A proposito di diamanti, credo che molte persone non li conoscano a fondo. Il redattore non lavora in questo settore e la mia conoscenza dei diamanti si limita alla loro struttura perfetta (P.S. il redattore è un professionista nel campo dei materiali ceramici fluorescenti)....Tanto varrebbe cambiare la parola "diamante", che è profondamente radicata nel cuore delle persone, BlingBling, piena di tentazione.

La truffa secolare del "i diamanti sono per sempre" ha soffocato il talento dei diamanti e li ha sovraqualificati. Pensi che sia un uomo ricco, ma in realtà è un re.Il volume di applicazione del diamante in ambito industriale è di gran lunga superiore a quello impiegato nel settore della gioielleria.In particolare, nei futuri settori ad alta precisione, i materiali diamantati presentano un grande potenziale.

Nell'era post-Moore, lo sviluppo dell'elettronica a base di carbonio ha ricevuto ampia attenzione. Nel campo della nanoelettronica, sono stati compiuti progressi significativi nella ricerca sulla nanoelettronica a base di carbonio, principalmente con nanotubi di carbonio unidimensionali e grafene bidimensionale.Nel campo dell'elettronica di potenza, la ricerca sull'elettronica di potenza a diamante, nota per le sue potenzialità come tecnologia di punta dei semiconduttori, sta mostrando grande vitalità, rivelando il suo potenziale per diventare la prossima generazione di dispositivi elettronici di potenza.

C'è un motivo per cui i semiconduttori al diamante sono considerati dall'industria i semiconduttori per eccellenza. L'attuale ricerca si concentra principalmente sulle proprietà del diamante stesso.

(Immagine tratta dalla presentazione PowerPoint di Carbontech 2020 a cura del professor Zhang Jinfeng dell'Università di Scienze e Tecnologie Elettroniche di Xi'an)

Il diamante è un materiale semiconduttore a banda proibita ultra-ampia con una larghezza di banda di 5.5 eV, maggiore di quella di materiali semiconduttori a banda proibita ampia come GaN e SiC. Come mostrato nella tabella sottostante, la larghezza di banda del diamante è 5 volte quella del silicio; anche la mobilità dei portatori di carica è 3 volte superiore a quella del silicio. Teoricamente, la mobilità dei portatori di carica del diamante è più del doppio rispetto a quella degli attuali materiali semiconduttori a banda proibita ampia (GaN, SiC). Allo stesso tempo, il diamante presenta una concentrazione intrinseca di portatori di carica estremamente bassa a temperatura ambiente. Inoltre, oltre alla massima durezza, il diamante possiede anche la massima conduttività termica tra i materiali semiconduttori, pari a 7.5 volte quella dell'AlN. Grazie a questi eccellenti parametri prestazionali, il diamante è considerato il materiale più promettente per la realizzazione della prossima generazione di dispositivi elettronici ad alta potenza, alta frequenza, alta temperatura e basse perdite di potenza, ed è acclamato dall'industria come il "semiconduttore definitivo".

In particolare, l'era delle comunicazioni 5G si sta rapidamente affermando e l'applicazione dei materiali monocristallini di diamante nei semiconduttori e nei dispositivi di potenza ad alta frequenza sta assumendo un ruolo sempre più rilevante. I monocristalli e i prodotti derivati ​​dal diamante rappresentano una base materiale fondamentale per l'attuazione di importanti strategie nazionali come la lavorazione di ultra-precisione e le reti intelligenti, nonché per l'ammodernamento di settori industriali quali la produzione intelligente e le comunicazioni 5G. La svolta e l'industrializzazione di questa tecnologia rivestono grande importanza per la sicurezza e l'indipendenza dei settori cinesi della produzione intelligente e dei big data.

a tal fine, Indirizzi di ricerca che richiedono materiali diamantatiGrandi dimensioni, pochi difetti, bassa resistività e alta conduttività termicadirezione dello sviluppo.

