אם כבר מדברים על יהלומים, אני חושב שאנשים רבים בחיים לא מכירים אותם. העורך לא נכנס לתעשייה הזו, וההבנה שלי ביהלום מוגבלת למבנה המושלם שלו (נ.ב. העורך הוא מקצוען בחומרים קרמיים פלואורסצנטיים)....אפשר באותה מידה לשנות את המילה "יהלום", אשר מושרשת עמוק בלבבות האנשים, בלינג-בלינג, מלאת פיתוי.

התרמית בת המאה של "יהלומים הם לנצח" קברה את כישרון היהלומים והכשירה אותם יתר על המידה. אתם חושבים שהוא אדם עשיר, אבל למעשה הוא מלך.נפח היישום של יהלומים בתחום התעשייתי גדול בהרבה מזה שבתחום התכשיטים.במיוחד בתחומי הדיוק הגבוה העתידיים, לחומרי יהלומים יש פוטנציאל גדול.

בעידן שלאחר מור, פיתוח האלקטרוניקה מבוססת פחמן זכה לתשומת לב נרחבת. בתחום הננו-אלקטרוניקה חלה התקדמות משמעותית במחקר ננו-אלקטרוניקה מבוססת פחמן, בעיקר ננו-צינוריות פחמן חד-ממדיות וגרפן דו-ממדי.בתחום אלקטרוניקת ההספק, מחקר על אלקטרוניקת ההספק מבוססת יהלומים, הידועה כגורם המחסל את המוליכים למחצה, מגלה גם הוא חיוניות רבה, ומראה את הפוטנציאל שלה להפוך לדור הבא של אלקטרוניקת ההספק.

יש סיבה לכך שמוליך למחצה יהלומים נחשב למוליך למחצה האולטימטיבי על ידי התעשייה. מוקד המחקר העיקרי הנוכחי מבוסס על תכונות היהלום עצמו.

(תמונה מתוך דו"ח Carbontech 2020, מצגת PowerPoint מאת פרופסור ג'אנג ג'ינפנג מאוניברסיטת שיאן למדע וטכנולוגיה אלקטרוניים)

יהלום הוא חומר מוליך למחצה בעל פער פס רחב במיוחד, עם רוחב פער פס של 5.5 eV, גדול יותר מחומרים מוליכים למחצה בעלי פער פס רחב כמו GaN ו-SiC. כפי שמוצג בטבלה שלהלן, רוחב פער הפס של יהלום גדול פי 5 מרוחב ה-Si; ניידות הנשאים גם היא פי 3 מזו של חומר Si. תיאורטית, ניידות הנשאים של יהלום גבוהה פי 2 מחומרים מוליכים למחצה בעלי פער פס רחב קיימים (GaN, SiC). יחד עם זאת, ליהלום ריכוז נשא פנימי נמוך ביותר בטמפרטורת החדר. יתר על כן, בנוסף לקשיות הגבוהה ביותר, ליהלום יש גם את המוליכות התרמית הגבוהה ביותר מבין חומרי המוליכים למחצה, שהיא פי 7.5 מזו של AlN. בהתבסס על פרמטרי ביצועים מצוינים אלה, יהלום נחשב לחומר המבטיח ביותר להכנת הדור הבא של התקנים אלקטרוניים בעלי הספק גבוה, תדר גבוה, טמפרטורה גבוהה ואובדן הספק נמוך, והוא מכונה "מוליך למחצה האולטימטיבי" על ידי התעשייה.

בפרט, עידן התקשורת 5G מתפתח במהירות, והשימוש בחומרי גביש יחיד יהלום במוליכים למחצה ובמכשירי חשמל בתדר גבוה הופך בולט יותר ויותר. גביש יחיד יהלום ומוצריו מהווים בסיס חומרי חשוב ליישום אסטרטגיות לאומיות מרכזיות כגון עיבוד מדויק במיוחד ורשתות חכמות, ושדרוג קבוצות תעשייתיות כגון ייצור חכם ותקשורת 5G. פריצת הדרך והתיעוש של טכנולוגיה זו הם בעלי משמעות רבה לביטחון העצמאי של תעשיות הייצור החכם והנתונים הגדולים של סין.

למטרה זו, כיווני מחקר הדורשים חומרי יהלוםגודל גדול, פגמים נמוכים, התנגדות נמוכה ומוליכות תרמית גבוההכיוון הפיתוח.

המחקר הנוכחי על חומרים והתקני מוליכים למחצה עשויים יהלום מתמקד בעיקר בהיבטים הבאים:

שיטות ההכנה של יהלומים מחולקות בעיקר לשיטת טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה (HPHT) ושיטת שקיעת אדים כימית בפלזמה (PCVD). בהשוואה לשיטת HPHT ושיטות PCVD אחרות,MPCVD הוא ללא פריקה אלקטרודית, ללא זיהום, ובעל יכולת בקרה אפיטקסיאלית חזקה. יש לו יתרונות ברורים יותר בהכנת יהלומים גדולים ובעלי טוהר גבוה ובמחקר סימום. זוהי השיטה המועדפת להכנת יהלומים באיכות גבוהה ובשימוש רב-תחומי..

