En parlant de diamant, je pense que beaucoup de gens ne le connaissent pas bien. L'auteur de cet article n'est pas du secteur et sa connaissance du diamant se limite à sa structure parfaite (PS : l'auteur est un professionnel des matériaux céramiques fluorescents)....Autant changer le mot « diamant », profondément ancré dans le cœur des gens, en « BlingBling », synonyme de tentation.

L'escroquerie centenaire du « diamant éternel » a étouffé le talent des diamantaires et les a rendus surqualifiés. Vous le croyez riche, mais en réalité, c'est un roi.Le volume d'application du diamant dans le domaine industriel est beaucoup plus important que dans le domaine de la joaillerie.. Notamment dans les futurs domaines de haute précision, les matériaux diamantés présentent un grand potentiel.

Depuis les travaux de Moore, le développement de l'électronique à base de carbone a suscité un vif intérêt. Dans le domaine de la nanoélectronique, des progrès significatifs ont été réalisés dans la recherche sur les nanocomposites à base de carbone, notamment les nanotubes de carbone unidimensionnels et le graphène bidimensionnel.Dans le domaine de l'électronique de puissance, la recherche sur l'électronique de puissance au diamant, connue pour ses performances exceptionnelles face aux semi-conducteurs, fait également preuve d'un grand dynamisme, démontrant son potentiel pour devenir la prochaine génération d'électronique de puissance.

L'industrie considère le diamant comme le semi-conducteur ultime, et ce pour une raison bien précise. Les recherches actuelles se concentrent principalement sur les propriétés intrinsèques du diamant.

(Image tirée du rapport PPT de Carbontech 2020 du professeur Zhang Jinfeng de l'Université des sciences et technologies électroniques de Xi'an)

Le diamant est un matériau semi-conducteur à très large bande interdite (5.5 eV), supérieure à celle de semi-conducteurs à large bande interdite comme le GaN et le SiC. Comme le montre le tableau ci-dessous, la bande interdite du diamant est cinq fois plus large que celle du silicium (Si), et sa mobilité des porteurs de charge est trois fois supérieure. Théoriquement, la mobilité des porteurs de charge du diamant est plus de deux fois supérieure à celle des semi-conducteurs à large bande interdite existants (GaN, SiC). Par ailleurs, le diamant présente une concentration intrinsèque de porteurs de charge extrêmement faible à température ambiante. De plus, outre sa dureté exceptionnelle, le diamant possède également la conductivité thermique la plus élevée parmi les matériaux semi-conducteurs, soit 7.5 fois celle de l'AlN. Grâce à ces performances remarquables, le diamant est considéré comme le matériau le plus prometteur pour la fabrication de la prochaine génération de dispositifs électroniques haute puissance, haute fréquence, haute température et à faibles pertes, et est salué comme le « semi-conducteur ultime » par l'industrie.

L'ère de la communication 5G se déploie rapidement et l'utilisation des monocristaux de diamant dans les semi-conducteurs et les dispositifs de puissance haute fréquence prend une importance croissante. Les monocristaux de diamant et leurs dérivés constituent un matériau essentiel à la mise en œuvre de grandes stratégies nationales telles que l'usinage ultra-précis et les réseaux intelligents, ainsi qu'à la modernisation de secteurs industriels comme la fabrication intelligente et la 5G. Le développement et l'industrialisation de cette technologie sont cruciaux pour l'indépendance et la sécurité des industries chinoises de la fabrication intelligente et du big data.

à cette fin, Axes de recherche nécessitant des matériaux diamantésGrande taille, faible nombre de défauts, faible résistivité et conductivité thermique élevéeorientation du développement.

Les recherches actuelles sur les matériaux et dispositifs semi-conducteurs à base de diamant se concentrent principalement sur les aspects suivants :

Les méthodes de préparation du diamant se divisent principalement en deux catégories : la méthode haute température et haute pression (HPHT) et la méthode de dépôt chimique en phase vapeur par plasma (PCVD). Comparée à la méthode HPHT et aux autres méthodes PCVD,Le procédé MPCVD est une décharge sans électrodes, non polluante et offrant un contrôle épitaxial précis. Il présente des avantages considérables pour la préparation et le dopage de diamants de grande taille et de haute pureté. C'est la méthode de choix pour la fabrication de diamants de haute qualité destinés à de multiples applications..

