हीरे की बात करें तो, मुझे लगता है कि जीवन में बहुत से लोग इससे परिचित नहीं हैं। संपादक ने इस उद्योग में कदम नहीं रखा है, और हीरे के बारे में मेरी जानकारी इसकी उत्तम संरचना तक ही सीमित है (पुनश्च: संपादक फ्लोरोसेंट सिरेमिक सामग्री के विशेषज्ञ हैं)।...लोगों के दिलों में गहराई से बसा हुआ शब्द "हीरा" ही क्यों न बदल दिया जाए, जो चकाचौंध से भरा हुआ है और प्रलोभन से भरपूर है।

"हीरे अमर होते हैं" का सदियों पुराना धोखा हीरों की प्रतिभा को दफन कर चुका है और उन्हें अत्यधिक कुशल बना चुका है। आपको लगता है कि वह एक अमीर आदमी है, लेकिन वास्तव में वह एक राजा है।औद्योगिक क्षेत्र में हीरे का उपयोग आभूषण क्षेत्र की तुलना में कहीं अधिक है।विशेषकर भविष्य के उच्च परिशुद्धता वाले क्षेत्रों में, हीरे की सामग्री में अपार संभावनाएं हैं।

मूर युग के बाद, कार्बन-आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास ने व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में, कार्बन-आधारित नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स अनुसंधान में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है, मुख्य रूप से एक-आयामी कार्बन नैनोट्यूब और द्वि-आयामी ग्राफीन के क्षेत्र में।पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में, डायमंड पावर इलेक्ट्रॉनिक्स पर अनुसंधान, जिसे सेमीकंडक्टरों का अंत करने के लिए जाना जाता है, भी बहुत जीवंतता दिखा रहा है, जो पावर इलेक्ट्रॉनिक्स की अगली पीढ़ी बनने की इसकी क्षमता को दर्शाता है।

उद्योग जगत में हीरे को सर्वोत्कृष्ट अर्धचालक माने जाने का एक कारण है। वर्तमान में मुख्य शोध हीरे के गुणों पर ही केंद्रित है।

(शियान यूनिवर्सिटी ऑफ इलेक्ट्रॉनिक साइंस एंड टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर झांग जिनफेंग द्वारा तैयार की गई कार्बनटेक 2020 रिपोर्ट की पीपीटी से ली गई तस्वीर)

हीरा एक अति-विस्तृत बैंडगैप वाला अर्धचालक पदार्थ है, जिसका बैंडगैप 5.5 eV है, जो GaN और SiC जैसे विस्तृत बैंडगैप वाले अर्धचालक पदार्थों से भी अधिक है। नीचे दी गई तालिका में दर्शाया गया है कि हीरे का बैंडगैप Si से 5 गुना अधिक है; वाहक गतिशीलता भी Si पदार्थ की तुलना में 3 गुना अधिक है। सैद्धांतिक रूप से, हीरे की वाहक गतिशीलता मौजूदा विस्तृत बैंडगैप वाले अर्धचालक पदार्थों (GaN, SiC) की तुलना में 2 गुना से भी अधिक है। साथ ही, कमरे के तापमान पर हीरे में आंतरिक वाहक सांद्रता अत्यंत कम होती है। इसके अलावा, उच्चतम कठोरता के साथ-साथ, हीरे में अर्धचालक पदार्थों में उच्चतम तापीय चालकता भी होती है, जो AlN की तुलना में 7.5 गुना अधिक है। इन उत्कृष्ट प्रदर्शन मापदंडों के आधार पर, हीरे को अगली पीढ़ी के उच्च-शक्ति, उच्च-आवृत्ति, उच्च-तापमान और कम-ऊर्जा हानि वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण के लिए सबसे आशाजनक पदार्थ माना जाता है, और उद्योग द्वारा इसे "सर्वोत्तम अर्धचालक" के रूप में सराहा जाता है।

विशेष रूप से, 5G संचार युग तेजी से विकसित हो रहा है, और अर्धचालकों और उच्च-आवृत्ति विद्युत उपकरणों में हीरा एकल क्रिस्टल सामग्री का अनुप्रयोग तेजी से महत्वपूर्ण होता जा रहा है। हीरा एकल क्रिस्टल और उत्पाद अति-सटीक प्रसंस्करण और स्मार्ट ग्रिड जैसी प्रमुख राष्ट्रीय रणनीतियों के कार्यान्वयन और बुद्धिमान विनिर्माण और 5G संचार जैसे औद्योगिक समूहों के उन्नयन के लिए एक महत्वपूर्ण आधार हैं। इस प्रौद्योगिकी की सफलता और औद्योगीकरण चीन के बुद्धिमान विनिर्माण और बिग डेटा उद्योगों की स्वतंत्र सुरक्षा के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

इस कोने तक, हीरे की सामग्री की आवश्यकता वाले अनुसंधान के क्षेत्रबड़ा आकार, कम दोष, कम प्रतिरोधकता और उच्च तापीय चालकताविकास की दिशा.

हीरा अर्धचालक सामग्री और उपकरणों पर वर्तमान शोध मुख्य रूप से निम्नलिखित पहलुओं पर केंद्रित है:

हीरे के निर्माण की विधियों को मुख्य रूप से उच्च तापमान और उच्च दबाव विधि (HPHT) और प्लाज्मा रासायनिक वाष्प निक्षेपण विधि (PCVD) में विभाजित किया गया है। HPHT विधि और अन्य PCVD विधियों की तुलना में,एमपीसीवीडी इलेक्ट्रोड रहित डिस्चार्ज प्रक्रिया है, प्रदूषण रहित है और इसमें उत्कृष्ट एपिटैक्सियल नियंत्रण क्षमता है। बड़े आकार और उच्च शुद्धता वाले हीरे के निर्माण और डोपिंग अनुसंधान में इसके स्पष्ट लाभ हैं। उच्च गुणवत्ता और बहु-क्षेत्रीय अनुप्रयोग वाले हीरे के निर्माण के लिए यह पसंदीदा विधि है।.