מבחינת פיתוח טכנולוגיות מפתח ושיווק של ציוד MPCVD מתקדם, צוותים מיפן, ארצות הברית, גרמניה ומדינות אחרות נמצאים בעמדה מובילה. ביניהם, בפיתוח ויישום של ציוד MPCVD מסוג חלון קוורץ שטוח וציוד MPCVD מסוג CAP, חברת Seki היפנית תופסת את העמדה המובילה בעולם ושומרת על מנהיגות טכנולוגית. מבחינת פיתוח ויישום של ציוד MPCVD מסוג פעמון קוורץ, צוות Asmussen באוניברסיטת מישיגן סטייט בארצות הברית פיתח ציוד בלחץ גבוה (>2.4×104Pa) פועל בחלל תהודה של פלזמה במיקרוגל בעלת צפיפות הספק גבוהה כדי להשיג שקיעת יהלום במהירות גבוהה.

מבחינת פיתוח ויישום של מכשירי MPCVD עם טבעות קוורץ, ה-MPCVD המיוצר על ידי Plassys מצרפת ו-iPlas מגרמניה הוא מייצג מאוד. ביניהם, לציוד iPlas מבנה צימוד חריץ מיקרוגל והוא מתאים להכנת יהלומים גדולים, אך קצב השיקוע אינו אידיאלי במיוחד. במחקר ופיתוח של ציוד MPCVD עם חלל תהודה אליפסואידי, מכון פראונהופר הגרמני ואיקסטרון תמיד שמרו על הרמה המובילה בעולם. בהשוואה לציוד MPCVD מסוג פעמון קוורץ או טבעת קוורץ, ציוד בעל מבנה זה מתאים להתאמת מקורות כוח מיקרוגל עם רמות הספק גבוהות יותר, דבר המועיל להשגת שטח פלזמה גדול יותר.השגת פלזמת מיקרוגל אחידה, יציבה ובעלת שטח גדול היא המטרה הסופית של מפתחי ציוד MPCVD.

בשנים האחרונות, צוותי מחקר מקומיים הקשורים לפיתוח ציוד MPCVD השיגו תוצאות מסוימות בפיתוח חללי תהודה חדשים של MPCVD. עם זאת, בהשוואה לצוותים זרים מתקדמים, מעט חברות או מוסדות מקומיים הצליחו להתגבר על הקשיים הטכניים הכרוכים בהשגת ייצור המוני מסחרי בקנה מידה גדול. לכן,פריצות דרך בטכנולוגיות מפתח כגון תכנון אופטימלי עצמאי של תהודה פלזמה מיקרוגלית ושיפור תהליכי הכנת יהלומים גדולים דורשים בדחיפות השקעה ומחקר מתמשכים מצד צוותים מקומיים רלוונטיים. יש עוד דרך ארוכה לחקור בעתיד.

כחומר מוליך למחצה, דרישות ההכנה וכיווני היישום של חומרים גבישיים וחומרים פולי-קריסטליים עשויים יהלום שונים למדי.

שיטת הכנה של סרט יהלום פוליקריסטלי CVD, כוללCVD עם סילון פלזמה בקשת ישרה (DC) בהספק גבוה, CVD עם חוט חם ו-MPCVD וכו'.הכנת סרטי יהלום פוליקריסטליים בדרגה אופטית ואלקטרונית דורשת קצב שיקוע אידיאלי וצפיפות פגמים נמוכה במיוחד או ניתנת לשליטה. MPCVD ללא פריקת זיהום אלקטרודה יהפוך בהכרח לשיטה אידיאלית להכנת סרטי יהלום בדרגה אלקטרונית ואופטית. עם זאת, קצב הגידול של יהלום פוליקריסטלי הוא איטי, ועקביות האוריינטציה הגבישית שלו חיונית לעיבוד, מה שמקשה על עיבודו.

נכון לעכשיו, Element Six השיגה ייצור המוני מסחרי של יהלום פוליקריסטלי בדרגה אלקטרונית בגודל 4 אינץ'. צוותו של לי צ'נגמינג מאוניברסיטת המדע והטכנולוגיה בבייג'ינג, צוותו של וואנג ג'יאנהואה מאוניברסיטת ווהאן לטכנולוגיה, וצוותו של יו שנגוואנג מאוניברסיטת טאיואן לטכנולוגיה, כולם השיגו תוצאות מסוימות במחקר על הכנת MPCVD של סרטי יהלום פוליקריסטלי בדרגה אופטית. למרות שעדיין קיים פער בין סרטי יהלום פוליקריסטלי בדרגה אופטית מקומית לדרגה אלקטרונית לבין הרמה המתקדמת הבינלאומית, סרטי יהלום פוליקריסטלי בדרגה אופטית שפותחו על ידי צוותים מקומיים ומעלה יכולים לענות על הצרכים של חלונות הנחיה דו-מצביים אינפרא אדום/רדאר, CO2 בהספק גבוה.2דרישות יישום בסיסיות עבור חלונות מכונות עיבוד לייזר וחלונות מיקרוגל בעלי הספק גבוה.