En matière de développement technologique clé et de commercialisation d'équipements MPCVD avancés, des équipes du Japon, des États-Unis, d'Allemagne et d'autres pays occupent une position de premier plan. Parmi elles, la société japonaise Seki se distingue par son leadership mondial et sa maîtrise technologique dans le développement et l'application d'équipements MPCVD à fenêtre de quartz plane et d'équipements MPCVD de type CAP. Concernant le développement et l'application d'équipements MPCVD à cloche de quartz, l'équipe Asmussen de l'Université d'État du Michigan, aux États-Unis, a mis au point un système haute pression (> 2.4 × 10⁻⁵).4Pa) fonctionne dans une cavité résonante plasma micro-ondes à haute densité de puissance pour obtenir un dépôt de diamant à grande vitesse.

En matière de développement et d'application des dispositifs MPCVD à anneau de quartz, les systèmes produits par Plassys (France) et iPlas (Allemagne) sont très représentatifs. Parmi eux, l'équipement iPlas, doté d'une structure de couplage à fente micro-ondes, est adapté à la fabrication de diamants de grande taille, mais son taux de dépôt n'est pas optimal. Dans la recherche et le développement d'équipements MPCVD à cavité résonante ellipsoïdale, l'Institut Fraunhofer (Allemagne) et Aixtron se sont toujours maintenus à un niveau d'excellence mondial. Comparé aux équipements MPCVD à cloche ou à anneau de quartz, celui-ci permet d'utiliser des sources de puissance micro-ondes plus élevées, ce qui favorise l'obtention d'une zone de plasma plus étendue.L'objectif ultime des développeurs d'équipements MPCVD est d'obtenir un plasma micro-ondes uniforme, stable et de grande surface.

Ces dernières années, les équipes de recherche nationales travaillant sur le développement d'équipements MPCVD ont obtenu certains résultats dans la mise au point de nouvelles cavités résonantes MPCVD. Cependant, comparées aux équipes étrangères les plus avancées, peu d'entreprises ou d'institutions nationales ont surmonté les difficultés techniques liées à une production commerciale de masse. Par conséquent,Des avancées majeures dans des technologies clés, telles que la conception optimisée et indépendante de résonateurs à plasma micro-ondes et l'amélioration des procédés de préparation de diamants de grande taille, nécessitent de toute urgence des investissements et des recherches continus de la part des équipes nationales concernées. De nombreuses pistes restent à explorer.

En tant que matériau semi-conducteur, les exigences de préparation et les domaines d'application des matériaux monocristallins et polycristallins de diamant sont très différents.

Méthode de préparation d'un film de diamant polycristallin CVD, comprenantDépôt chimique en phase vapeur (CVD) par jet de plasma à arc CC haute puissance, CVD à fil chaud et MPCVD, etc.La préparation de films de diamant polycristallin de qualité optique et électronique exige une vitesse de dépôt optimale et une densité de défauts extrêmement faible ou contrôlable. Le procédé MPCVD sans contamination des électrodes s'imposera comme une méthode idéale pour la préparation de tels films. Cependant, la faible vitesse de croissance du diamant polycristallin et l'importance cruciale de la constance de son orientation cristalline pour sa mise en œuvre rendent ce procédé complexe.