La ricerca attuale sui materiali e dispositivi semiconduttori a base di diamante si concentra principalmente sui seguenti aspetti:

I metodi di preparazione del diamante sono principalmente suddivisi in metodo ad alta temperatura e alta pressione (HPHT) e metodo di deposizione chimica da vapore al plasma (PCVD). Rispetto al metodo HPHT e ad altri metodi PCVD,La MPCVD è una tecnica di deposizione chimica da fase vapore assistita da plasma (MPCVD) senza elettrodi, non inquinante e con un elevato controllo epitassiale. Presenta vantaggi particolarmente evidenti nella preparazione di diamanti di grandi dimensioni e ad elevata purezza, nonché nella ricerca sul drogaggio. È il metodo preferito per la preparazione di diamanti di alta qualità e per molteplici applicazioni..

In termini di sviluppo di tecnologie chiave e commercializzazione di apparecchiature MPCVD avanzate, i team di Giappone, Stati Uniti, Germania e altri paesi sono in una posizione di leadership. Tra questi, nello sviluppo e nell'applicazione di apparecchiature MPCVD a finestra di quarzo piatta e apparecchiature MPCVD di tipo CAP, la società giapponese Seki occupa la posizione di leadership mondiale e mantiene la leadership tecnologica. In termini di sviluppo e applicazione di apparecchiature MPCVD a campana di quarzo, il team Asmussen della Michigan State University negli Stati Uniti ha sviluppato un'apparecchiatura ad alta pressione (>2.4×104Il dispositivo (Pa) opera in una cavità risonante al plasma a microonde ad alta densità di potenza per ottenere una deposizione ad alta velocità del diamante.

Per quanto riguarda lo sviluppo e l'applicazione dei dispositivi MPCVD ad anello di quarzo, i dispositivi MPCVD prodotti dalla francese Plassys e dalla tedesca iPlas sono molto rappresentativi. Tra questi, l'apparecchiatura iPlas presenta una struttura di accoppiamento a fessura per microonde ed è adatta alla preparazione di diamanti di grandi dimensioni, sebbene la velocità di deposizione non sia particolarmente ottimale. Nella ricerca e sviluppo di apparecchiature MPCVD a cavità risonante ellissoidale, l'Istituto Fraunhofer tedesco e Aixtron hanno sempre mantenuto un livello di eccellenza mondiale. Rispetto alle apparecchiature MPCVD a campana o ad anello di quarzo, le apparecchiature con questa struttura sono adatte all'accoppiamento con sorgenti di potenza a microonde di livello superiore, il che è vantaggioso per ottenere un'area di plasma più ampia.L'obiettivo finale degli sviluppatori di apparecchiature MPCVD è ottenere un plasma a microonde uniforme, stabile e di grandi dimensioni.

Negli ultimi anni, i gruppi di ricerca nazionali impegnati nello sviluppo di apparecchiature MPCVD hanno ottenuto alcuni risultati nello sviluppo di nuove cavità risonanti MPCVD. Tuttavia, rispetto ai gruppi stranieri più avanzati, poche aziende o istituzioni nazionali sono riuscite a superare le difficoltà tecniche per raggiungere la produzione di massa commerciale su larga scala, pertanto,Le scoperte in tecnologie chiave come la progettazione ottimizzata indipendente di risonatori al plasma a microonde e il miglioramento dei processi di preparazione di diamanti di grandi dimensioni richiedono con urgenza continui investimenti e ricerche da parte di team nazionali competenti. C'è ancora molta strada da fare in futuro.

In quanto materiale semiconduttore, i requisiti di preparazione e le direzioni di applicazione del diamante monocristallino e policristallino sono piuttosto differenti.

Metodo di preparazione del film di diamante policristallino CVD, inclusoDeposizione chimica da fase vapore (CVD) con getto di plasma ad arco CC ad alta potenza, CVD a filo caldo e MPCVD, ecc.La preparazione di film di diamante policristallino di grado ottico ed elettronico richiede una velocità di deposizione ideale e una densità di difetti estremamente bassa o controllabile. La MPCVD senza scarica contaminata dell'elettrodo diventerà inevitabilmente un metodo ideale per la preparazione di film di diamante di grado elettronico ed ottico. Tuttavia, la velocità di crescita del diamante policristallino è lenta e la consistenza del suo orientamento cristallino è cruciale per la lavorazione, il che ne rende difficile il processo.