בהשוואה לתנאי ההכנה והיישום הקשים של סרטי יהלום פוליקריסטליים בדרגה אופטית ואלקטרונית, סרטי יהלום פוליקריסטליים נמצאים בשימוש נרחב יותר ככיורי חום לפיזור חום של התקני כוח מוליכים למחצה, והביקוש גדול ודחוף יותר. הרמה הטכנית הנוכחית של משקעים שלהם גם היא קלה יחסית להשגה.

בנוסף, היתרון בעלות הייצור של יהלום פוליקריסטלי ברור יותר מזה של יהלום יחיד גבישי. ב-30 השנים האחרונות, המחקר על יישום סרטי יהלום פוליקריסטליים MPCVD ככיורי חום בהתקני מוליכים למחצה מעולם לא נפסק. כיום, סרטי יהלום פוליקריסטליים מבוססי סיליקון בקנה מידה אינץ' משמשים בהתקני HEMT, וצפיפות הספק ה-RF של ההתקנים שופרה ביעילות, והגיעה ליותר מ-23 וואט/מ"מ. נכון לעכשיו, גודל סרט היהלום הפוליקריסטלי בדרגת כיור חום שהוכן יכול להגיע ל-8 אינץ'. עם השיפור והשדרוג של טכנולוגיית MPCVD, צפוי שהיא תהיה תואמת לקו הייצור הקיים של פרוסות מוליכים למחצה בגודל 8 אינץ', ובסופו של דבר תביא ליישום בקנה מידה גדול וקידום של חומרי כיור חום יהלום פוליקריסטלי בתעשיית חומרי המוליכים למחצה.

בהשוואה ליהלום פוליקריסטלי, ליהלום גבישי יחיד (SCD) ללא אילוצי גבול גרגירים יש תכונות אופטיות וחשמליות טובות יותר. יש לו השפעות יישום יוצאות דופן בתחומים מדעיים וטכנולוגיים מתקדמים כגון גלאי קרינה תקשורת קוונטיים/מחשוב, צגי פליטה של ​​שדה קתודה קרה, לייזרים למחצה, מעגלים משולבים רב-ממדיים של שבבי מעבדי-על, ומוטות תמיכה מוליכים תרמית של צינורות גלים נעים במיקרוגל בעלי הספק גבוה של מכ"ם צבאי. הכנת SCD בגודל גדול ובאיכות גבוהה היא תנאי הכרחי.

כפרוסת יהלום, גודלה חייב להיות יותר מ-2 אינץ'. כיום, הטכנולוגיות העיקריות להכנת יהלומים ופלים גדולים הןצמיחה הומואפיטקסיאלית, הכנת פרוסות פסיפס וצמיחה הטרואפיטקסיאליתוטכנולוגיות אחרות.

שיטת שחבור פסיפסכשיטה בת קיימא ביותר להכנת SCDs בגודל גדול, שחבור וגידול של מצעים אחידים מרובים, בשילוב עם טכנולוגיית lift-off, אפשרו את הכנת SCDs בגודל גדול. כיום, הושגו פרוסות גביש יחיד בגודל של עד 2 אינץ'. עם זאת, דרישות אחידות גבוהות למצע וקיומם של גבולות גרגירים יובילו לבעיות כגון מאמץ ופגמים במפרק השחבור, דבר המשפיע על איכות יריעות ה-SCD המחוברות. בנוסף, העלות גבוהה, יש צורך בטכנולוגיית קילוף והתפוקה נמוכה מאוד.

(תמונה מתוך דו"ח Carbontech 2020, מצגת PowerPoint מאת פרופסור ג'אנג ג'ינפנג מאוניברסיטת שיאן למדע וטכנולוגיה אלקטרוניים)

סינתזה באיכות גבוהההומיאופיטקסיאלישכבת יהלום היא אחת הטכנולוגיות החשובות להכנת מכשירים אלקטרוניים של יהלום. יש לה מאפיינים של צפיפות פגמים נמוכה והגודל המרבי יכול להגיע ל-0.5 אינץ' (1 אינץ' = 2.54 ס"מ). בתהליך ההכנה ההומואפיטקסיאלית של יהלום גבישי יחיד, אופן קילוף היהלום הגבישי היחיד מהמצע הוא חוליה חשובה מאוד, והיא גם יחסית קשה. מכיוון שהמצע הוא גם יהלום גבישי יחיד קשה במיוחד, לא ניתן לחתוך אותו בשיטות חיתוך רגילות. שיטות נפוצות כוללות ליטוש מכני וחיתוך לייזר.