Actuellement, Element Six a atteint la production en série commerciale de diamant polycristallin de qualité électronique de 4 pouces. Les équipes de Li Chengming (Université des sciences et technologies de Pékin), de Wang Jianhua (Université de technologie de Wuhan) et de Yu Shengwang (Université de technologie de Taiyuan) ont toutes obtenu des résultats significatifs dans leurs recherches sur la préparation de films de diamant polycristallin de qualité optique par MPCVD. Bien qu'il subsiste un écart entre les films de diamant polycristallin de qualité optique et électronique produits en Chine et les niveaux internationaux les plus avancés, les films de diamant polycristallin de qualité optique développés par les équipes chinoises et internationales peuvent répondre aux besoins des fenêtres de guidage bimodes infrarouge/radar et des lasers CO₂ haute puissance.2Exigences de base pour les fenêtres des machines de traitement laser et les fenêtres pour micro-ondes de haute puissance.

Comparativement aux conditions de préparation et d'application rigoureuses des films de diamant polycristallin de qualité optique et électronique, les films de diamant polycristallin sont plus largement utilisés comme dissipateurs thermiques pour la dissipation de la chaleur des dispositifs de puissance semi-conducteurs, et la demande est plus forte et plus urgente. Le niveau technique actuel de leur dépôt est également relativement facile à atteindre.

De plus, l'avantage en termes de coûts de fabrication du diamant polycristallin est plus marqué que celui du diamant monocristallin. Ces 30 dernières années, la recherche sur l'application des films de diamant polycristallin MPCVD comme dissipateurs thermiques dans les dispositifs semi-conducteurs s'est poursuivie sans relâche. Actuellement, des films de diamant polycristallin sur silicium, d'une épaisseur de quelques centimètres, sont utilisés dans les transistors HEMT, ce qui a permis d'améliorer significativement la densité de puissance RF de ces dispositifs, atteignant plus de 23 W/mm². La taille des films de diamant polycristallin destinés aux dissipateurs thermiques peut désormais atteindre 8 pouces. Grâce aux progrès et à la modernisation de la technologie MPCVD, une compatibilité avec les lignes de production existantes de plaquettes semi-conductrices de 8 pouces est attendue, permettant à terme une application à grande échelle et la promotion des matériaux de dissipateurs thermiques en diamant polycristallin dans l'industrie des semi-conducteurs.

Comparé au diamant polycristallin, le diamant monocristallin (DMC), exempt de contraintes liées aux joints de grains, présente des propriétés optiques et électriques supérieures. Il trouve des applications remarquables dans des domaines scientifiques et technologiques de pointe, tels que les détecteurs de rayonnement pour les communications et l'informatique quantiques, les écrans à émission de champ à cathode froide, les lasers à semi-conducteurs, les circuits intégrés multidimensionnels pour processeurs de supercalculateurs et les supports thermoconducteurs pour tubes à ondes progressives micro-ondes des radars militaires de haute puissance. La production de DMC de grande taille et de haute qualité est indispensable.

Pour une plaquette de diamant, la taille doit être supérieure à 2 pouces. Actuellement, les principales technologies de préparation des diamants et des plaquettes de grande taille sont :Croissance homoépitaxiale, préparation de plaquettes mosaïques et croissance hétéroépitaxialeet d'autres technologies.

méthode d'assemblage en mosaïqueL'assemblage et la croissance de plusieurs substrats uniformes, combinés à la technique de décollement, constituent une méthode très efficace pour la fabrication de dispositifs monocristallins (SCD) de grande taille. Des plaquettes monocristallines allant jusqu'à 2 pouces ont été réalisées. Cependant, les exigences élevées en matière d'uniformité du substrat et la présence de joints de grains engendrent des problèmes tels que des contraintes et des défauts au niveau de la jonction, ce qui affecte la qualité des dispositifs SCD assemblés. De plus, cette méthode présente un coût élevé, nécessite l'utilisation d'une technique de décollement et offre un faible rendement.

(Image tirée du rapport PPT de Carbontech 2020 du professeur Zhang Jinfeng de l'Université des sciences et technologies électroniques de Xi'an)

Synthétiser de haute qualitéhoméoépitaxialLa couche de diamant est une technologie essentielle à la fabrication de dispositifs électroniques en diamant. Elle se caractérise par une faible densité de défauts et une taille maximale pouvant atteindre 0.5 pouce (1 pouce = 2.54 cm). Lors de la préparation homoépitaxiale de diamant monocristallin, le décollement de ce dernier de son substrat est une étape cruciale et relativement complexe. Le substrat étant lui-même un diamant monocristallin extrêmement dur, il ne peut être taillé par les méthodes conventionnelles. Les méthodes couramment utilisées comprennent le polissage mécanique et la découpe laser.