उन्नत एमपीसीवीडी उपकरणों के प्रमुख तकनीकी विकास और बाज़ारीकरण के मामले में, जापान, संयुक्त राज्य अमेरिका, जर्मनी और अन्य देशों की टीमें अग्रणी स्थान पर हैं। इनमें से, फ्लैट क्वार्ट्ज़ विंडो-टाइप एमपीसीवीडी उपकरण और केएपी-टाइप एमपीसीवीडी उपकरण के विकास और अनुप्रयोग में, जापान की सेकी कंपनी विश्व में अग्रणी स्थान रखती है और तकनीकी नेतृत्व बनाए रखती है। क्वार्ट्ज़ बेल-टाइप एमपीसीवीडी उपकरण के विकास और अनुप्रयोग के मामले में, संयुक्त राज्य अमेरिका में मिशिगन स्टेट यूनिवर्सिटी की अस्मुसेन टीम ने एक उच्च-दबाव (>2.4×10⁻⁶) उपकरण विकसित किया है।4Pa) हीरे के उच्च गति निक्षेपण को प्राप्त करने के लिए उच्च शक्ति घनत्व वाले माइक्रोवेव प्लाज्मा अनुनाद गुहा में काम करता है।

क्वार्ट्ज रिंग एमपीसीवीडी उपकरणों के विकास और अनुप्रयोग के संदर्भ में, फ्रांस की प्लासिस और जर्मनी की आईप्लास द्वारा निर्मित एमपीसीवीडी उपकरण अत्यंत प्रतिनिधि हैं। इनमें से, आईप्लास उपकरण में माइक्रोवेव स्लिट कपलिंग संरचना है और यह बड़े आकार के हीरे तैयार करने के लिए उपयुक्त है, लेकिन इसकी जमाव दर आदर्श नहीं है। अंडाकार अनुनादी गुहा एमपीसीवीडी उपकरणों के अनुसंधान और विकास में, जर्मनी के फ्राउनहोफर संस्थान और ऐक्सट्रॉन ने हमेशा विश्व स्तर पर अग्रणी स्थान बनाए रखा है। क्वार्ट्ज बेल प्रकार या क्वार्ट्ज रिंग प्रकार के एमपीसीवीडी उपकरणों की तुलना में, इस संरचना वाले उपकरण उच्च शक्ति स्तर वाले माइक्रोवेव पावर स्रोतों के साथ बेहतर तालमेल बिठाने में सक्षम हैं, जिससे प्लाज्मा का बड़ा क्षेत्र प्राप्त करने में लाभ होता है।एकसमान, स्थिर और बड़े क्षेत्र वाला माइक्रोवेव प्लाज्मा प्राप्त करना एमपीसीवीडी उपकरण डेवलपर्स का अंतिम लक्ष्य है।

हाल के वर्षों में, एमपीसीवीडी उपकरण विकास से संबंधित घरेलू अनुसंधान टीमों ने नए एमपीसीवीडी अनुनादी गुहाओं के विकास में कुछ निश्चित परिणाम प्राप्त किए हैं। हालांकि, उन्नत विदेशी टीमों की तुलना में, कुछ ही घरेलू कंपनियों या संस्थानों ने बड़े पैमाने पर वाणिज्यिक उत्पादन प्राप्त करने की तकनीकी कठिनाइयों को दूर किया है। इसलिए,माइक्रोवेव प्लाज्मा रेज़ोनेटर के स्वतंत्र अनुकूलित डिज़ाइन और बड़े आकार के हीरे तैयार करने की प्रक्रियाओं में सुधार जैसी प्रमुख प्रौद्योगिकियों में अभूतपूर्व प्रगति के लिए संबंधित घरेलू टीमों द्वारा निरंतर निवेश और अनुसंधान की तत्काल आवश्यकता है। भविष्य में अभी भी बहुत कुछ खोजा जाना बाकी है।

एक अर्धचालक पदार्थ के रूप में, हीरे के एकल क्रिस्टल और बहुक्रिस्टलीय पदार्थों की तैयारी की आवश्यकताएं और अनुप्रयोग दिशाएं काफी अलग हैं।

सीवीडी पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड फिल्म की तैयारी विधि, जिसमें शामिल हैं:उच्च-शक्ति डीसी आर्क प्लाज्मा जेट सीवीडी, हॉट वायर सीवीडी और एमपीसीवीडी, आदि।ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक ग्रेड के पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड फिल्मों के निर्माण के लिए आदर्श जमाव दर और बेहद कम या नियंत्रणीय दोष घनत्व की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रोड संदूषण रहित एमपीसीवीडी डिस्चार्ज इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल ग्रेड डायमंड फिल्मों के निर्माण के लिए एक आदर्श विधि बन जाएगी। हालांकि, पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड की वृद्धि दर धीमी होती है और इसकी क्रिस्टल अभिविन्यास स्थिरता प्रसंस्करण के लिए महत्वपूर्ण होती है, जिससे इसका प्रसंस्करण कठिन हो जाता है।

वर्तमान में, एलिमेंट सिक्स ने 4-इंच इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड का व्यावसायिक बड़े पैमाने पर उत्पादन हासिल कर लिया है। बीजिंग विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के ली चेंगमिंग की टीम, वुहान प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के वांग जियानहुआ की टीम और ताइयुआन प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के यू शेंगवांग की टीम ने ऑप्टिकल-ग्रेड पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड फिल्मों के एमपीसीवीडी निर्माण पर शोध में महत्वपूर्ण सफलताएँ प्राप्त की हैं। यद्यपि घरेलू ऑप्टिकल ग्रेड और इलेक्ट्रॉनिक ग्रेड पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड फिल्मों और अंतर्राष्ट्रीय उन्नत स्तर के बीच अभी भी अंतर है, घरेलू और उससे ऊपर की टीमों द्वारा विकसित ऑप्टिकल ग्रेड पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड फिल्में इन्फ्रारेड/रडार ड्यूल-मोड मार्गदर्शन खिड़कियों, उच्च-शक्ति CO2 की आवश्यकताओं को पूरा कर सकती हैं।2लेजर प्रोसेसिंग मशीन की खिड़कियों और उच्च-शक्ति माइक्रोवेव खिड़कियों के लिए बुनियादी अनुप्रयोग आवश्यकताएं।

ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक ग्रेड पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड फिल्मों की कठिन तैयारी और अनुप्रयोग स्थितियों की तुलना में, पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड फिल्मों का उपयोग सेमीकंडक्टर पावर उपकरणों के ऊष्मा अपव्यय के लिए हीट सिंक के रूप में अधिक व्यापक रूप से किया जाता है, और इसकी मांग अधिक और तत्काल है। इसके निर्माण की वर्तमान तकनीकी स्तर भी अपेक्षाकृत आसानी से प्राप्त की जा सकती है।

इसके अतिरिक्त, एकल क्रिस्टल हीरे की तुलना में बहुक्रिस्टलीय हीरे की निर्माण लागत का लाभ अधिक स्पष्ट है। पिछले 30 वर्षों में, अर्धचालक उपकरणों में ऊष्मा सिंक के रूप में एमपीसीवीडी बहुक्रिस्टलीय हीरे की फिल्मों के अनुप्रयोग पर अनुसंधान निरंतर जारी है। वर्तमान में, इंच-आकार की Si-आधारित बहुक्रिस्टलीय हीरे की फिल्मों का उपयोग एचईएमटी उपकरणों में किया जा रहा है, और उपकरणों की आरएफ शक्ति घनत्व में प्रभावी रूप से सुधार हुआ है, जो 23W/mm से अधिक तक पहुंच गया है। वर्तमान में, तैयार ऊष्मा सिंक-ग्रेड बहुक्रिस्टलीय हीरे की फिल्म का आकार 8 इंच तक हो सकता है। एमपीसीवीडी प्रौद्योगिकी में सुधार और उन्नयन के साथ, यह मौजूदा 8-इंच अर्धचालक वेफर निर्माण उत्पादन लाइन के साथ संगत होने की उम्मीद है, जिससे अंततः अर्धचालक सामग्री उद्योग में बहुक्रिस्टलीय हीरे की ऊष्मा सिंक सामग्री के व्यापक अनुप्रयोग और प्रचार को साकार किया जा सकेगा।

बहुक्रिस्टलीय हीरे की तुलना में, दानेदार सीमा अवरोधों से रहित एकल क्रिस्टल हीरे (एससीडी) में बेहतर प्रकाशीय और विद्युत गुण होते हैं। क्वांटम संचार/कंप्यूटिंग विकिरण डिटेक्टर, कोल्ड कैथोड फील्ड एमिशन डिस्प्ले, सेमीकंडक्टर लेजर, सुपरकंप्यूटर सीपीयू चिप मल्टी-डायमेंशनल इंटीग्रेटेड सर्किट और सैन्य उच्च-शक्ति रडार माइक्रोवेव ट्रैवलिंग वेव ट्यूब थर्मल कंडक्टिव सपोर्ट रॉड जैसे अत्याधुनिक वैज्ञानिक और तकनीकी क्षेत्रों में इसके उत्कृष्ट अनुप्रयोग हैं। बड़े आकार और उच्च गुणवत्ता वाले एससीडी का निर्माण एक आवश्यक शर्त है।

हीरे की वेफर के रूप में, इसका आकार 2 इंच से अधिक होना चाहिए। वर्तमान में, बड़े आकार के हीरे और वेफर तैयार करने की मुख्य प्रौद्योगिकियां निम्नलिखित हैं:होमोएपिटैक्सियल वृद्धि, मोज़ेक वेफर निर्माण और हेटरोएपिटैक्सियल वृद्धिऔर अन्य प्रौद्योगिकियां।

मोज़ेक स्प्लिसिंग विधिबड़े आकार के सिंगल क्रिस्टल वेफर्स (एससीडी) तैयार करने की एक अत्यंत व्यवहार्य विधि के रूप में, एकसमान सब्सट्रेटों की स्प्लिसिंग और वृद्धि, लिफ्ट-ऑफ तकनीक के संयोजन से बड़े आकार के एससीडी तैयार करना संभव हो गया है। वर्तमान में, 2 इंच तक के सिंगल क्रिस्टल वेफर्स प्राप्त किए जा चुके हैं। हालांकि, सब्सट्रेट के लिए उच्च एकरूपता की आवश्यकता और ग्रेन बाउंड्री की उपस्थिति के कारण स्प्लिसिंग जोड़ पर तनाव और दोष जैसी समस्याएं उत्पन्न होती हैं, जो एससीडी स्प्लिस शीट की गुणवत्ता को प्रभावित करती हैं। इसके अलावा, लागत अधिक है, पीलिंग तकनीक को इंजेक्ट करने की आवश्यकता होती है, और उत्पादन बहुत कम होता है।

(शियान यूनिवर्सिटी ऑफ इलेक्ट्रॉनिक साइंस एंड टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर झांग जिनफेंग द्वारा तैयार की गई कार्बनटेक 2020 रिपोर्ट की पीपीटी से ली गई तस्वीर)