(תמונה מתוך דו"ח Carbontech 2020, מצגת PowerPoint מאת פרופסור ג'אנג ג'ינפנג מאוניברסיטת שיאן למדע וטכנולוגיה אלקטרוניים)

בנוסף לגידול הומואפיטקסיאלי, גידול הטרואפיטקסיאלי הוא גם שיטה יעילה לגידול יהלום גבישי יחיד בעל שטח גדול. הטרואפיטקסיה מתייחסת לשימוש בשכבות חיץ על גבי סיליקון, ספיר, MgO ומצעים אחרים כדי להקל על אי-ההתאמה התרמית וחוסר ההתאמה בסריג בין היהלום למצע, ובסופו של דבר להשיג גידול של שכבות יהלום גבישי יחיד. שכבת החיץ היעילה ביותר היא Ir וכו'. תיאורטית, שיטה זו יכולה לגדל יהלום גבישי יחיד בעל שטח גדול מספיק כדי לענות על צרכי התיעוש שלו בתחום המכשירים האלקטרוניים. החיסרון העיקרי שלה הוא צפיפות הפגמים הגבוהה.

לאחר פריצות דרך בטכנולוגיות מפתח כגון גידול במהירות גבוהה בתוספת חנקן, גידול יעילות גבוהה בפריקה בפולסים והסרת יונים בטכנולוגיית גידול שקיעת אדים כימית בפלזמה במיקרוגל (MPCVD), הושגה ב-10 השנים האחרונות גידול אפיטקסיאלי תלת-ממדי חוזר רב-כיווני במהירות גבוהה של MPCVD (קצב גידול 100 מיקרומטר·שעה).-1), טכנולוגיות חדשניות כגון גידול קצוות יהלומים גדולים, עבים ופוליקריסטליים ושימוש ב-CVD בפלזמה במערכות (H, C, N, O) למשך 200 שעות ללא גבולות וגידול רציף.

עבור התקני מוליכים למחצה יהלום, סימום של חומרי יהלום הוא הטכנולוגיה הבסיסית ליצירת התקני כוח.הבעיה הגדולה ביותר במסחור מוליכים למחצה של יהלום היא שסימום יעיל של יהלום בתפזורת עדיין לא נפתר. קל לייצר טרנזיסטורים מסוג P אך קשה לייצר טרנזיסטורים מסוג N..טכנולוגיית הסימום מסוג p ביהלום היא יחסית בוגרת, והסומנט העיקרי הוא אטומי בורון. עבור יהלום מסוג p, ניתן לשלב בקלות זיהומי בורון ביהלום טבעי וביהלום MPCVD, ואין בעיית כיוון גבישים, אך יעילות ההפעלה של בורון בטמפרטורת החדר נמוכה מ-0.1%. ריכוז הסימום והניידות של בורון ביהלום קיימים יחסי פשרה. ריכוז סימום מוגזם מוביל לעיתים קרובות לירידה מהירה בניידות. כאשר ריכוז הסימום של הבורון הוא 1019 cm-3, הניידות תצטמצם ל-100 ס"מ2·V -1· ש-1הבאים.

(תמונה מתוך דו"ח Carbontech 2020, מצגת PowerPoint מאת פרופסור ג'אנג ג'ינפנג מאוניברסיטת שיאן למדע וטכנולוגיה אלקטרוניים)

אטום ה-C ביהלום, שנבחר על סמך מיקום אטום ה-C ביהלום (רדיוס קוולנטי 0.077 ננומטר) בטבלה המחזורית של היסודות, הקרוב ביותר אליו הוא אטום חנקן (N) (0.075 ננומטר), מה שהופך אותו גם למועמד מועדף לסימום מסוג n ביהלום. עם זאת, לאחר הסימום, אטומי ה-N המחליפים אטומי C ביהלום מעוותים עקב אפקט יאן-טלר, מה שגורם לסריג המקומי להתעקם ולאטומי ה-N לסטות מהמיקום שהוחלפו. רמת אנרגיית הסימום שלו עמוקה מאוד, 1.7 eV, מה שמקשה על הולכת חשמל בטמפרטורת החדר.

(תמונה מתוך דו"ח Carbontech 2020, מצגת PowerPoint מאת פרופסור ג'אנג ג'ינפנג מאוניברסיטת שיאן למדע וטכנולוגיה אלקטרוניים)

עם הפיתוח המתמשך של טכנולוגיית מוליכים למחצה של יהלום, צווארי בקבוק כגון טכנולוגיית סימום מסוג n, הכנת גביש יחיד בגודל גדול ואיכותי, וטכנולוגיית אפיטקסיה של חומרים בעלי שטוחות ואחידות גבוהה בוודאי ייפרצו בעתיד כדי לממש מכשירים אלקטרוניים של יהלום בעלי ביצועי הספק גבוהים יותר. אבל זה בלתי נפרד מהמאמצים הבלתי פוסקים של חוקרים מדעיים!