(Image tirée du rapport PPT de Carbontech 2020 du professeur Zhang Jinfeng de l'Université des sciences et technologies électroniques de Xi'an)

Outre la croissance homoépitaxiale, la croissance hétéroépitaxiale est également une méthode efficace pour la croissance de monocristaux de diamant sur de grandes surfaces. L'hétéroépitaxie consiste à utiliser des couches tampons sur des substrats tels que le silicium, le saphir ou l'oxyde de magnésium afin de compenser les différences de dilatation thermique et de paramètres de maille entre le diamant et le substrat, et ainsi obtenir des films de diamant monocristallin. L'iridium, par exemple, est l'élément tampon le plus efficace. Théoriquement, cette méthode permet de faire croître des monocristaux de diamant sur des surfaces suffisamment grandes pour répondre aux besoins industriels du secteur de l'électronique. Son principal inconvénient réside dans la forte densité de défauts.

Après des percées dans des technologies clés telles que la croissance à grande vitesse par ajout d'azote, la croissance à haut rendement par décharge pulsée et le décapage par implantation ionique dans la technologie de croissance par dépôt chimique en phase vapeur par plasma micro-ondes (MPCVD), une croissance épitaxiale tridimensionnelle multidirectionnelle répétitive à grande vitesse (taux de croissance de 100 μm·h) a été réalisée au cours des 10 dernières années.-1), des technologies innovantes telles que la croissance de bords de diamants polycristallins épais et de grande taille et l'utilisation du CVD plasma dans des systèmes (H, C, N, O) pendant 200 h sans bordures et croissance continue.

Pour les dispositifs semi-conducteurs à base de diamant, le dopage des matériaux diamantés est la technologie de base pour la fabrication de dispositifs de puissance.Le principal obstacle à la commercialisation des semi-conducteurs à base de diamant réside dans le fait que le dopage efficace du diamant en volume n'a pas encore été maîtrisé. La fabrication de transistors de type P est aisée, mais celle de transistors de type N s'avère complexe..La technologie de dopage de type p du diamant est relativement mature, et le dopant principal est le bore. Dans le cas du diamant de type p, les impuretés de bore s'intègrent facilement au diamant naturel et au diamant MPCVD, sans problème d'orientation cristalline. Cependant, l'efficacité d'activation du bore à température ambiante est inférieure à 0.1 %. La concentration de dopage et la mobilité du bore dans le diamant sont inversement proportionnelles. Une concentration excessive entraîne souvent une diminution rapide de la mobilité. Lorsque la concentration de dopage en bore atteint 1019 cm-3, la mobilité sera réduite à 100 cm2·V -1· s-1le suivant.

(Image tirée du rapport PPT de Carbontech 2020 du professeur Zhang Jinfeng de l'Université des sciences et technologies électroniques de Xi'an)

Le choix de l'atome de carbone (C) du diamant (rayon covalent de 0.077 nm) dans le tableau périodique des éléments repose sur la position de l'atome le plus proche, l'azote (N) (0.075 nm), ce qui en fait également un candidat intéressant pour le dopage de type n du diamant. Cependant, après dopage, les atomes d'azote remplaçant les atomes de carbone dans le diamant sont déformés par l'effet Jahn-Teller, ce qui induit une distorsion du réseau cristallin local et un déplacement des atomes d'azote par rapport à leur position initiale. Son niveau d'énergie de dopage est très profond (1.7 eV), ce qui rend la conductivité électrique difficile à température ambiante.