Attualmente, Element Six ha raggiunto la produzione di massa commerciale di diamanti policristallini di grado elettronico da 4 pollici. Il team di Li Chengming dell'Università di Scienza e Tecnologia di Pechino, il team di Wang Jianhua dell'Università di Tecnologia di Wuhan e il team di Yu Shengwang dell'Università di Tecnologia di Taiyuan hanno tutti ottenuto risultati significativi nella ricerca sulla preparazione MPCVD di film di diamante policristallino di grado ottico. Sebbene ci sia ancora un divario tra i film di diamante policristallino di grado ottico ed elettronico nazionali e il livello avanzato internazionale, i film di diamante policristallino di grado ottico sviluppati dai team nazionali e superiori possono soddisfare le esigenze di finestre di guida a doppia modalità infrarossi/radar, CO ad alta potenza2Requisiti applicativi di base per finestre di macchine per la lavorazione laser e finestre per forni a microonde ad alta potenza.

Rispetto alle difficili condizioni di preparazione e applicazione dei film di diamante policristallino di grado ottico ed elettronico, i film di diamante policristallino sono sempre più utilizzati come dissipatori di calore per i dispositivi di potenza a semiconduttore, e la domanda è maggiore e più urgente. L'attuale livello tecnico per la loro precipitazione è inoltre relativamente facile da raggiungere.

Inoltre, il vantaggio in termini di costi di produzione del diamante policristallino è più evidente rispetto a quello del diamante monocristallino. Negli ultimi 30 anni, la ricerca sull'applicazione di film di diamante policristallino MPCVD come dissipatori di calore nei dispositivi a semiconduttore non si è mai fermata. Attualmente, film di diamante policristallino a base di silicio di dimensioni pari a un pollice vengono utilizzati nei dispositivi HEMT, e la densità di potenza RF dei dispositivi è stata effettivamente migliorata, raggiungendo oltre 23 W/mm. Attualmente, le dimensioni del film di diamante policristallino di grado dissipatore di calore preparato possono raggiungere gli 8 pollici. Con il miglioramento e l'aggiornamento della tecnologia MPCVD, si prevede che sarà compatibile con le linee di produzione di wafer di semiconduttore da 8 pollici esistenti, realizzando infine l'applicazione e la promozione su larga scala dei materiali dissipatori di calore in diamante policristallino nell'industria dei materiali a semiconduttore.

Rispetto al diamante policristallino, il diamante monocristallino (SCD), privo di vincoli ai bordi dei grani, presenta migliori proprietà ottiche ed elettriche. Trova applicazioni eccezionali in campi scientifici e tecnologici all'avanguardia, come i rivelatori di radiazioni per la comunicazione/calcolo quantistico, i display a emissione di campo a catodo freddo, i laser a semiconduttore, i circuiti integrati multidimensionali per chip CPU di supercomputer e le barre di supporto termoconduttive per tubi a onda progressiva a microonde di radar militari ad alta potenza. La produzione di SCD di grandi dimensioni e di alta qualità è un prerequisito fondamentale.

Come wafer di diamante, la sua dimensione deve essere superiore a 2 pollici. Attualmente, le principali tecnologie per la preparazione di diamanti e wafer di grandi dimensioni sonoCrescita omoepitassiale, preparazione di wafer a mosaico e crescita eteroepitassialee altre tecnologie.

Metodo di giunzione a mosaicoCome metodo altamente fattibile per la preparazione di SCD di grandi dimensioni, la giunzione e la crescita di più substrati uniformi, combinata con la tecnologia di lift-off, ha permesso la produzione di SCD di grandi dimensioni. Attualmente, sono stati ottenuti wafer monocristallini fino a 2 pollici. Tuttavia, gli elevati requisiti di uniformità del substrato e la presenza di bordi di grano possono causare problemi come stress e difetti nella giunzione, che influiscono sulla qualità dei fogli di SCD giuntati. Inoltre, i costi sono elevati, è necessaria la tecnologia di peeling e la resa è molto bassa.

(Immagine tratta dalla presentazione PowerPoint di Carbontech 2020 a cura del professor Zhang Jinfeng dell'Università di Scienze e Tecnologie Elettroniche di Xi'an)

Sintetizzare di alta qualitàomoepitassialeLa deposizione di uno strato di diamante è una delle tecnologie più importanti per la preparazione di dispositivi elettronici a base di diamante. Presenta una bassa densità di difetti e può raggiungere una dimensione massima di 0.5 pollici (1 pollice = 2.54 cm). Nel processo di preparazione omoepitassiale del diamante monocristallino, il distacco del diamante dal substrato è una fase cruciale e al contempo relativamente complessa. Poiché anche il substrato è costituito da diamante monocristallino estremamente duro, non può essere tagliato con i metodi tradizionali. I metodi comunemente utilizzati includono la lucidatura meccanica e il taglio laser.