דיודת כוחבעשר השנים האחרונות, ההתקדמות של חומרי יהלום CVD מבחינת גודל גדול, פגמים נמוכים וסימום כבד הניעה ישירות את פיתוחן של דיודות יהלום לכיוון מתח פריצה גבוה, עוצמת שדה פריצה גבוהה, התנגדות נמוכה במצב פעיל, קצב מיתוג גבוה ופעולה בטמפרטורה גבוהה. שני סוגי דיודות SBD ודיודות צומת pn נמצאים בפיתוח, ביניהן דיודות יהלום SBD מתפתחות מהר יותר וכבר נמצאות בשלב הניסויים היישום המקדים.

הסיבה העיקרית למתח הפריצה הנמוך של דיודות וטרנזיסטורים מיהלום (פחות מ-500 וולט) היא הקושי בשליטה על חומרי הסימום ביהלום.יהלום הוא החומר בעל צפיפות האטומים הגבוהה ביותר על פני כדור הארץ. מלבד כמה אטומים קטנים כמו יסודות H, P, N ו-Si, קשה להוסיף אטומים גדולים אחרים לגביש שלו.

דיודת פין יהלוםהוא מכשיר מתקדם המתאים ליישומים בעלי הספק גבוה, פרט לכך ששדה החשמל הקריטי שלו הוא 3 מגה-וולט·ס"מ-1(גבול תיאורטי SiC), ניתן להפחית משמעותית את ההתנגדות הטורית של דיודות יהלום מסוג סיכת יהלום גם באמצעות שכבה מסוממת מאוד. ב-10 השנים האחרונות, טכנולוגיית דיודות יהלום מסוג סיכת יהלום עשתה התקדמות רבה, כגון פריצות דרך בהכנת שכבות p+ ו-n+ מסוממות מאוד עם מנגנוני הולכת מעבר; מנגנוני הולכת נושאי מטען של דיודות צומת p+-i-n+ יהלום עם מוליכות מעבר בהתנגדות נמוכה; תכנון אופטימיזציה של מבנה החומר של דיודות Schottky יהלום pn (SPND); גידול סלקטיבי של n+ מחקר על מנגנון ההשפעה של פגמי ממשק של שכבות ודיודות צומת pn על דליפה הפוכה; מחקר על התאוששות הפוכה ואורך חיים של נושאי מטען מיעוט של דיודות יהלום מסוג סיכת יהלום; מחקר על מנגנון גובה מחסום Schottky לא אחיד של דיודות Schottky יהלום (SPIND) וטכנולוגיות מפתח אחרות.

טרנזיסטורי הספק ומעגלי לוגיקה

טרנזיסטורי יהלום עשו התקדמות הן בתחומי האלקטרוניקה של הספק והן בתחומי האלקטרוניקה של מיקרוגל. בתחום האלקטרוניקה של הספק, כיוון הפיתוח הוא לכיוון מתח פריצה גבוה, עוצמת שדה פריצה גבוהה, פעולה בטמפרטורה גבוהה, התנגדות נמוכה במצב הפעלה, קצב מיתוג גבוה והתקנים במצב כבוי.טרנזיסטורי יהלום מורכבים בעיקר מסוגים שונים של FETs, כוללטרנזיסטורי אפקט שדה של מוליכים למחצה מתכתיים (MESFETs), MOSFETs ו-JFETsוכו'. ישנם שני סוגים של ערוצים: גז דו-ממדי על פני שטח של מימן בעל קצה יהלום, חורים מסוג חור, ושכבה מסוממת מסוג p. עם התקדמות חומרי הסימום מסוג n, החלו להופיע התקני יהלום דו-קוטביים, ולאחרונה פותחו טרנזיסטורים דו-קוטביים מסוג הטרו-ג'נקשן. בתחום האלקטרוניקה של מיקרוגל, טרנזיסטורי FET בעלי קצה מימן הם דומיננטיים ומתפתחים לעבר fT/fmax גבוה וצפיפות הספק גבוהה.

טכנולוגיית MESFET יהלום משתמשת במחסום שוטקי כדי לווסת ולשלוט בתעלה. ההתקדמות הטכנולוגית בשנים האחרונות כוללת: שילוב של מרווח רחב בין שער לניקוז ותעלת p מסוממת קלות, מחקר על ההשפעה של מרווח מופחת בין שער למקור, ניסויי קרינה של נויטרונים בעוצמה של 14.8 MeV, ריכוז גבוה יותר של סימום בורון וטכנולוגיית שכבת תעלה אפיטקסיאלית טובה על פני השטח, וחישול בטמפרטורה גבוהה של MESFET יהלום מסומם בבורון.