(Image tirée du rapport PPT de Carbontech 2020 du professeur Zhang Jinfeng de l'Université des sciences et technologies électroniques de Xi'an)

Grâce au développement continu de la technologie des semi-conducteurs à base de diamant, les obstacles tels que le dopage de type n, la préparation de monocristaux de grande taille et de haute qualité, ainsi que l'épitaxie de matériaux à haute planéité et haute uniformité seront assurément surmontés à l'avenir, permettant ainsi la réalisation de dispositifs électroniques à base de diamant aux performances accrues. Mais cela reste indispensable aux efforts constants des chercheurs.

diode de puissanceAu cours des dix dernières années, les progrès réalisés dans le domaine des matériaux diamantés CVD (diamant de grande taille, faible taux de défauts et dopage élevé) ont directement stimulé le développement des diodes diamantées, privilégiant une tension de claquage élevée, une rigidité diélectrique élevée, une faible résistance à l'état passant, une vitesse de commutation élevée et un fonctionnement à haute température. Si les diodes Schottky (SBD) et les diodes à jonction pn sont toutes deux en cours de développement, les diodes SBD diamantées progressent plus rapidement et sont déjà au stade des premières applications expérimentales.

La faible tension de claquage des diodes et transistors en diamant (inférieure à 500 V) s'explique principalement par la difficulté à contrôler les substances dopantes présentes dans le diamant.Le diamant est le matériau ayant la plus haute densité atomique sur Terre. Hormis quelques petits atomes comme l'hydrogène, le phosphore, l'azote et le silicium, il est difficile d'incorporer d'autres atomes plus gros dans son cristal.

diode à broche diamantest un dispositif avancé adapté aux applications de forte puissance, à ceci près que son champ électrique critique est de 3 MV·cm-1(Limite théorique du SiC), la résistance série des diodes PIN en diamant peut également être considérablement réduite grâce à l'utilisation d'une couche fortement dopée. Au cours des dix dernières années, la technologie des diodes PIN en diamant a connu des progrès considérables, notamment des avancées majeures dans la préparation de couches p+ et n+ fortement dopées avec des mécanismes de conduction par transition ; les mécanismes de transport des porteurs dans les diodes à jonction p+-i-n+ en diamant à faible conductivité de transition ; l'optimisation de la structure des matériaux des diodes Schottky pn en diamant (SPND) ; la croissance sélective de la couche n+ ; l'étude du mécanisme d'influence des défauts d'interface des couches et des diodes à jonction pn sur le courant de fuite inverse ; l'étude de la récupération inverse et de la durée de vie des porteurs minoritaires dans les diodes PIN en diamant ; l'étude du mécanisme de l'hétérogénéité de la hauteur de la barrière Schottky dans les diodes PIN Schottky en diamant (SPIND), et d'autres technologies clés.

transistors de puissance et circuits logiques

Les transistors à diamant ont connu des progrès significatifs tant dans le domaine de l'électronique de puissance que dans celui de l'électronique micro-ondes. En électronique de puissance, les développements s'orientent vers des transistors à haute tension de claquage, à champ de claquage élevé, fonctionnant à haute température, présentant une faible résistance à l'état passant, une vitesse de commutation élevée et normalement bloqués.Les transistors à diamant sont principalement composés de différents types de transistors à effet de champ (FET), notammentTransistors à effet de champ métal-semiconducteur (MESFET), MOSFET et JFETIl existe deux types de canaux : un gaz de trous bidimensionnel à la surface du diamant, constitué d’une couche à terminaison hydrogène, et une couche dopée de type p. Grâce aux progrès réalisés dans le domaine des matériaux de dopage de type n, des dispositifs bipolaires en diamant ont fait leur apparition, et plus récemment, des transistors bipolaires à hétérojonction ont été développés. Dans le domaine de l’électronique micro-ondes, les transistors à effet de champ à terminaison hydrogène sont prédominants et leur développement vise à atteindre des valeurs élevées de fT/fmax et de densité de puissance.