उच्च गुणवत्ता का संश्लेषण करेंहोमोएपिटैक्सियलहीरा परत, हीरा आधारित इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण में उपयोग होने वाली महत्वपूर्ण तकनीकों में से एक है। इसमें दोष घनत्व कम होता है और इसका अधिकतम आकार 0.5 इंच (1 इंच = 2.54 सेंटीमीटर) तक हो सकता है। एकल क्रिस्टल हीरे की समरूप परत निर्माण प्रक्रिया में, सब्सट्रेट से एकल क्रिस्टल हीरे को अलग करना एक महत्वपूर्ण और अपेक्षाकृत कठिन प्रक्रिया है। चूंकि सब्सट्रेट भी अत्यंत कठोर एकल क्रिस्टल हीरा होता है, इसलिए इसे सामान्य कटाई विधियों से नहीं काटा जा सकता। आमतौर पर उपयोग की जाने वाली विधियों में यांत्रिक पॉलिशिंग और लेजर कटिंग शामिल हैं।

(शियान यूनिवर्सिटी ऑफ इलेक्ट्रॉनिक साइंस एंड टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर झांग जिनफेंग द्वारा तैयार की गई कार्बनटेक 2020 रिपोर्ट की पीपीटी से ली गई तस्वीर)

होमोएपिटैक्सियल वृद्धि के अलावा, हेटरोएपिटैक्सियल वृद्धि भी बड़े क्षेत्रफल वाले एकल क्रिस्टल हीरे के विकास की एक प्रभावी विधि है। हेटरोएपिटैक्सी का तात्पर्य सिलिकॉन, नीलम, मैग्नीशियम ओ और अन्य सब्सट्रेट पर बफर परतों के उपयोग से है, जो हीरे और सब्सट्रेट के बीच तापीय बेमेल और जाली बेमेल को कम करता है, और अंततः एकल क्रिस्टल हीरे की फिल्मों के विकास को प्राप्त करता है। सबसे प्रभावी बफर परत आयरन आदि है। सैद्धांतिक रूप से, यह विधि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के क्षेत्र में औद्योगीकरण की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए पर्याप्त बड़े क्षेत्रफल वाले एकल क्रिस्टल हीरे का विकास कर सकती है। इसकी मुख्य कमी उच्च दोष घनत्व है।

माइक्रोवेव प्लाज्मा केमिकल वेपर डिपोजिशन (एमपीसीवीडी) विकास तकनीक में नाइट्रोजन एडिशन हाई-स्पीड ग्रोथ, पल्स डिस्चार्ज हाई-एफिशिएंसी ग्रोथ और आयन इम्प्लांटेशन स्ट्रिपिंग जैसी प्रमुख तकनीकों में हुई प्रगति के बाद, पिछले 10 वर्षों में बहु-दिशात्मक दोहराव वाली त्रि-आयामी एमपीसीवीडी हाई-स्पीड एपिटैक्सियल ग्रोथ (विकास दर 100 μm·h) हासिल की गई है।-1), बड़े आकार के, मोटे और बहुक्रिस्टलीय हीरे के किनारों के विकास जैसी नवीन प्रौद्योगिकियां और बिना सीमाओं के 200 घंटे तक निरंतर विकास के लिए (H, C, N, O) प्रणालियों में प्लाज्मा CVD का उपयोग।

डायमंड सेमीकंडक्टर उपकरणों के लिए, डायमंड सामग्रियों की डोपिंग पावर उपकरणों के निर्माण के लिए मूलभूत तकनीक है।हीरा अर्धचालकों के व्यावसायीकरण में सबसे बड़ी समस्या यह है कि हीरे की कुशल बल्क डोपिंग की समस्या अभी तक हल नहीं हो पाई है। पी-टाइप ट्रांजिस्टर बनाना आसान है, लेकिन एन-टाइप ट्रांजिस्टर बनाना मुश्किल है।.हीरे की पी-टाइप डोपिंग तकनीक अपेक्षाकृत विकसित है, और मुख्य डोपेंट बोरॉन परमाणु हैं। पी-टाइप हीरे के लिए, बोरॉन अशुद्धियों को प्राकृतिक हीरे और एमपीसीवीडी हीरे में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है, और क्रिस्टल अभिविन्यास की कोई समस्या नहीं होती है, लेकिन कमरे के तापमान पर बोरॉन की सक्रियण दक्षता 0.1% से कम है। हीरे में बोरॉन की डोपिंग सांद्रता और गतिशीलता के बीच एक संतुलन संबंध होता है। अत्यधिक डोपिंग सांद्रता अक्सर गतिशीलता में तेजी से कमी लाती है। जब बोरॉन डोपिंग सांद्रता 10 होती है,19 cm-3गतिशीलता घटकर 100 सेमी हो जाएगी।2·वी -1· रों-1निम्नलिखित।

(शियान यूनिवर्सिटी ऑफ इलेक्ट्रॉनिक साइंस एंड टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर झांग जिनफेंग द्वारा तैयार की गई कार्बनटेक 2020 रिपोर्ट की पीपीटी से ली गई तस्वीर)

आवर्त सारणी में हीरे के कार्बन परमाणु (सहसंयोजक त्रिज्या 0.077 एनएम) की स्थिति के आधार पर चयनित, सबसे निकटतम नाइट्रोजन (एन) परमाणु (0.075 एनएम) है, जो इसे हीरे के एन-टाइप डोपिंग के लिए एक उपयुक्त उम्मीदवार बनाता है। हालांकि, डोपिंग के बाद, हीरे में कार्बन परमाणुओं को प्रतिस्थापित करने वाले एन परमाणु, जॉन-टेलर प्रभाव के कारण विकृत हो जाते हैं, जिससे स्थानीय जालक में विचलन होता है और एन परमाणु अपने प्रतिस्थापित स्थान से हट जाते हैं। इसका डोपिंग ऊर्जा स्तर बहुत गहरा (1.7 ईवी) है, जिससे कमरे के तापमान पर विद्युत का संचालन करना मुश्किल हो जाता है।

(शियान यूनिवर्सिटी ऑफ इलेक्ट्रॉनिक साइंस एंड टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर झांग जिनफेंग द्वारा तैयार की गई कार्बनटेक 2020 रिपोर्ट की पीपीटी से ली गई तस्वीर)

हीरा अर्धचालक प्रौद्योगिकी के निरंतर विकास के साथ, एन-टाइप डोपिंग प्रौद्योगिकी, बड़े आकार और उच्च गुणवत्ता वाले एकल क्रिस्टल निर्माण, और उच्च समतलता और उच्च एकरूपता वाली सामग्री एपिटैक्सी प्रौद्योगिकी जैसी बाधाओं को भविष्य में निश्चित रूप से दूर किया जाएगा, जिससे उच्च शक्ति प्रदर्शन वाले हीरा इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का निर्माण संभव हो सकेगा। लेकिन यह वैज्ञानिक शोधकर्ताओं के अथक प्रयासों के बिना संभव नहीं है!

पावर डायोडपिछले 10 वर्षों में, सीवीडी डायमंड सामग्रियों की बड़ी आकार, कम दोष और भारी डोपिंग के संदर्भ में हुई प्रगति ने डायमंड डायोड के विकास को उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज, उच्च ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथ, कम ऑन-रेसिस्टेंस, उच्च स्विचिंग दर और उच्च तापमान संचालन की दिशा में प्रत्यक्ष रूप से प्रेरित किया है। एसबीडी और पीएन जंक्शन डायोड दोनों प्रकार के विकास के अधीन हैं, जिनमें से डायमंड एसबीडी का विकास तेजी से हो रहा है और यह पहले से ही प्रारंभिक अनुप्रयोग प्रायोगिक चरण में है।

डायमंड डायोड और ट्रांजिस्टर के कम ब्रेकडाउन वोल्टेज (500 वोल्ट से कम) का मुख्य कारण डायमंड में डोपिंग पदार्थों को नियंत्रित करने में कठिनाई है।हीरा पृथ्वी पर सबसे अधिक परमाणु घनत्व वाला पदार्थ है। H, P, N और Si जैसे कुछ छोटे परमाणुओं को छोड़कर, इसके क्रिस्टल में अन्य बड़े परमाणुओं को जोड़ना मुश्किल है।

डायमंड पिन डायोडयह उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त एक उन्नत उपकरण है, सिवाय इसके कि इसका क्रांतिक विद्युत क्षेत्र 3 MV·cm है।-1(SiC की सैद्धांतिक सीमा) तक, अत्यधिक डोपिंग वाली परत का उपयोग करके डायमंड पिन डायोड के श्रृंखला प्रतिरोध को भी काफी हद तक कम किया जा सकता है। पिछले 10 वर्षों में, डायमंड पिन डायोड प्रौद्योगिकी ने कई महत्वपूर्ण प्रगति की है, जैसे कि संक्रमण चालन तंत्र के साथ अत्यधिक डोपिंग वाली p+ और n+ परतों की तैयारी में सफलताएँ; कम प्रतिरोध संक्रमण चालकता वाले डायमंड p+-i-n+ जंक्शन डायोड के वाहक परिवहन तंत्र; शॉट्की डायमंड pn डायोड (SPND) के भौतिक संरचना अनुकूलन डिजाइन; n+ के चयनात्मक विकास; परतों और pn जंक्शन डायोड के इंटरफ़ेस दोषों के रिवर्स लीकेज पर प्रभाव के तंत्र पर शोध; डायमंड पिन डायोड के रिवर्स रिकवरी और अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल पर शोध; डायमंड शॉट्की पिन डायोड (SPIND) की असमान शॉट्की बैरियर ऊंचाई के तंत्र पर शोध और अन्य प्रमुख प्रौद्योगिकियाँ।

पावर ट्रांजिस्टर और लॉजिक सर्किट

डायमंड ट्रांजिस्टर ने पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और माइक्रोवेव इलेक्ट्रॉनिक्स दोनों क्षेत्रों में प्रगति की है। पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में, विकास की दिशा उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज, उच्च ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथ, उच्च तापमान संचालन, कम ऑन-रेसिस्टेंस, उच्च स्विचिंग दर और सामान्यतः बंद रहने वाले उपकरणों की ओर है।डायमंड ट्रांजिस्टर मुख्य रूप से विभिन्न प्रकार के एफईटी से मिलकर बने होते हैं, जिनमें शामिल हैं:मेटल सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (एमईएसएफईटी), एमओएसएफईटी और जेएफईटीआदि। दो प्रकार के चैनल होते हैं: डायमंड हाइड्रोजन टर्मिनल सतह, द्वि-आयामी होल गैस और पी-टाइप डोप्ड लेयर। एन-टाइप डोपिंग सामग्री की प्रगति के साथ, बाइपोलर डायमंड डिवाइस सामने आने लगे हैं, और हाल ही में हेटरोजंक्शन बाइपोलर ट्रांजिस्टर विकसित किए गए हैं। माइक्रोवेव इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में, हाइड्रोजन-टर्मिनेटेड एफईटी प्रमुख हैं और उच्च fT/fmax और उच्च शक्ति घनत्व की ओर विकसित हो रहे हैं।

डायमंड MESFET चैनल को मॉड्युलेट और नियंत्रित करने के लिए शॉटकी बैरियर का उपयोग करता है। हाल के वर्षों में तकनीकी प्रगति में शामिल हैं: गेट-ड्रेन के बीच अधिक दूरी और हल्के डोपिंग वाले पी-चैनल का संयोजन, गेट-सोर्स के बीच कम दूरी के प्रभाव पर शोध, 14.8 MeV न्यूट्रॉन विकिरण प्रयोगों को सफलतापूर्वक पूरा करना, बोरॉन डोपिंग की उच्च सांद्रता और अच्छी सतह एपिटैक्सियल चैनल परत तकनीक, और बोरॉन-डोप्ड डायमंड MESFET का उच्च तापमान पर एनीलिंग।

डायमंड एमओएसएफईटीयह सबसे अधिक अध्ययन किया जाने वाला डायमंड ट्रांजिस्टर है, जो गेट लीकेज करंट को कम करने के लिए MOS गेट नियंत्रण संरचना का उपयोग करता है। हाल के वर्षों में, हाइड्रोजन-टर्मिनेटेड चैनल उपकरणों द्वारा डायमंड MOSFFT में अग्रणी स्थान रहा है और इसने अत्यधिक स्थिर Al2O3 गेट ऑक्साइड परत संरचना जैसी कई प्रमुख तकनीकों में महत्वपूर्ण प्रगति की है।

उच्च वोल्टेज और उच्च तापमान पर संचालित होने वाले विद्युत उपकरणों के अनुप्रयोगों के लिए, डायमंड बॉडी चैनल डिवाइस जेएफईटी, जो सरफेस चैनल डिवाइस की तुलना में अधिक स्थिर है, अधिक फायदेमंद है।

डायमंड बीजेटीयह प्रमुख पावर स्विचिंग उपकरणों में से एक है। हाइड्रोजन-टर्मिनेटेड डायमंड एफईटी की तुलना में, डायमंड-आधारित बीजेटी में गेट डाइइलेक्ट्रिक परत नहीं होती है, हाइड्रोजन-टर्मिनेटेड सतह चालकता होती है, और चालकता मॉड्यूलेशन प्रभाव होते हैं जो अल्पसंख्यक वाहक इंजेक्शन को सक्षम बनाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप संभावित रूप से कम ऑन-रेसिस्टेंस प्राप्त होता है। पावर बीजेटी का एक प्रमुख पैरामीटर कॉमन एमिटर करंट का एम्प्लीफिकेशन फैक्टर है, जो डायमंड एफईटी की तुलना में करंट एम्प्लीफिकेशन को सक्षम बनाता है, जिससे ड्राइव सर्किट की पावर आवश्यकताएं कम हो जाती हैं।

डायमंड लॉजिक सर्किटडायमंड लॉजिक सर्किट का विकास डायमंड आईसी के विकास में पहला कदम है। उन्नत डायमंड एमआईएसएफईटी के विकास के साथ, डायमंड लॉजिक सर्किट के अनुसंधान और विकास को गति मिली है।

आरएफ एफईटीहीरे में उच्च तापीय चालकता, उच्च विघटन क्षेत्र शक्ति और उच्च वाहक संतृप्ति वेग जैसे अर्धचालक गुण होते हैं। इसी कारण, हीरे से बने उच्च आवृत्ति और उच्च शक्ति वाले उपकरण भी हीरा इलेक्ट्रॉनिक्स के अनुसंधान के प्रमुख क्षेत्रों में से एक हैं।

डायमंड HEMT पर GaN:हीरे के परमाणुओं के बीच सहसंयोजक बंध अत्यंत मजबूत होते हैं, जिससे इसकी कठोर संरचना में कंपन आवृत्ति बहुत अधिक होती है। इसका डेबी अभिलक्षण तापमान 2200 K तक होता है। फोनन प्रकीर्णन कम होता है, इसलिए फोनन को माध्यम बनाकर ऊष्मा संचालन के लिए प्रतिरोध अत्यंत कम होता है। इसकी तापीय चालकता तांबे की तुलना में पांच गुना अधिक, 2000 W/(m·K) तक होती है। लगभग दो दशकों के विकास के बाद, वाइड-बैंडगैप अर्धचालक GaN माइक्रोवेव इलेक्ट्रॉनिक्स वर्तमान में मुख्यधारा बन गया है, और इसके तापीय प्रबंधन संबंधी मुद्दे इसके आगे के विकास में मुख्य बाधा बन गए हैं। इसलिए, अगली पीढ़ी के GaN माइक्रोवेव इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास के लिए अति-वाइड-बैंडगैप हीरे और GaN तकनीक की तापीय चालकता संबंधी लाभों का संयोजन अपरिहार्य हो गया है। यह GaN माइक्रोवेव इलेक्ट्रॉनिक्स के निरंतर विकास के लिए आधार भी प्रदान करता है।2O3इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों आदि के तापीय प्रबंधन के लिए संदर्भ प्रदान करें। हीरे की सामग्री का उपयोग पावर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए तापीय प्रबंधन सामग्री के रूप में किया जा सकता है, और बड़े आकार, कम इंटरफ़ेस तापीय प्रतिरोध और उच्च तापीय चालकता की दिशा में इसका विकास हो रहा है।

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तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टरों के व्यापक उपयोग और 5G युग के आगमन के साथ, पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग थर्मल मैनेजमेंट सामग्री और यहां तक ​​कि चिप सामग्री को अपग्रेड करने में भारी चुनौतियों का सामना करना पड़ रहा है। उन्नत कार्बन और इसकी मिश्रित सामग्री, जो हाल के वर्षों में तेजी से उभरी हैं, उच्च-शक्ति, उच्च-आवृत्ति वाले ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के ताप अपव्यय के क्षेत्र में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएंगी और इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में आदर्श थर्मल मैनेजमेंट सामग्री बनेंगी! (इसमें हीट सिंक सामग्री, पैकेजिंग सामग्री, आधार सामग्री आदि शामिल हैं)।

(गुआंगडोंग प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के प्रोफेसर वांग चेंगयोंग द्वारा तैयार की गई कार्बनटेक 2020 रिपोर्ट की पीपीटी से ली गई तस्वीर)