MOSFET יהלוםזהו טרנזיסטור היהלום הנחקר ביותר, המשתמש במבנה בקרת שער MOS כדי לדכא זרם דליפת שער. בשנים האחרונות, טרנזיסטור MOSFFT יהלום נשלט על ידי התקני ערוץ בעלי סיומת מימן ועשה פריצות דרך בסדרה של טכנולוגיות מפתח כגון מבנה שכבת תחמוצת השער Al2O3 היציב ביותר.

עבור יישומים של התקני כוח הפועלים במתחים גבוהים וטמפרטורות גבוהות, התקן תעלת גוף היהלום JFET, שהוא יציב יותר מהתקני תעלת שטח, הוא יתרון יותר.

יהלום BJTזהו אחד מהתקני מיתוג ההספק העיקריים. בהשוואה ל-FET יהלום בעלי סיומת מימן, ל-BJT מבוססי יהלום אין שכבת דיאלקטרית של שער, מוליכות פני שטח בעלת סיומת מימן ואפקטים של אפנון מוליכות שיכולים להשיג הזרקת נושא מיעוט, וכתוצאה מכך התנגדות במצב פעיל נמוכה יותר. פרמטר מפתח של BJT הספק הוא גורם ההגברה של זרם הפולט המשותף, המאפשר הגברת זרם בהשוואה ל-FET יהלום כדי להפחית את דרישות ההספק של מעגל ההינע.

מעגל לוגי יהלוםפיתוח מעגלי לוגיקה מדגם יהלום הוא הצעד הראשון בפיתוח מעגלים משולבים מדגם יהלום. עם פיתוחם של רכיבי MISFET משופרים מדגם יהלום, הונע המחקר והפיתוח של מעגלי לוגיקה מדגם יהלום.

RF FETליהלום תכונות מוליכים למחצה כגון מוליכות תרמית גבוהה, עוצמת שדה פריצה גבוהה ומהירות רוויה גבוהה של נושאי מטען. מסיבה זו, התקני יהלום בתדר גבוה והספק גבוה הם גם אחד ממוקדי המחקר החמים של אלקטרוניקת יהלום.

GaN על יהלום HEMT:הקשרים הקוולנטים בין אטומי היהלום חזקים ביותר, מה שמעניק למבנה הנוקשה תדר רטט גבוה. טמפרטורת דביי האופיינית שלו גבוהה עד 2200 קלווין. פיזור הפונונים קטן, ולכן ההתנגדות להולכת חום באמצעות פונונים כתווך קטנה ביותר. מוליכות חום שלה פי חמישה מזו של נחושת, עד 2000 וואט/(מ'קלווין). אלקטרוניקת מיקרוגל GaN למחצה בעלת פער פס רחב הפכה לזרם המרכזי הנוכחי לאחר כמעט שני עשורים של פיתוח, ובעיות הניהול התרמי שלה הפכו למכשול העיקרי להמשך פיתוחה. לכן, השילוב של יתרונות המוליכות התרמית של יהלום בעל פער פס רחב במיוחד וטכנולוגיית GaN הפך בלתי נמנע לפיתוח הדור הבא של אלקטרוניקת מיקרוגל GaN. הוא גם מספק בסיס לפיתוח המתמשך של אלקטרוניקת מיקרוגל GaN.2O3ספקו מקורות לניהול תרמי של מכשירים אלקטרוניים וכו'. חומרי יהלום יכולים לשמש כחומרי ניהול תרמי עבור מכשירים אלקטרוניים להספק, והם מתפתחים לכיוון של גודל גדול, התנגדות תרמית נמוכה בממשק ומוליכות תרמית גבוהה.

. . .

עם היישום הנרחב של מוליכים למחצה מהדור השלישי והופעת עידן ה-5G, חומרי ניהול תרמי מסורתיים לאריזה אלקטרונית ואפילו חומרי שבבים עומדים בפני אתגרים עצומים בשדרוג. פחמן מתקדם וחומריו המרוכבים, שצצו במהירות בשנים האחרונות, ימלאו תפקיד חשוב בתחום פיזור החום של התקנים אופטואלקטרוניים בעלי הספק גבוה ובתדר גבוה ויהפכו לחומרי ניהול תרמי אידיאליים בתעשיית האלקטרוניקה! (כולל חומרי גוף קירור, חומרי אריזה, חומרי בסיס וכו').