Le MESFET en diamant utilise une barrière Schottky pour moduler et contrôler le canal. Les avancées technologiques de ces dernières années comprennent : la combinaison d’un large espacement grille-drain et d’un canal p faiblement dopé, des recherches sur l’effet de la réduction de l’espacement grille-source, la réussite d’expériences d’irradiation neutronique à 14.8 MeV, une concentration de dopage au bore plus élevée et une bonne technologie de couche de canal épitaxiale de surface, ainsi que le recuit à haute température du MESFET en diamant dopé au bore.

MOSFET diamantIl s'agit du transistor à diamant le plus étudié, utilisant une structure de commande de grille MOS pour supprimer le courant de fuite de grille. Ces dernières années, les transistors MOSFFT à diamant ont été dominés par les dispositifs à canal terminé par de l'hydrogène et ont connu des avancées majeures dans plusieurs technologies clés, telles que la structure de la couche d'oxyde de grille Al₂O₃, d'une grande stabilité.

Pour les applications de dispositifs de puissance fonctionnant à haute tension et à haute température, le JFET à canal en diamant, plus stable que les dispositifs à canal de surface, est plus avantageux.

BJT à diamantIl s'agit d'un des principaux dispositifs de commutation de puissance. Contrairement aux transistors à effet de champ (FET) à terminaison hydrogène sur diamant, les transistors bipolaires (BJT) à base de diamant ne présentent ni couche diélectrique de grille, ni conductivité de surface liée à la terminaison hydrogène, ni effets de modulation de conductance permettant l'injection de porteurs minoritaires, ce qui peut potentiellement réduire leur résistance à l'état passant. Un paramètre clé des BJT de puissance est le facteur d'amplification du courant d'émetteur commun, qui permet une amplification du courant supérieure à celle des FET à terminaison hydrogène sur diamant et, par conséquent, une réduction de la consommation d'énergie du circuit de commande.

circuit logique diamantLe développement des circuits logiques en diamant constitue la première étape du développement des circuits intégrés en diamant. Grâce aux progrès réalisés dans le domaine des transistors MISFET en diamant, la recherche et le développement de ces circuits logiques ont connu un essor considérable.

FET RFLe diamant possède des propriétés semi-conductrices telles qu'une conductivité thermique élevée, une rigidité diélectrique élevée et une vitesse de saturation des porteurs élevée. C'est pourquoi les dispositifs à haute fréquence et haute puissance en diamant constituent un axe de recherche majeur en électronique du diamant.

HEMT GaN sur diamant:Les liaisons covalentes entre les atomes de diamant sont extrêmement fortes, conférant à sa structure rigide une fréquence de vibration élevée. Sa température caractéristique de Debye atteint 2200 K. La diffusion des phonons étant faible, la résistance à la conduction thermique par phonons est extrêmement faible. Sa conductivité thermique est cinq fois supérieure à celle du cuivre, jusqu'à 2000 W/(m·K). Après près de deux décennies de développement, l'électronique micro-ondes à base de semi-conducteurs à large bande interdite GaN est devenue la technologie dominante, mais les problèmes de gestion thermique constituent le principal obstacle à son développement. Par conséquent, la combinaison des avantages de la conductivité thermique du diamant à très large bande interdite et de la technologie GaN est devenue incontournable pour le développement de la prochaine génération d'électronique micro-ondes GaN. Elle constitue également un fondement pour le développement actuel de cette technologie.2O3Fournir des références pour la gestion thermique des dispositifs électroniques, etc. Les matériaux diamantés peuvent être utilisés comme matériaux de gestion thermique pour les dispositifs électroniques de puissance et évoluent vers une grande taille, une faible résistance thermique d'interface et une conductivité thermique élevée.

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Avec la généralisation des semi-conducteurs de troisième génération et l'avènement de la 5G, les matériaux traditionnels de gestion thermique des boîtiers électroniques, voire les matériaux des puces, sont confrontés à d'importants défis de mise à niveau. Le carbone avancé et ses composites, qui ont connu un essor rapide ces dernières années, joueront un rôle crucial dans la dissipation thermique des dispositifs optoélectroniques haute puissance et haute fréquence et deviendront des matériaux de gestion thermique idéaux pour l'industrie électronique (notamment pour les dissipateurs thermiques, les boîtiers et les substrats).