GaN आधारित विद्युत उपकरणों में हीरा ऊष्मा अपव्यय सब्सट्रेट:गैलियम नाइट्राइड (GaN) आधारित विद्युत उपकरणों का पूर्ण प्रदर्शन उस सबस्ट्रेट की कम तापीय चालकता से सीमित होता है जिस पर GaN जमा किया जाता है। उच्च तापीय चालकता वाला रासायनिक वाष्प निक्षेपण (CVD) हीरा GaN विद्युत उपकरणों के लिए तापीय प्रसार सबस्ट्रेट सामग्री के रूप में एक उत्कृष्ट विकल्प बन गया है। संबंधित विद्वानों ने उच्च तापीय चालकता वाले हीरे और GaN उपकरणों के संयोजन पर कई तकनीकी अध्ययन किए हैं, जिनमें मुख्य रूप से निम्न-तापमान बंधन तकनीक, GaN एपिटैक्सियल परत के पीछे सीधे हीरा उगाने के लिए सबस्ट्रेट स्थानांतरण तकनीक, एकल क्रिस्टल हीरा एपिटैक्सियल GaN तकनीक और उच्च तापीय चालकता वाले हीरे की पैसिविशन परत की ऊष्मा अपव्यय तकनीक शामिल हैं।

GaN एपिटैक्सियल परत के पीछे सीधे हीरे की वृद्धि से इंटरफ़ेस बॉन्डिंग की मज़बूती तो अच्छी होती है, लेकिन इसमें उच्च तापमान, वेफर पर अधिक तनाव और इंटरफ़ेस पर उच्च तापीय प्रतिरोध जैसी तकनीकी कठिनाइयाँ शामिल हैं। एकल क्रिस्टल हीरे से एपिटैक्सियल GaN तकनीक और उच्च तापीय चालकता वाली हीरे की पैसिविशन परत की ऊष्मा अपव्यय तकनीक क्रमशः एकल क्रिस्टल हीरे के छोटे आकार, उच्च लागत और प्रक्रिया असंगतता से सीमित हैं। इसलिए, कम लागत वाले बड़े आकार के हीरे के सब्सट्रेट विकसित करना, वेफर तनाव नियंत्रण तकनीक और इंटरफ़ेस बॉन्डिंग की मज़बूती में सुधार करना, इंटरफ़ेस के तापीय प्रतिरोध को कम करना और हीरे के सब्सट्रेट वाले GaN उपकरणों के प्रदर्शन में सुधार करना, हीरे और GaN उपकरण बॉन्डिंग तकनीक के भविष्य के विकास का मुख्य केंद्र होगा।

(शियान यूनिवर्सिटी ऑफ इलेक्ट्रॉनिक साइंस एंड टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर झांग जिनफेंग द्वारा तैयार की गई कार्बनटेक 2020 रिपोर्ट की पीपीटी से ली गई तस्वीर)

डायमंड पैकेज्ड सेमीकंडक्टर लेजर

जब कोई उच्च-शक्ति वाला सेमीकंडक्टर लेज़र काम कर रहा होता है, तो सक्रिय क्षेत्र में अत्यधिक ऊष्मा उत्पन्न होती है, जिससे लेज़र की आउटपुट शक्ति कम हो जाती है और उसका सेवाकाल छोटा हो जाता है। हीरे में उच्च तापीय चालकता गुण होते हैं। इसे ट्रांज़िशन हीट सिंक के रूप में उपयोग करने से उपकरण की ऊष्मा अपव्यय क्षमता में सुधार होता है, तापीय प्रतिरोध कम होता है, लेज़र की आउटपुट शक्ति बढ़ती है और लेज़र का जीवनकाल लंबा होता है।

डायमंड रमन लेजर अनुसंधान:उत्तेजित रमन प्रकीर्णन एक महत्वपूर्ण अरैखिक प्रकाशीय प्रभाव है। उत्तेजित रमन प्रकीर्णन के द्वारा आपतित सभी फोटॉनों का आवृत्ति विस्थापन चरण मिलान की आवश्यकता के बिना ही निश्चित किया जा सकता है। यह लेजरों के उपयोग बैंड रेंज को विस्तारित करने के लिए एक महत्वपूर्ण तकनीक है। इस दिशा में अनुसंधान लेजर प्रौद्योगिकी के विकास में एक महत्वपूर्ण केंद्र बन गया है।

उत्कृष्ट प्रदर्शन वाले क्रिस्टल रमन पदार्थ के रूप में, हीरे में ज्ञात क्रिस्टल पदार्थों के बीच 1332.3 सेमी का सबसे बड़ा रमन आवृत्ति विस्थापन होता है।-1कमरे के तापमान पर इसकी रमन गेन लाइनविड्थ लगभग 1.5 सेमी है।-1हीरे का रमन लाभ ध्रुवीकरण चयनात्मकता दर्शाता है। जब पंप प्रकाश की ध्रुवीकरण दिशा हीरे के क्रिस्टल की <111> दिशा के समानांतर होती है, तो इसका रमन लाभ अधिकतम (10 cm/GW@1 μm) होता है, और रैखिक रूप से ध्रुवीकृत रमन प्रकाश उत्पन्न होता है। हीरे की तापीय चालकता अत्यंत उच्च होती है, और इसकी तीव्र ऊष्मा अपव्यय क्षमता हीरे के क्रिस्टलों के लिए उच्च रमन लाभ बनाए रखने और उच्च शक्ति संचालन के तहत उच्च-बीम गुणवत्ता वाले लेजर आउटपुट प्राप्त करने की कुंजी है।

सामान्य लेजर रमन क्रिस्टल और हीरे के बीच तुलना

हाल के वर्षों में, रासायनिक वाष्प निक्षेपण (केमिकल वेपर डिपोजिशन) तकनीक में सुधार के साथ, कृत्रिम हीरे की प्रकाशीय गुणवत्ता में तेजी से वृद्धि हुई है। उत्कृष्ट रमन और ब्रिलौइन विशेषताओं के कारण, ऑप्टिकल-ग्रेड हीरे के क्रिस्टल ने शक्ति में उत्कृष्ट वृद्धि, सुसंगतता में वृद्धि और आवृत्ति रूपांतरण क्षमताएं प्रदर्शित की हैं। इससे हीरे के लेजरों को पारंपरिक कार्यशील सामग्रियों पर आधारित कण संख्या व्युत्क्रमण लेजरों के तापीय प्रभावों और तरंगदैर्ध्य और आउटपुट शक्ति के संतुलन की कठिनाई को काफी हद तक दूर करने में मदद मिली है।

एकल क्रिस्टल हीरा 3डी पैकेजिंग ऊष्मा अपव्यय सब्सट्रेट:

जब मूर के नियम का पालन करना उद्योग जगत में सर्वसम्मत हो गया है, तब मोर मूर के प्रस्ताव ने चिप निर्माण उद्योग के विकास में नई जान फूंक दी है। सामान्य शब्दों में, मोर मूर का तात्पर्य चिप की विशेषताओं के आकार को लगातार कम करने से है, जिसमें दो पहलू शामिल हैं: घनत्व, प्रदर्शन और विश्वसनीयता में सुधार के लिए वेफर की क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर दिशाओं में विशेषताओं के आकार को लगातार कम करना; और वेफर के विद्युत प्रदर्शन को प्रभावित करने के लिए 3डी संरचनाओं और नई सामग्रियों जैसी प्रक्रिया प्रौद्योगिकियों का उपयोग करना।

(निंगबो इंस्टीट्यूट ऑफ मैटेरियल्स के जियांगनान शोधकर्ता द्वारा तैयार की गई कार्बनटेक 2020 रिपोर्ट की पीपीटी से ली गई तस्वीर)

इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग सामग्री का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक घटकों और उनके अंतर्संबंधों को ले जाने के लिए किया जाता है। ये मुख्य रूप से यांत्रिक सहायता, सीलिंग सुरक्षा, ऊष्मा अपव्यय और परिरक्षण का कार्य करते हैं। एकीकृत परिपथों के प्रदर्शन और विश्वसनीयता पर इनका बहुत महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, एकीकृत परिपथ अति-विशाल आकार, अति-उच्च गति, उच्च घनत्व, उच्च शक्ति, उच्च परिशुद्धता और बहु-कार्यक्षमता की ओर विकसित हो रहे हैं, जिससे पैकेजिंग सामग्री पर उच्चतर आवश्यकताएँ बढ़ रही हैं। हीरा/तांबा, हीरा/एल्यूमीनियम, हीरा/सिलिकॉन कार्बाइड, ग्रेफाइट/तांबा आदि जैसी बहु-प्रणाली उच्च-प्रदर्शन पैकेजिंग सामग्रियों का अनुसंधान और विकास, लघुकरण, उच्च प्रदर्शन, उच्च विश्वसनीयता और कम लागत की दिशा में इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग सामग्रियों के विकास को बढ़ावा देने में अत्यंत महत्वपूर्ण है।

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हीरा सामग्री और लेजर प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी:अन्य पदार्थों की तुलना में, हीरे में उच्च प्रतिरोधकता, उच्च ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथ, कम डाइइलेक्ट्रिक कांस्टेंट और कम थर्मल विस्तार जैसे गुण होते हैं। थर्मल मैनेजमेंट में इसका उपयोग तेजी से विकसित हो रहे इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में उच्च घनत्व और उच्च एकीकृत असेंबली विकास की आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है। लेजर प्रोसेसिंग द्वारा हीरे की सूक्ष्म संरचनाओं का उच्च गुणवत्ता वाला प्रसंस्करण किया जा सकता है। यह एक उन्नत विनिर्माण तकनीक है जिस पर वर्तमान में देश-विदेश में शोध किया जा रहा है।

हीरा सब्सट्रेट पीसने और पॉलिश करने की तकनीक

सेमीकंडक्टर उपकरणों में मुख्य रूप से इंटीग्रेटेड सर्किट, पावर डिवाइस, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक डिवाइस और सेंसर आदि शामिल हैं। पावर डिवाइस का व्यापक रूप से एयरोस्पेस, सैन्य और राष्ट्रीय रक्षा, ऊर्जा आपूर्ति, रेल परिवहन और सूचना इंटरनेट ऑफ थिंग्स में उपयोग किया जाता है। सेमीकंडक्टर वेफर सेमीकंडक्टर डिवाइस का वाहक होता है, और सेमीकंडक्टर सबस्ट्रेट सेमीकंडक्टर वेफर का वाहक होता है। सबस्ट्रेट सेमीकंडक्टर डिवाइस का एपिटैक्सियल आधार होता है, जो सीधे डिवाइस की गुणवत्ता और प्रदर्शन को निर्धारित करता है।

अल्ट्रा-सटीक मशीनिंग

अति परिशुद्ध मशीनिंग के लिए उपयोग की जाने वाली वस्तुएँ आम तौर पर छोटे आकार की हीरा सामग्री होती हैं, जो औद्योगीकरण के लिए बहुत महंगी होती हैं और औद्योगिक अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त नहीं होती हैं। विद्युत उपकरणों के ऊष्मा अपव्यय में हीरे का सफलतापूर्वक उपयोग करने और औद्योगीकरण प्राप्त करने के लिए, अच्छी सतह गुणवत्ता वाली बड़े आकार की वेफर-स्तरीय ऊष्मा अपव्यय आधार सामग्री प्राप्त करना महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, हीरा सब्सट्रेट पर सर्किट एकीकरण का स्तर बढ़ने के साथ, सतह गुणवत्ता की आवश्यकताएँ धीरे-धीरे बढ़ती जाएँगी। सतह की खुरदरापन एंगस्ट्रॉम स्तर या उससे भी कम तक विकसित हो जाएगी, और सतह का विरूपण 5 माइक्रोमीटर या उससे कम तक पहुँच जाएगा।

अस्वीकरण: यह लेख "डीटी सेमीकंडक्टर मैटेरियल्स" से लिया गया है, जो बौद्धिक संपदा अधिकारों के संरक्षण का समर्थन करता है। कृपया पुनर्मुद्रण के मूल स्रोत और लेखक का उल्लेख करें। यदि कोई उल्लंघन होता है, तो कृपया इसे हटाने के लिए हमसे संपर्क करें।