(תמונה מתוך דו"ח Carbontech 2020, מצגת PowerPoint מאת פרופסור וואנג צ'נגיונג מאוניברסיטת גואנגדונג לטכנולוגיה)

מצע פיזור חום יהלום בהתקני כוח מבוססי GaN:הביצועים המלאים של התקני כוח מבוססי גליום ניטריד (GaN) מוגבלים על ידי מוליכות תרמית נמוכה של המצע עליו מופקד GaN. יהלום בעל מוליכות תרמית גבוהה משיקוע אדים כימי (CVD) הפך לבחירה מצוינת עבור חומרי מצע דיפוזיה תרמית עבור התקני כוח GaN. חוקרים רלוונטיים ביצעו מספר מחקרים טכניים על שילוב של יהלום בעל מוליכות תרמית גבוהה והתקני GaN, בעיקר טכנולוגיית קשירה בטמפרטורה נמוכה, טכנולוגיית העברת מצע לגידול ישיר של יהלום על גב השכבה האפיטקסיאלית של GaN, טכנולוגיית GaN אפיטקסיאלית של יהלום גבישי יחיד וטכנולוגיית פיזור חום של שכבת פסיבציה של יהלום בעל מוליכות תרמית גבוהה.

לגידול ישיר של יהלום על גב השכבה האפיטקסיאלית של GaN יש חוזק קשירה טוב בממשק, אך הוא כרוך בקשיים טכניים כגון טמפרטורה גבוהה, מאמץ פרוסות גבוה ועמידות תרמית גבוהה בממשק. טכנולוגיית GaN אפיטקסיאלית עם יהלום יחיד גביש וטכנולוגיית פיזור חום עם שכבת פסיבציה עם יהלום בעלת מוליכות תרמית גבוהה מוגבלות בהתאמה על ידי גודל קטן, עלות גבוהה וחוסר תאימות תהליכית של יהלום יחיד גביש. לכן, פיתוח מצעים של יהלום גדול בעלות נמוכה, שיפור טכנולוגיית בקרת מאמץ פרוסות וחוזק קשירת הממשק, הפחתת ההתנגדות התרמית בממשק ושיפור הביצועים של התקני GaN במצע יהלום יהיו מוקד הפיתוח העתידי של טכנולוגיית קשירת התקני GaN עם יהלומים.

(תמונה מתוך דו"ח Carbontech 2020, מצגת PowerPoint מאת פרופסור ג'אנג ג'ינפנג מאוניברסיטת שיאן למדע וטכנולוגיה אלקטרוניים)

לייזר מוליך למחצה ארוז ביהלום

כאשר לייזר מוליך למחצה בעל הספק גבוה פועל, האזור הפעיל ייצר כמות גדולה של חום, מה שיפחית את עוצמת המוצא של הלייזר ויקצר את חיי השירות שלו. ליהלום יש מאפייני מוליכות תרמית גבוהים. השימוש בו כגוף קירור מעבר ישפר את קיבולת פיזור החום של המכשיר, יפחית את ההתנגדות התרמית, יגדיל את עוצמת המוצא של הלייזר ויאריך את חיי הלייזר.

מחקר לייזר ראמאן יהלום:פיזור ראמאן מגורה הוא אפקט אופטי לא ליניארי חשוב. פיזור ראמאן מגורה יכול להשיג תזוזת תדר קבועה של כל הפוטונים הפוגעים ללא צורך בהתאמת פאזה. זוהי טכנולוגיה חשובה להרחבת טווח השימוש של לייזרים. מחקר בכיוון זה הפך למוקד מחקר בפיתוח טכנולוגיית לייזר.

כחומר ראמאן גבישי בעל ביצועים מצוינים, ליהלום יש את תדר הראמאן הגדול ביותר של 1332.3 ס"מ מבין חומרי הגביש הידועים.-1, רוחב קו הגבר הראמאן שלו הוא כ-1.5 ס"מ בטמפרטורת החדר-1להגבר הראמאן של היהלום יש סלקטיביות קיטוב. כאשר כיוון הקיטוב של אור המשאבה מקביל לכיוון <111> של גביש היהלום, הגבר הראמאן שלו הוא מקסימלי (10 ס"מ/GW@1 מיקרומטר), ונפלט אור ראמאן מקוטב ליניארי. ליהלום מוליכות תרמית גבוהה במיוחד, ויכולת פיזור החום המהירה במיוחד שלו היא המפתח לגבישי יהלום לשמירה על הגבר ראמאן גבוה ולהשגת פלט לייזר באיכות קרן גבוהה תחת פעולה בהספק גבוה.

השוואה בין גבישי ראמאן לייזר נפוצים לבין יהלום

בשנים האחרונות, עם שיפור טכנולוגיית ההכנה לאדים כימיים, האיכות האופטית של יהלומים מלאכותיים השתפרה במהירות. גבישי יהלום בדרגה אופטית הראו גם יכולות מצוינות לשיפור הספק, שיפור קוהרנטיות והמרת תדרים בזכות מאפייני ראמאן וברילואן המצוינים שלהם. עובדה זו קידמה את האפשרות של לייזרים מסוג יהלום להתגבר במידה ניכרת על ההשפעות התרמיות של לייזרים להיפוך מספר חלקיקים המבוססים על חומרי עבודה מסורתיים, כמו גם על הקושי באיזון בין אורך גל להספק המוצא.