(Image tirée du rapport PPT de Carbontech 2020 du professeur Wang Chengyong de l'Université de technologie de Guangdong)

Substrat de dissipation thermique en diamant dans les dispositifs de puissance à base de GaN :Les performances optimales des dispositifs de puissance à base de nitrure de gallium (GaN) sont limitées par la faible conductivité thermique du substrat sur lequel le GaN est déposé. Le diamant déposé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), grâce à sa haute conductivité thermique, est devenu un excellent choix comme substrat de diffusion thermique pour les dispositifs de puissance GaN. De nombreux travaux de recherche ont porté sur l'association du diamant à haute conductivité thermique et des dispositifs GaN, notamment sur les techniques de collage à basse température, le transfert de substrat pour la croissance directe de diamant sur la face arrière de la couche épitaxiale de GaN, la technologie d'épitaxie de GaN sur diamant monocristallin et la technologie de dissipation thermique par couche de passivation en diamant à haute conductivité thermique.

La croissance directe de diamant sur la face arrière de la couche épitaxiale de GaN offre une bonne adhérence interfaciale, mais présente des difficultés techniques telles que des températures élevées, des contraintes importantes sur la plaquette et une résistance thermique interfaciale élevée. La technologie d'épitaxie de GaN sur diamant monocristallin et la technologie de dissipation thermique par couche de passivation en diamant à haute conductivité thermique sont respectivement limitées par la petite taille, le coût élevé et l'incompatibilité de procédé du diamant monocristallin. Par conséquent, le développement de substrats de diamant de grande taille et à faible coût, l'amélioration des techniques de contrôle des contraintes sur la plaquette et de l'adhérence interfaciale, la réduction de la résistance thermique interfaciale et l'amélioration des performances des dispositifs GaN sur substrat de diamant constitueront les axes de développement futurs de la technologie de liaison diamant/GaN.

(Image tirée du rapport PPT de Carbontech 2020 du professeur Zhang Jinfeng de l'Université des sciences et technologies électroniques de Xi'an)

Laser à semi-conducteur encapsulé dans du diamant

Lorsqu'un laser à semi-conducteur de forte puissance fonctionne, sa zone active génère une importante quantité de chaleur, ce qui réduit sa puissance de sortie et sa durée de vie. Le diamant, grâce à sa conductivité thermique élevée, est utilisé comme dissipateur thermique pour améliorer la dissipation de chaleur du dispositif, réduire sa résistance thermique, augmenter sa puissance de sortie et prolonger sa durée de vie.

Recherche sur les lasers Raman à diamant :La diffusion Raman stimulée est un effet optique non linéaire important. Elle permet d'obtenir un décalage de fréquence fixe pour tous les photons incidents sans nécessiter d'accord de phase. C'est une technologie essentielle pour étendre la bande passante des lasers. Les recherches dans ce domaine sont devenues un axe majeur du développement de la technologie laser.

En tant que matériau Raman cristallin aux performances exceptionnelles, le diamant possède le plus grand décalage de fréquence Raman de 1332.3 cm parmi les matériaux cristallins connus.-1, sa largeur de raie de gain Raman est d'environ 1.5 cm à température ambiante-1Le gain Raman du diamant présente une sélectivité de polarisation. Lorsque la direction de polarisation de la lumière de pompe est parallèle à la direction <111> du cristal de diamant, son gain Raman est maximal (10 cm/GW à 1 μm) et une lumière Raman polarisée linéairement est émise. Le diamant possède une conductivité thermique extrêmement élevée et sa capacité de dissipation thermique ultra-rapide est essentielle pour que les cristaux de diamant maintiennent un gain Raman élevé et obtiennent un faisceau laser de haute qualité sous haute puissance.