(Immagine tratta dalla presentazione PowerPoint di Carbontech 2020 a cura del professor Zhang Jinfeng dell'Università di Scienze e Tecnologie Elettroniche di Xi'an)

Oltre alla crescita omoepitassiale, anche la crescita eteroepitassiale è un metodo efficace per la crescita di diamanti monocristallini di grandi dimensioni. L'eteroepitassia si riferisce all'utilizzo di strati tampone su substrati di Si, zaffiro, MgO e altri per attenuare la disomogeneità termica e reticolare tra il diamante e il substrato, consentendo in definitiva la crescita di film di diamante monocristallino. Lo strato tampone più efficace è costituito da iridio (Ir), ecc. Teoricamente, questo metodo può far crescere diamanti monocristallini con un'area sufficientemente ampia da soddisfare le esigenze di industrializzazione nel campo dei dispositivi elettronici. Il suo principale svantaggio è l'elevata densità di difetti.

Dopo le scoperte in tecnologie chiave come la crescita ad alta velocità con aggiunta di azoto, la crescita ad alta efficienza con scarica pulsata e la rimozione mediante impianto ionico nella tecnologia di crescita MPCVD (deposizione chimica da fase vapore con plasma a microonde), negli ultimi 10 anni è stata realizzata una crescita epitassiale tridimensionale ripetitiva multidirezionale ad alta velocità con MPCVD (velocità di crescita 100 μm·h).-1), tecnologie innovative come la crescita di bordi di diamante di grandi dimensioni, spessi e policristallini e l'uso del CVD al plasma in sistemi (H, C, N, O) per 200 ore senza bordi e crescita continua.

Nel caso dei dispositivi a semiconduttore di diamante, il drogaggio dei materiali diamantini rappresenta la tecnologia di base per la realizzazione di dispositivi di potenza.Il problema principale nella commercializzazione dei semiconduttori al diamante è che non è ancora stato risolto il problema del drogaggio massivo efficiente del diamante. È facile produrre transistor di tipo P, ma è difficile produrre transistor di tipo N..La tecnologia di drogaggio di tipo p del diamante è relativamente matura e il principale drogante è costituito da atomi di boro. Per il diamante di tipo p, le impurità di boro possono essere facilmente integrate nel diamante naturale e nel diamante MPCVD, e non vi è alcun problema di orientamento cristallino, ma l'efficienza di attivazione del boro a temperatura ambiente è inferiore allo 0.1%. La concentrazione di drogaggio e la mobilità del boro nel diamante hanno una relazione di compromesso. Una concentrazione di drogaggio eccessiva porta spesso a una rapida diminuzione della mobilità. Quando la concentrazione di drogaggio del boro è 1019 cm-3, la mobilità sarà ridotta a 100 cm2·V -1· s-1il seguente.

(Immagine tratta dalla presentazione PowerPoint di Carbontech 2020 a cura del professor Zhang Jinfeng dell'Università di Scienze e Tecnologie Elettroniche di Xi'an)

Selezionato in base alla posizione dell'atomo di carbonio (C) del diamante (raggio covalente 0.077 nm) nella tavola periodica degli elementi, l'atomo di azoto (N) più vicino è quello di 0.075 nm, il che lo rende un candidato ideale per il drogaggio di tipo n del diamante. Tuttavia, dopo il drogaggio, gli atomi di azoto che sostituiscono gli atomi di carbonio nel diamante risultano distorti a causa dell'effetto Jahn-Teller, causando una distorsione del reticolo locale e lo spostamento degli atomi di azoto dalla posizione di sostituzione. Il suo livello energetico di drogaggio è molto basso, pari a 1.7 eV, il che rende difficile la conduzione elettrica a temperatura ambiente.

(Immagine tratta dalla presentazione PowerPoint di Carbontech 2020 a cura del professor Zhang Jinfeng dell'Università di Scienze e Tecnologie Elettroniche di Xi'an)

Con il continuo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori al diamante, i colli di bottiglia quali la tecnologia di drogaggio di tipo n, la preparazione di monocristalli di grandi dimensioni e di alta qualità e la tecnologia di epitassia di materiali ad alta planarità e uniformità saranno sicuramente superati in futuro, consentendo la realizzazione di dispositivi elettronici al diamante con prestazioni di potenza superiori. Ma questo è inscindibile dagli sforzi incessanti dei ricercatori scientifici!

diodo di potenzaNegli ultimi 10 anni, i progressi dei materiali diamantati CVD in termini di grandi dimensioni, basso numero di difetti e drogaggio elevato hanno guidato direttamente lo sviluppo dei diodi al diamante nella direzione di un'elevata tensione di rottura, elevata rigidità dielettrica, bassa resistenza di conduzione, elevata velocità di commutazione e funzionamento ad alta temperatura. Entrambi i tipi di diodi SBD e a giunzione pn sono in fase di sviluppo, tra i quali i diodi SBD al diamante si stanno sviluppando più rapidamente e sono già nella fase sperimentale di applicazione preliminare.

La ragione principale della bassa tensione di rottura dei diodi e dei transistor al diamante (inferiore a 500 V) è la difficoltà nel controllare le sostanze dopanti nel diamanteIl diamante è il materiale con la più alta densità atomica sulla Terra. Ad eccezione di alcuni piccoli atomi come quelli di H, P, N e Si, è difficile aggiungere altri atomi di grandi dimensioni al suo cristallo.

diodo a pin di diamanteè un dispositivo avanzato adatto ad applicazioni ad alta potenza, tranne per il fatto che il suo campo elettrico critico è di 3 MV·cm-1(limite teorico del SiC), la resistenza in serie dei diodi pin di diamante può anche essere significativamente ridotta utilizzando uno strato fortemente drogato. Negli ultimi 10 anni, la tecnologia dei diodi pin di diamante ha fatto grandi progressi, come le scoperte nella preparazione di strati p+ e n+ fortemente drogati con meccanismi di conduzione di transizione; meccanismi di trasporto dei portatori di diodi a giunzione p+-i-n+ di diamante con bassa resistenza di transizione; progettazione dell'ottimizzazione della struttura del materiale dei diodi pn di diamante Schottky (SPND); crescita selettiva di n+ Ricerca sul meccanismo dell'impatto dei difetti di interfaccia degli strati e dei diodi a giunzione pn sulla corrente di dispersione inversa; ricerca sul recupero inverso e sulla durata di vita dei portatori minoritari dei diodi pin di diamante; ricerca sul meccanismo dell'altezza non uniforme della barriera Schottky dei diodi pin di diamante Schottky (SPIND) e altre tecnologie chiave.

Transistor di potenza e circuiti logici

I transistor al diamante hanno compiuto progressi sia nel campo dell'elettronica di potenza che in quello dell'elettronica a microonde. Nel campo dell'elettronica di potenza, la direzione di sviluppo è verso dispositivi con elevata tensione di rottura, elevata rigidità dielettrica, funzionamento ad alta temperatura, bassa resistenza di conduzione, elevata velocità di commutazione e funzionamento normalmente spento.I transistor a diamante sono composti principalmente da vari tipi di FET, tra cuiTransistor a effetto di campo metallo-semiconduttore (MESFET), MOSFET e JFETecc. Esistono due tipi di canali: il canale di superficie terminale a idrogeno del diamante, il gas di lacune bidimensionale e lo strato drogato di tipo p. Con l'avanzamento dei materiali droganti di tipo n, hanno iniziato ad apparire dispositivi bipolari al diamante e recentemente sono stati sviluppati transistor bipolari a eterogiunzione. Nel campo dell'elettronica a microonde, i FET terminati con idrogeno sono dominanti e si stanno sviluppando verso valori elevati di fT/fmax e alta densità di potenza.

Il MESFET al diamante utilizza una barriera Schottky per modulare e controllare il canale. I progressi tecnologici degli ultimi anni includono: la combinazione di un ampio spazio gate-drain e di un canale p leggermente drogato, la ricerca sull'effetto della riduzione dello spazio gate-source, il superamento di esperimenti di irradiazione neutronica a 14.8 MeV, una maggiore concentrazione di drogaggio con boro e una buona tecnologia dello strato epitassiale superficiale del canale, e la ricottura ad alta temperatura del MESFET al diamante drogato con boro.