מצע פיזור חום של יהלום יחיד גביש תלת-ממדי:

כאשר חוק מור הפך לקונצנזוס בתעשייה, נראה כי הצעתו של מור מור הוסיפה מעט אור להתפתחות תעשיית ייצור השבבים. באופן כללי, מור מור מתייחס להתכווצות מתמשכת של גודל מאפייני השבב, הכוללת שני היבטים: המשך הצטמקות גודל המאפיינים בכיוונים אופקיים ואנכיים של הוופל על מנת לשפר את הצפיפות, הביצועים והאמינות; שימוש בטכנולוגיות תהליך כגון מבנים תלת-ממדיים ושימוש בחומרים חדשים כדי להשפיע על הביצועים החשמליים של הוופל.

(תמונה מדוח Carbontech 2020, מצגת PowerPoint של חוקר מג'יאנגנן במכון החומרים של נינגבו)

חומרי אריזה אלקטרוניים משמשים לנשיאת רכיבים אלקטרוניים ואת החיבורים ביניהם. הם משמשים בעיקר כתמיכה מכנית, הגנה לאיטום, פיזור חום ומיגון. יש להם השפעה חשובה מאוד על הביצועים והאמינות של מעגלים משולבים. עם התפתחות הטכנולוגיה האלקטרונית, מעגלים משולבים מתפתחים לכיוון קנה מידה גדול במיוחד, מהירות גבוהה במיוחד, צפיפות גבוהה, הספק גבוה, דיוק גבוה ורב-תכליתיות, מה שמציב דרישות גבוהות יותר ויותר לחומרי אריזה. למחקר ופיתוח של חומרי אריזה רב-מערכתיים בעלי ביצועים גבוהים כגון יהלום/נחושת, יהלום/אלומיניום, יהלום/סיליקון קרביד, גרפיט/נחושת וכו' יש חשיבות רבה בקידום פיתוח חומרי אריזה אלקטרוניים לכיוון מזעור, ביצועים גבוהים, אמינות גבוהה ועלות נמוכה.

………..

חומרי יהלום וטכנולוגיית עיבוד לייזר:בהשוואה לחומרים אחרים, ליהלום מאפיינים של התנגדות גבוהה, חוזק שדה פריצה גבוה, קבוע דיאלקטרי נמוך והתפשטות תרמית נמוכה. יישומו בניהול תרמי יכול לעמוד בדרישות פיתוח הרכבה בצפיפות גבוהה ומשולבת מאוד בתעשיית האלקטרוניקה המתפתחת במהירות. עיבוד לייזר יכול להשיג עיבוד איכותי של מיקרו-מבנים של יהלומים. זוהי טכנולוגיית ייצור מתקדמת הנחקרת כיום בארץ ובחו"ל.

טכנולוגיית ליטוש וליטוש של מצע יהלום

התקני מוליכים למחצה כוללים בעיקר מעגלים משולבים, התקני כוח, התקני אופטואלקטרוניקה וחיישנים וכו'. התקני כוח נמצאים בשימוש נרחב בתחומי התעופה והחלל, הצבא וההגנה הלאומית, אנרגיית חשמל, תחבורה רכבתית ואינטרנט של הדברים. פרוסת המוליך למחצה היא הנשא של התקן המוליך למחצה, ומצע המוליך למחצה הוא הנשא של פרוסת המוליך למחצה. המצע הוא הבסיס האפיטקסיאלי של התקני המוליך למחצה, הקובע ישירות את האיכות והביצועים של ההתקן.

עיבוד עיבוד מדויק במיוחד

מושאי העיבוד האולטרה-דיוק הם בדרך כלל חומרי יהלום קטנים, יקרים מדי לתיעוש ואינם מתאימים ליישומים תעשייתיים. כדי ליישם בהצלחה יהלום לפיזור חום של התקני כוח ולהשיג תיעוש, רכישת חומרי בסיס לפיזור חום גדולים ברמת פרוסה עם איכות פני שטח טובה היא מפתח. בנוסף, ככל שרמת האינטגרציה של המעגלים על מצעי יהלום עולה, הדרישות לאיכות פני השטח יגדלו בהדרגה. חספוס פני השטח יתפתח לרמת אנגסטרום או אפילו קטנה יותר, ועיוות פני השטח יגיע ל-5 מיקרון או פחות.

הצהרת אחריות: מאמר זה משוכפל מתוך "DT Semiconductor Materials", התומך בהגנה על זכויות קניין רוחני. אנא ציין את המקור המקורי ואת מחבר ההדפסה המחודשת. אם ישנה הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה.