر را افزایش می‌دهد و عمر لیزر را افزایش می‌دهد.

تحقیقات لیزر الماس رامان:پراکندگی رامان القایی یک اثر نوری غیرخطی مهم است. پراکندگی رامان القایی می‌تواند بدون نیاز به تطبیق فاز، جابجایی فرکانس ثابتی را برای همه فوتون‌های فرودی ایجاد کند. این یک فناوری مهم برای گسترش محدوده باند استفاده لیزرها است. تحقیقات در این راستا به یک نقطه داغ در توسعه فناوری لیزر تبدیل شده است.

الماس به عنوان یک ماده کریستالی رامان با عملکرد عالی، بیشترین تغییر فرکانس رامان معادل ۱۳۳۲.۳ سانتی‌متر را در بین مواد کریستالی شناخته شده دارد.-1پهنای خط بهره رامان آن در دمای اتاق حدود ۱.۵ سانتی‌متر است.-1بهره رامان الماس دارای گزینش‌پذیری قطبش است. هنگامی که جهت قطبش نور پمپ موازی با جهت <111> کریستال الماس باشد، بهره رامان آن حداکثر (10 سانتی‌متر بر گیگاوات در 1 میکرومتر) است و نور رامان با قطبش خطی خروجی می‌دهد. الماس رسانایی حرارتی فوق‌العاده بالایی دارد و توانایی اتلاف حرارت فوق‌العاده سریع آن، کلید حفظ بهره رامان بالا و دستیابی به خروجی لیزر با کیفیت پرتو بالا در عملکرد توان بالا برای کریستال‌های الماس است.

مقایسه بین بلورهای رامان لیزری رایج و الماس

در سال‌های اخیر، با بهبود فناوری آماده‌سازی رسوب بخار شیمیایی، کیفیت نوری الماس مصنوعی به سرعت بهبود یافته است. بلورهای الماس با درجه نوری نیز با ویژگی‌های عالی رامان و بریلوئن خود، بهبود توان، افزایش همدوسی و قابلیت‌های تبدیل فرکانس عالی را نشان داده‌اند. این امر لیزرهای الماس را به گونه‌ای ارتقا داده است که تا حد زیادی بر اثرات حرارتی لیزرهای وارونگی تعداد ذرات مبتنی بر مواد کاری سنتی و همچنین دشواری متعادل‌سازی طول موج و توان خروجی غلبه کنند.

بستر اتلاف حرارت بسته‌بندی سه‌بعدی الماس تک کریستالی:

وقتی پیروی از قانون مور به یک اجماع صنعتی تبدیل شده است، به نظر می‌رسد پیشنهاد مور مور، روشنایی بیشتری به توسعه صنعت تولید تراشه بخشیده است. به طور کلی، مور مور به کوچک شدن مداوم اندازه ویژگی‌های تراشه اشاره دارد که شامل دو جنبه است: ادامه کوچک شدن اندازه ویژگی‌ها در جهت‌های افقی و عمودی ویفر به منظور بهبود چگالی، عملکرد و قابلیت اطمینان؛ استفاده از فناوری‌های فرآیند مانند ساختارهای سه‌بعدی و استفاده از مواد جدید برای تأثیرگذاری بر عملکرد الکتریکی ویفر.

(تصویر از گزارش Carbontech 2020 PPT توسط محقق Jiangnan در موسسه مواد نینگبو)

مواد بسته‌بندی الکترونیکی برای حمل قطعات الکترونیکی و اتصالات داخلی آنها استفاده می‌شوند. آنها عمدتاً به عنوان تکیه‌گاه مکانیکی، محافظ آب‌بندی، اتلاف گرما و محافظ عمل می‌کنند. آنها تأثیر بسیار مهمی بر عملکرد و قابلیت اطمینان مدارهای مجتمع دارند. با توسعه فناوری الکترونیک، مدارهای مجتمع به سمت مقیاس فوق‌العاده بزرگ، سرعت فوق‌العاده بالا، چگالی بالا، توان بالا، دقت بالا و چندمنظوره در حال توسعه هستند که الزامات بیشتری را برای مواد بسته‌بندی ایجاد می‌کند. تحقیق و توسعه مواد بسته‌بندی چندسیستمی با کارایی بالا مانند الماس/مس، الماس/آلومینیوم، کاربید الماس/سیلیکون، گرافیت/مس و غیره در ارتقاء توسعه مواد بسته‌بندی الکترونیکی در جهت کوچک‌سازی، عملکرد بالا، قابلیت اطمینان بالا و هزینه کم از اهمیت بالایی برخوردار است.

.......

مواد الماس و فناوری پردازش لیزری:در مقایسه با سایر مواد، الماس دارای ویژگی‌های مقاومت ویژه بالا، قدرت میدان شکست بالا، ثابت دی‌الکتریک پایین و انبساط حرارتی کم است. کاربرد آن در مدیریت حرارتی می‌تواند الزامات توسعه مونتاژ با چگالی بالا و بسیار یکپارچه را در صنعت الکترونیک که به سرعت در حال توسعه است، برآورده کند. پردازش لیزری می‌تواند به پردازش با کیفیت بالا از ریزساختارهای الماس دست یابد. این یک فناوری پیشرفته تولید است که در حال حاضر در داخل و خارج از کشور در حال تحقیق است.

فناوری سنگ‌زنی و صیقل‌دهی زیرلایه الماس

دستگاه‌های نیمه‌هادی عمدتاً شامل مدارهای مجتمع، دستگاه‌های قدرت، دستگاه‌های الکترونیکی نوری و حسگرها و غیره هستند. دستگاه‌های قدرت به طور گسترده در هوافضا، دفاع نظامی و ملی، انرژی برق، حمل و نقل ریلی و اینترنت اطلاعات اشیا مورد استفاده قرار می‌گیرند. ویفر نیمه‌هادی حامل دستگاه نیمه‌هادی است و زیرلایه نیمه‌هادی حامل ویفر نیمه‌هادی است. زیرلایه، پایه اپیتاکسیال دستگاه‌های نیمه‌هادی است که به طور مستقیم کیفیت و عملکرد دستگاه را تعیین می‌کند.

ماشینکاری فوق العاده دقیق

اشیاء ماشینکاری فوق دقیق عموماً مواد الماس با اندازه کوچک هستند که برای صنعتی شدن بسیار پرهزینه هستند و برای کاربرد صنعتی مناسب نیستند. برای به کارگیری موفقیت‌آمیز الماس در دفع حرارت دستگاه‌های قدرت و دستیابی به صنعتی شدن، دستیابی به مواد پایه دفع حرارت در سطح ویفر با اندازه بزرگ و کیفیت سطح خوب، یک کلید است. علاوه بر این، با افزایش سطح ادغام مدار روی زیرلایه‌های الماس، الزامات کیفیت سطح به تدریج افزایش می‌یابد. زبری سطح به سطح آنگستروم یا حتی کوچکتر توسعه می‌یابد و تابیدگی سطح به 5 میکرومتر یا کمتر می‌رسد.

سلب مسئولیت: این مقاله از "DT Semiconductor Materials" کپی شده است که از حمایت از حقوق مالکیت معنوی حمایت می‌کند. لطفاً منبع اصلی و نویسنده‌ی بازنشر را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه نقض، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.