MOSFET a diamanteÈ il transistor al diamante più studiato, che utilizza una struttura di controllo del gate MOS per sopprimere la corrente di dispersione del gate. Negli ultimi anni, i MOSFFT al diamante sono stati dominati dai dispositivi con canale terminato con idrogeno e hanno compiuto progressi in una serie di tecnologie chiave, come la struttura dello strato di ossido di gate Al2O3 altamente stabile.

Per le applicazioni di dispositivi di potenza che operano ad alte tensioni e alte temperature, il dispositivo JFET con canale a corpo di diamante, che è più stabile dei dispositivi con canale superficiale, risulta più vantaggioso.

BJT di diamanteÈ uno dei principali dispositivi di commutazione di potenza. Rispetto ai FET al diamante con terminazione di idrogeno, i BJT a base di diamante non presentano uno strato dielettrico di gate, hanno una conduttività superficiale con terminazione di idrogeno e sfruttano gli effetti di modulazione della conduttanza che consentono l'iniezione di portatori minoritari, con conseguente potenziale riduzione della resistenza di conduzione. Un parametro chiave dei BJT di potenza è il fattore di amplificazione della corrente di emettitore comune, che permette un'amplificazione della corrente maggiore rispetto ai FET al diamante, riducendo così il fabbisogno energetico del circuito di pilotaggio.

circuito logico a diamanteLo sviluppo di circuiti logici a diamante rappresenta il primo passo nello sviluppo di circuiti integrati a diamante. Grazie allo sviluppo di MISFET a diamante migliorati, la ricerca e lo sviluppo di circuiti logici a diamante hanno ricevuto un forte impulso.

RF FETIl diamante possiede proprietà semiconduttrici come elevata conduttività termica, elevata rigidità dielettrica e alta velocità di saturazione dei portatori di carica. Per questo motivo, i dispositivi ad alta frequenza e alta potenza basati sul diamante rappresentano uno dei principali ambiti di ricerca nell'ambito dell'elettronica a diamante.

GaN su HEMT di diamante:I legami covalenti tra gli atomi di diamante sono estremamente forti, conferendo alla struttura rigida un'elevata frequenza di vibrazione. La sua temperatura caratteristica di Debye raggiunge i 2200 K. La dispersione dei fononi è ridotta, pertanto la resistenza alla conduzione del calore tramite fononi è estremamente bassa. La sua conduttività termica è cinque volte superiore a quella del rame, fino a 2000 W/(m·K). Dopo quasi due decenni di sviluppo, l'elettronica a microonde a semiconduttore GaN a banda proibita ampia è diventata la tecnologia dominante, ma i problemi di gestione termica rappresentano il principale ostacolo al suo ulteriore sviluppo. Pertanto, la combinazione dei vantaggi di conduttività termica del diamante a banda proibita ultra-ampia e della tecnologia GaN è diventata imprescindibile per lo sviluppo della prossima generazione di elettronica a microonde GaN. Essa fornisce inoltre una base per il continuo sviluppo dell'elettronica a microonde GaN.2O3Fornire un riferimento per la gestione termica dei dispositivi elettronici, ecc. I materiali diamantini possono essere utilizzati come materiali per la gestione termica dei dispositivi elettronici di potenza e si stanno sviluppando nella direzione di grandi dimensioni, bassa resistenza termica di interfaccia e alta conduttività termica.

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Con la diffusione dei semiconduttori di terza generazione e l'avvento dell'era 5G, i materiali tradizionali per la gestione termica del packaging elettronico e persino i materiali dei chip si trovano ad affrontare enormi sfide di aggiornamento. Il carbonio avanzato e i suoi materiali compositi, emersi rapidamente negli ultimi anni, svolgeranno un ruolo importante nel campo della dissipazione del calore dei dispositivi optoelettronici ad alta potenza e alta frequenza, diventando materiali ideali per la gestione termica nell'industria elettronica! (Inclusi materiali per dissipatori di calore, materiali per packaging, materiali di base, ecc.).

(Immagine tratta dalla presentazione PowerPoint del professor Wang Chengyong dell'Università di Tecnologia del Guangdong, in occasione di Carbontech 2020)

Substrato di dissipazione termica in diamante nei dispositivi di potenza a base di GaN:Le prestazioni ottimali dei dispositivi di potenza basati sul nitruro di gallio (GaN) sono limitate dalla bassa conduttività termica del substrato su cui viene depositato il GaN. Il diamante depositato tramite deposizione chimica da fase vapore (CVD), grazie alla sua elevata conduttività termica, si è affermato come un'ottima soluzione per i substrati di diffusione termica dei dispositivi di potenza in GaN. Diversi studiosi hanno condotto ricerche tecniche sulla combinazione di diamante ad alta conduttività termica e dispositivi in ​​GaN, tra cui principalmente la tecnologia di incollaggio a bassa temperatura, la tecnologia di trasferimento del substrato per la crescita diretta del diamante sul retro dello strato epitassiale di GaN, la tecnologia di GaN epitassiale con diamante monocristallino e la tecnologia di dissipazione del calore tramite strato di passivazione in diamante ad alta conduttività termica.

La crescita diretta del diamante sul retro dello strato epitassiale di GaN presenta una buona resistenza di adesione interfacciale, ma comporta difficoltà tecniche quali alte temperature, elevata sollecitazione del wafer e alta resistenza termica interfacciale. La tecnologia di GaN epitassiale con diamante monocristallino e la tecnologia di dissipazione del calore con strato di passivazione in diamante ad alta conduttività termica sono rispettivamente limitate dalle piccole dimensioni, dagli alti costi e dall'incompatibilità di processo del diamante monocristallino. Pertanto, lo sviluppo di substrati di diamante di grandi dimensioni a basso costo, il miglioramento della tecnologia di controllo della sollecitazione del wafer e della resistenza di adesione interfacciale, la riduzione della resistenza termica interfacciale e il miglioramento delle prestazioni dei dispositivi GaN su substrato di diamante saranno al centro dello sviluppo futuro della tecnologia di adesione tra diamante e dispositivi GaN.

(Immagine tratta dalla presentazione PowerPoint di Carbontech 2020 a cura del professor Zhang Jinfeng dell'Università di Scienze e Tecnologie Elettroniche di Xi'an)

laser a semiconduttore incapsulato in diamante

Quando un laser a semiconduttore ad alta potenza è in funzione, l'area attiva genera una grande quantità di calore, che riduce la potenza di uscita del laser e ne accorcia la durata. Il diamante possiede elevate caratteristiche di conducibilità termica. Il suo utilizzo come dissipatore di calore di transizione migliora la capacità di dissipazione del calore del dispositivo, riduce la resistenza termica, aumenta la potenza di uscita del laser e ne prolunga la durata.

Ricerca sul laser Raman a diamante:La diffusione Raman stimolata è un importante effetto ottico non lineare. Essa permette di ottenere uno spostamento di frequenza fisso per tutti i fotoni incidenti, senza la necessità di adattamento di fase. Si tratta di una tecnologia fondamentale per ampliare la banda di frequenza di utilizzo dei laser. La ricerca in questo campo è diventata un punto focale nello sviluppo della tecnologia laser.

Il diamante, in quanto materiale cristallino Raman dalle prestazioni eccellenti, presenta il più grande spostamento di frequenza Raman, pari a 1332.3 cm⁻¹, tra i materiali cristallini conosciuti.-1la sua larghezza di riga di guadagno Raman è di circa 1.5 cm a temperatura ambiente-1Il guadagno Raman del diamante presenta selettività di polarizzazione. Quando la direzione di polarizzazione della luce di pompaggio è parallela alla direzione <111> del cristallo di diamante, il suo guadagno Raman è massimo (10 cm/GW@1 μm) e viene emessa luce Raman polarizzata linearmente. Il diamante ha una conduttività termica estremamente elevata e la sua capacità di dissipazione del calore ultraveloce è fondamentale affinché i cristalli di diamante mantengano un elevato guadagno Raman e ottengano un'emissione laser di alta qualità del fascio anche ad alta potenza.

Confronto tra cristalli Raman laser comuni e diamante

Negli ultimi anni, grazie al miglioramento della tecnologia di preparazione tramite deposizione chimica da fase vapore (CVD), la qualità ottica del diamante artificiale è migliorata rapidamente. I cristalli di diamante di grado ottico hanno inoltre dimostrato eccellenti capacità di miglioramento della potenza, di coerenza e di conversione di frequenza, grazie alle loro eccellenti caratteristiche Raman e Brillouin. Ciò ha permesso ai laser a diamante di superare ampiamente gli effetti termici dei laser a inversione del numero di particelle basati su materiali di lavoro tradizionali, nonché la difficoltà di bilanciare lunghezza d'onda e potenza di uscita.