Comparaison entre les cristaux Raman laser courants et le diamant

Ces dernières années, grâce aux progrès des techniques de dépôt chimique en phase vapeur, la qualité optique du diamant artificiel a connu une progression fulgurante. Les cristaux de diamant de qualité optique présentent désormais d'excellentes performances en termes de puissance, de cohérence et de conversion de fréquence, grâce à leurs remarquables propriétés Raman et Brillouin. Ces avancées ont permis aux lasers à diamant de s'affranchir des effets thermiques des lasers à inversion de nombre de particules utilisant des matériaux traditionnels, ainsi que de la difficulté d'optimiser la longueur d'onde et la puissance de sortie.

Substrat de dissipation thermique pour emballage 3D en diamant monocristallin :

Alors que le respect de la loi de Moore est devenu un consensus dans l'industrie, le concept de « More Moore » semble avoir insufflé un nouvel élan au développement de la fabrication de puces. De manière générale, « More Moore » désigne la miniaturisation continue des composants des puces, selon deux axes : la réduction constante de la taille des éléments horizontaux et verticaux sur la plaquette afin d'améliorer la densité, les performances et la fiabilité ; et l'utilisation de technologies de fabrication telles que les structures 3D et de nouveaux matériaux pour optimiser les performances électriques de la plaquette.

(Image tirée du rapport PPT de Carbontech 2020, réalisé par un chercheur de Jiangnan à l'Institut des matériaux de Ningbo)

Les matériaux d'encapsulation électronique servent à conditionner les composants électroniques et leurs interconnexions. Ils assurent principalement le support mécanique, l'étanchéité, la dissipation thermique et le blindage. Leur impact sur les performances et la fiabilité des circuits intégrés est crucial. Avec le développement des technologies électroniques, les circuits intégrés évoluent vers des dimensions ultra-larges, des vitesses ultra-rapides, une densité élevée, une puissance élevée, une haute précision et des fonctions multiples, imposant des exigences toujours plus élevées aux matériaux d'encapsulation. La recherche et le développement de matériaux d'encapsulation multisystèmes hautes performances, tels que diamant/cuivre, diamant/aluminium, diamant/carbure de silicium, graphite/cuivre, etc., sont essentiels pour favoriser l'évolution des matériaux d'encapsulation électronique vers la miniaturisation, l'amélioration des performances, la haute fiabilité et la réduction des coûts.

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Matériaux diamantés et technologie de traitement laser:Comparé à d'autres matériaux, le diamant présente une résistivité élevée, une rigidité diélectrique élevée, une faible constante diélectrique et un faible coefficient de dilatation thermique. Son application dans la gestion thermique répond aux exigences de développement d'assemblages haute densité et hautement intégrés dans l'industrie électronique en pleine expansion. Le traitement laser permet une fabrication de haute précision des microstructures de diamant. Il s'agit d'une technologie de fabrication avancée actuellement étudiée à l'échelle nationale et internationale.

technologie de meulage et de polissage des substrats diamantés

Les dispositifs semi-conducteurs comprennent principalement les circuits intégrés, les composants de puissance, les dispositifs optoélectroniques et les capteurs. Les composants de puissance sont largement utilisés dans l'aérospatiale, la défense, la production d'énergie, les transports ferroviaires et l'Internet des objets. La plaquette de semi-conducteur sert de support au dispositif, et le substrat de semi-conducteur est le support de cette plaquette. Le substrat constitue la base épitaxiale du dispositif et détermine directement sa qualité et ses performances.

Usinage ultra-précis

Les objets nécessitant un usinage ultra-précis sont généralement des matériaux diamantés de petite taille, trop coûteux pour une industrialisation et peu adaptés aux applications industrielles. Pour une application réussie du diamant à la dissipation thermique des dispositifs de puissance et une industrialisation réussie, l'acquisition de matériaux de base pour la dissipation thermique sur plaquettes de grande taille et présentant une excellente qualité de surface est essentielle. De plus, avec l'augmentation du niveau d'intégration des circuits sur substrats de diamant, les exigences en matière de qualité de surface s'accroissent progressivement. La rugosité de surface atteint l'ordre de l'angström, voire moins, et la déformation de surface est inférieure ou égale à 5 µm.

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