Substrato di dissipazione del calore per packaging 3D in diamante monocristallino:

Mentre l'applicazione della Legge di Moore è diventata un consenso nel settore, la proposta di More Moore sembra aver portato una ventata di novità nello sviluppo dell'industria manifatturiera dei chip. In generale, More Moore si riferisce alla continua riduzione delle dimensioni dei componenti dei chip, che comprende due aspetti: la riduzione progressiva delle dimensioni dei componenti sia in direzione orizzontale che verticale sul wafer, al fine di migliorarne densità, prestazioni e affidabilità; e l'utilizzo di tecnologie di processo come le strutture 3D e l'impiego di nuovi materiali per ottimizzare le prestazioni elettriche del wafer.

(Immagine tratta dalla presentazione PowerPoint di Carbontech 2020, realizzata da Jiangnan, ricercatore presso l'Istituto dei Materiali di Ningbo)

I materiali di incapsulamento elettronico vengono utilizzati per alloggiare i componenti elettronici e le loro interconnessioni. Svolgono principalmente funzioni di supporto meccanico, protezione sigillante, dissipazione del calore e schermatura. Hanno un impatto molto importante sulle prestazioni e sull'affidabilità dei circuiti integrati. Con lo sviluppo della tecnologia elettronica, i circuiti integrati si stanno evolvendo verso dimensioni ultra-grandi, velocità ultra-elevate, alta densità, alta potenza, alta precisione e multifunzionalità, il che impone requisiti sempre più elevati ai materiali di incapsulamento. La ricerca e lo sviluppo di materiali di incapsulamento multi-sistema ad alte prestazioni, come diamante/rame, diamante/alluminio, diamante/carburo di silicio, grafite/rame, ecc., è di grande importanza per promuovere lo sviluppo di materiali di incapsulamento elettronico nella direzione della miniaturizzazione, delle alte prestazioni, dell'alta affidabilità e del basso costo.

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Materiali diamantati e tecnologia di lavorazione laser:Rispetto ad altri materiali, il diamante presenta caratteristiche quali elevata resistività, elevata rigidità dielettrica, bassa costante dielettrica e bassa dilatazione termica. La sua applicazione nella gestione termica può soddisfare i requisiti di sviluppo di assemblaggi ad alta densità e altamente integrati nel settore elettronico in rapida evoluzione. La lavorazione laser consente di ottenere una lavorazione di alta qualità delle microstrutture del diamante. Si tratta di una tecnologia di produzione avanzata attualmente oggetto di ricerca sia a livello nazionale che internazionale.

Tecnologia di rettifica e lucidatura di substrati diamantati

I dispositivi a semiconduttore includono principalmente circuiti integrati, dispositivi di potenza, dispositivi optoelettronici e sensori, ecc. I dispositivi di potenza sono ampiamente utilizzati nei settori aerospaziale, militare e della difesa nazionale, dell'energia, del trasporto ferroviario e dell'Internet delle cose (IoT). Il wafer di semiconduttore è il supporto del dispositivo a semiconduttore, e il substrato di semiconduttore è il supporto del wafer di semiconduttore. Il substrato è la base epitassiale dei dispositivi a semiconduttore, che determina direttamente la qualità e le prestazioni del dispositivo.

Lavorazione ultraprecisa

Gli oggetti della lavorazione di ultra-precisione sono generalmente materiali di diamante di piccole dimensioni, che risultano troppo costosi per l'industrializzazione e non si prestano all'applicazione industriale. Per applicare con successo il diamante alla dissipazione del calore dei dispositivi di potenza e raggiungere l'industrializzazione, è fondamentale acquisire materiali di base per la dissipazione del calore di grandi dimensioni, a livello di wafer, con una buona qualità superficiale. Inoltre, con l'aumentare del livello di integrazione dei circuiti su substrati di diamante, i requisiti di qualità superficiale aumenteranno progressivamente. La rugosità superficiale raggiungerà livelli dell'angstrom o addirittura inferiori, e la deformazione superficiale arriverà a 5 μm o meno.

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