다이아몬드 이야기를 해보자면, 많은 사람들이 일상생활에서 다이아몬드에 대해 잘 알지 못할 것 같습니다. 저는 이 분야에 종사한 적이 없어서 다이아몬드에 대한 지식은 그 완벽한 구조 정도에 그칩니다. (참고로 저는 형광 세라믹 소재 전문가입니다.)...사람들의 마음속에 깊이 뿌리내린, 반짝반짝 빛나며 유혹으로 가득 찬 "다이아몬드"라는 단어 자체를 바꿔버리는 게 나을지도 몰라.

"다이아몬드는 영원하다"는 백 년 묵은 사기는 다이아몬드의 진정한 재능을 묻어버리고 과도하게 매끄럽게 만들어 버렸습니다. 당신은 그가 부자라고 생각하겠지만, 사실 그는 왕입니다.산업 분야에서 다이아몬드의 활용도는 보석 분야에서의 활용도보다 훨씬 더 크다.특히 미래의 고정밀 분야에서 다이아몬드 소재는 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

무어의 진화 이후, 탄소 기반 전자공학의 발전은 광범위한 주목을 받았습니다. 나노전자공학 분야에서는 특히 1차원 탄소 나노튜브와 2차원 그래핀을 중심으로 한 탄소 기반 나노전자공학 연구에서 상당한 진전이 이루어졌습니다.전력 전자 분야에서 반도체 소자를 소멸시키는 것으로 알려진 다이아몬드 전력 전자 연구가 큰 활력을 보이며 차세대 전력 전자 기술의 잠재력을 드러내고 있습니다.

다이아몬드 반도체가 업계에서 최고의 반도체로 불리는 데에는 이유가 있습니다. 현재 연구의 주요 초점은 다이아몬드 자체의 특성에 맞춰져 있습니다.

(시안 전자과학기술대학교 장진펑 교수의 Carbontech 2020 보고서 PPT에서 발췌한 이미지)

다이아몬드는 5.5 eV의 밴드갭 폭을 가진 초광대역 밴드갭 반도체 소재로, GaN이나 SiC와 같은 광대역 밴드갭 반도체 소재보다도 넓습니다. 아래 표에서 볼 수 있듯이, 다이아몬드의 밴드갭 폭은 Si의 5배이며, 전하 이동도 또한 Si의 3배에 달합니다. 이론적으로 다이아몬드의 전하 이동도는 기존의 광대역 밴드갭 반도체 소재(GaN, SiC)보다 2배 이상 높습니다. 또한, 다이아몬드는 상온에서 극히 낮은 고유 전하 농도를 나타냅니다. 뿐만 아니라, 최고 수준의 경도를 자랑할 뿐만 아니라, 반도체 소재 중 가장 높은 열전도율을 가지고 있는데, 이는 AlN의 7.5배에 해당합니다. 이러한 탁월한 성능 덕분에 다이아몬드는 차세대 고출력, 고주파, 고온, 저손실 전자 기기 제작에 가장 유망한 소재로 여겨지며, 업계에서는 "궁극의 반도체"로 불리고 있습니다.

특히 5G 통신 시대가 빠르게 도래함에 따라 반도체 및 고주파 전력 소자 분야에서 다이아몬드 단결정 소재의 응용이 점점 더 주목받고 있습니다. 다이아몬드 단결정 및 관련 제품은 초정밀 가공, 스마트 그리드 등 국가 주요 전략 구현과 지능형 제조, 5G 통신 등 산업군 고도화에 중요한 소재 기반이 됩니다. 이 기술의 획기적인 발전과 산업화는 중국의 지능형 제조 및 빅데이터 산업의 자립적 안정에 매우 중요한 의미를 지닙니다.

이를 위해, 다이아몬드 소재를 필요로 하는 연구 방향큰 크기, 낮은 결함, 낮은 저항률 및 높은 열전도율개발 방향.

다이아몬드 반도체 소재 및 소자에 대한 현재 연구는 주로 다음과 같은 측면에 초점을 맞추고 있습니다.

다이아몬드 제조 방법은 크게 고온 고압법(HPHT)과 플라즈마 화학 기상 증착법(PCVD)으로 나뉜다. HPHT법 및 다른 PCVD 방법과 비교했을 때,MPCVD는 전극 방전이 필요 없고, 오염이 없으며, 에피택시 제어 능력이 뛰어납니다. 특히 대형 고순도 다이아몬드 제조 및 도핑 연구에 있어 뚜렷한 장점을 지니고 있으며, 고품질 및 다분야 응용 다이아몬드 제조에 가장 적합한 방법입니다..

첨단 MPCVD 장비의 핵심 기술 개발 및 시장화 측면에서 일본, 미국, 독일 등의 연구팀이 선두에 서 있습니다. 특히, 평면 석영 창형 MPCVD 장비와 CAP형 MPCVD 장비의 개발 및 응용 분야에서는 일본의 세키(Seki)사가 세계적인 선두 자리를 차지하며 기술적 리더십을 유지하고 있습니다. 석영 벨형 MPCVD 장비의 개발 및 응용 분야에서는 미국의 미시간 주립대학교 아스무센(Asmussen) 연구팀이 고압(>2.4×10⁶) 장비를 개발했습니다.4Pa)는 고출력 밀도의 마이크로파 플라즈마 공진 공동에서 작동하여 고속 다이아몬드 증착을 달성합니다.

석영 링 MPCVD 장비의 개발 및 응용 측면에서 프랑스의 Plassys와 독일의 iPlas에서 생산한 MPCVD 장비는 매우 대표적입니다. 그중 iPlas 장비는 마이크로파 슬릿 결합 구조를 가지고 있어 대형 다이아몬드 제조에 적합하지만 증착 속도가 특별히 이상적이지는 않습니다. 타원형 공진 공동 MPCVD 장비의 연구 개발 분야에서는 독일의 프라운호퍼 연구소와 Aixtron이 항상 세계 최고 수준을 유지해 왔습니다. 석영 벨형 또는 석영 링형 MPCVD 장비와 비교했을 때, 이 구조를 가진 장비는 더 높은 출력의 마이크로파 전원과 매칭하기에 적합하여 더 넓은 플라즈마 영역을 얻는 데 유리합니다.균일하고 안정적이며 넓은 면적의 마이크로파 플라즈마를 얻는 것이 MPCVD 장비 개발자들의 궁극적인 목표입니다.

최근 몇 년 동안 국내 MPCVD 장비 개발 관련 연구팀들은 새로운 MPCVD 공진 공동 개발에서 일정 수준의 성과를 거두었습니다. 그러나 선진적인 해외 연구팀과 비교했을 때, 대규모 상용 양산에 이르는 기술적 난관을 극복한 국내 기업이나 기관은 드뭅니다. 따라서,마이크로파 플라즈마 공진기의 독자적인 최적화 설계 및 대형 다이아몬드 제조 공정 개선과 같은 핵심 기술의 획기적인 발전을 위해서는 국내 관련 연구팀의 지속적인 투자와 연구가 시급히 요구됩니다. 앞으로 탐구해야 할 길은 아직 멀습니다.

반도체 소재로서 다이아몬드 단결정과 다결정 소재의 제조 요건 및 응용 방향은 상당히 다릅니다.

CVD 다결정 다이아몬드 박막의 제조 방법 (다음 사항 포함)고출력 DC 아크 플라즈마 제트 CVD, 열선 CVD 및 MPCVD 등광학 및 전자 등급 다결정 다이아몬드 박막 제조에는 이상적인 증착 속도와 극히 낮거나 제어 가능한 결함 밀도가 요구됩니다. 전극 오염 방전이 없는 MPCVD는 전자 및 광학 등급 다이아몬드 박막 제조에 이상적인 방법으로 자리매김할 것입니다. 그러나 다결정 다이아몬드의 성장 속도는 느리고, 결정 배향의 균일성이 가공에 매우 중요하기 때문에 가공이 어렵습니다.

현재 Element Six는 4인치 전자 등급 다결정 다이아몬드의 상용 양산에 성공했습니다. 베이징 과학기술대학교의 리 청밍 연구팀, 우한 공업대학교의 왕 젠화 연구팀, 타이위안 공업대학교의 위 셩왕 연구팀 모두 MPCVD 공정을 이용한 광학 등급 다결정 다이아몬드 박막 제조 연구에서 상당한 성과를 거두었습니다. 국내 광학 및 전자 등급 다결정 다이아몬드 박막은 국제 선진 수준에는 아직 미치지 못하지만, 국내외 연구팀이 개발한 광학 등급 다결정 다이아몬드 박막은 적외선/레이더 이중 모드 유도 창, 고출력 CO2 방출 장치 등의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.2레이저 가공기 창 및 고출력 마이크로파 창의 기본 적용 요구 사항.

광학 등급 및 전자 등급 다결정 다이아몬드 박막의 까다로운 제조 및 적용 조건과 비교했을 때, 다결정 다이아몬드 박막은 반도체 전력 소자의 방열판으로 더욱 널리 사용되고 있으며, 수요 또한 더욱 높고 시급합니다. 또한, 현재의 석출 기술 수준은 비교적 쉽게 달성할 수 있습니다.

또한, 다결정 다이아몬드는 단결정 다이아몬드에 비해 제조 비용 측면에서 훨씬 유리합니다. 지난 30년간 반도체 소자의 방열판으로 MPCVD 다결정 다이아몬드 박막을 적용하는 연구는 끊임없이 진행되어 왔습니다. 현재 인치 크기의 Si 기반 다결정 다이아몬드 박막이 HEMT 소자에 사용되고 있으며, 이를 통해 소자의 RF 전력 밀도가 23W/mm 이상으로 효과적으로 향상되었습니다. 현재 제조 가능한 방열판용 다결정 다이아몬드 박막의 크기는 8인치에 달합니다. MPCVD 기술의 발전과 고도화를 통해 기존의 8인치 반도체 웨이퍼 제조 라인과 호환될 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 반도체 소재 산업에서 다결정 다이아몬드 방열판 소재의 대규모 적용 및 보급이 실현될 것입니다.

다결정 다이아몬드와 비교했을 때, 결정립 경계 제약이 없는 단결정 다이아몬드(SCD)는 더 우수한 광학적 및 전기적 특성을 지닙니다. 양자 통신/컴퓨팅 방사선 검출기, 냉음극 전계 방출 디스플레이, 반도체 레이저, 슈퍼컴퓨터 CPU 칩, 다차원 집적 회로, 군용 고출력 레이더 마이크로파 진행파관 열전도 지지봉 등 첨단 과학 기술 분야에서 뛰어난 응용 효과를 보여줍니다. 이러한 분야에서 대형 고품질 SCD를 제조하는 것은 필수적인 요건입니다.

다이아몬드 웨이퍼는 크기가 2인치 이상이어야 합니다. 현재 대형 다이아몬드 및 웨이퍼를 제조하는 주요 기술은 다음과 같습니다.동종 에피택시 성장, 모자이크 웨이퍼 준비 및 이종 에피택시 성장및 기타 기술.

모자이크 접합 방법대형 SCD(단결정 칩) 제작에 매우 효과적인 방법으로, 균일한 기판들을 접합 및 성장시킨 후 리프트오프 기술을 적용하는 방식이 개발되었습니다. 현재까지 최대 2인치 크기의 단결정 웨이퍼 제작이 가능해졌습니다. 그러나 기판의 높은 균일성 요구 조건과 결정립계의 존재는 접합부에 응력 및 결함을 유발하여 SCD 접합면의 품질 저하를 초래합니다. 또한, 이 방식은 비용이 높고, 박리 기술을 적용해야 하며, 수율이 매우 낮다는 단점이 있습니다.

(시안 전자과학기술대학교 장진펑 교수의 Carbontech 2020 보고서 PPT에서 발췌한 이미지)

고품질을 합성하세요동종상피다이아몬드 박막 증착은 다이아몬드 전자 소자를 제작하는 데 중요한 기술 중 하나입니다. 이 기술은 결함 밀도가 낮고 최대 크기가 0.5인치(1인치 = 2.54cm)에 달하는 특징을 가지고 있습니다. 단결정 다이아몬드의 동종 에피택시 성장 공정에서 기판으로부터 단결정 다이아몬드를 박리하는 것은 매우 중요한 단계이며, 동시에 상대적으로 어려운 과제입니다. 기판 또한 매우 단단한 단결정 다이아몬드이기 때문에 일반적인 절단 방법으로는 절단할 수 없습니다. 일반적으로 사용되는 방법으로는 기계적 연마와 레이저 절단이 있습니다.

(시안 전자과학기술대학교 장진펑 교수의 Carbontech 2020 보고서 PPT에서 발췌한 이미지)

동종 에피택시 성장 외에도 이종 에피택시 성장은 대면적 단결정 다이아몬드 성장에 효과적인 방법입니다. 이종 에피택시는 실리콘, 사파이어, 마그네슘 산화물 등의 기판 위에 버퍼층을 사용하여 다이아몬드와 기판 사이의 열팽창 계수 및 격자 불일치를 완화하고 궁극적으로 단결정 다이아몬드 박막을 성장시키는 방법입니다. 가장 효과적인 버퍼층으로는 이리듐(Ir) 등이 있습니다. 이론적으로 이 방법은 전자 기기 분야의 산업화 요구를 충족할 만큼 충분히 넓은 면적의 단결정 다이아몬드를 성장시킬 수 있습니다. 하지만 주요 단점은 결함 밀도가 높다는 것입니다.

지난 10년간 마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착(MPCVD) 성장 기술에서 질소 첨가 고속 성장, 펄스 방전 고효율 성장, 이온 주입 박리 등의 핵심 기술 분야에서 획기적인 발전이 이루어지면서 다방향 반복 3차원 MPCVD 고속 에피택셜 성장(성장 속도 100 μm·h)이 실현되었습니다.-1대형, 두꺼운 다결정 다이아몬드 가장자리의 성장 및 경계 없이 200시간 동안 연속 성장을 위한 (H, C, N, O) 시스템에서 플라즈마 CVD를 사용하는 것과 같은 혁신적인 기술.

다이아몬드 반도체 소자의 경우, 다이아몬드 소재의 도핑은 전력 소자를 형성하는 기본 기술입니다.다이아몬드 반도체 상용화의 가장 큰 문제는 다이아몬드의 효율적인 벌크 도핑이 아직 해결되지 않았다는 점입니다. P형 트랜지스터는 제조하기 쉽지만 N형 트랜지스터는 제조하기 어렵습니다..다이아몬드의 p형 도핑 기술은 비교적 성숙 단계에 있으며, 주요 도핑 물질은 붕소 원자입니다. p형 다이아몬드의 경우, 붕소 불순물은 천연 다이아몬드와 MPCVD 다이아몬드에 쉽게 통합될 수 있고 결정 배향 문제도 없지만, 상온에서 붕소의 활성화 효율은 0.1% 미만입니다. 다이아몬드 내 붕소의 도핑 농도와 이동도는 상충 관계를 가지며, 도핑 농도가 과도하면 이동도가 급격히 감소하는 경향이 있습니다. 붕소 도핑 농도가 10⁻⁶일 때19 cm-3이동 거리는 100cm로 제한됩니다.2·다섯 -1·NS-1다음과 같은.

(시안 전자과학기술대학교 장진펑 교수의 Carbontech 2020 보고서 PPT에서 발췌한 이미지)

주기율표에서 다이아몬드의 탄소(C) 원자(공유 결합 반지름 0.077 nm)의 위치를 ​​기준으로 가장 가까운 원자는 질소(N) 원자(0.075 nm)이므로, N 원자 역시 다이아몬드의 n형 도핑에 적합한 후보 물질입니다. 그러나 도핑 후, 다이아몬드에서 C 원자를 대체하는 N 원자는 얀-텔러 효과로 인해 변형되어 국부적인 격자가 비뚤어지고 N 원자가 원래 위치에서 벗어나게 됩니다. 도핑 에너지 준위가 1.7 eV로 매우 깊어 상온에서 전기 전도성이 떨어집니다.

(시안 전자과학기술대학교 장진펑 교수의 Carbontech 2020 보고서 PPT에서 발췌한 이미지)

다이아몬드 반도체 기술의 지속적인 발전과 함께, n형 도핑 기술, 대형 고품질 단결정 제조, 고평탄도 및 고균일성 소재 에피택시 기술과 같은 병목 현상은 앞으로 반드시 극복되어 더욱 강력한 성능을 지닌 다이아몬드 전자 장치가 구현될 것입니다. 하지만 이는 과학 연구자들의 끊임없는 노력 없이는 불가능할 것입니다!

전원 다이오드지난 10년간 CVD 다이아몬드 소재의 대형화, 저결함, 고농도 도핑 등의 기술 발전은 고항복전압, 고항복전계강도, 저온저항, 고속 스위칭, 고온 동작 등의 특성을 갖춘 다이아몬드 다이오드 개발을 직접적으로 견인해 왔습니다. SBD와 pn 접합 다이오드 모두 개발이 진행 중이며, 그중 다이아몬드 SBD는 개발 속도가 더욱 빨라 이미 초기 응용 실험 단계에 진입했습니다.

다이아몬드 다이오드와 트랜지스터의 항복 전압이 낮은 주된 이유(500V 미만)는 다이아몬드 내 도핑 물질을 제어하기 어렵기 때문입니다.다이아몬드는 지구상에서 원자 밀도가 가장 높은 물질입니다. 수소, 인, 질소, 규소와 같은 몇몇 작은 원자를 제외하고는, 다른 큰 원자를 결정 구조에 추가하기가 어렵습니다.

다이아몬드 핀 다이오드이 장치는 고출력 응용 분야에 적합한 고급 장치이지만, 임계 전기장이 3 MV·cm라는 점이 다릅니다.-1(SiC 이론적 한계치에서) 다이아몬드 핀 다이오드의 직렬 저항은 고농도 도핑층을 사용함으로써 크게 줄일 수 있습니다. 지난 10년간 다이아몬드 핀 다이오드 기술은 고농도 도핑된 p+ 및 n+ 층의 전이 전도 메커니즘 제조, 저저항 전이 전도도를 갖는 다이아몬드 p+-i-n+ 접합 다이오드의 전하 수송 메커니즘, 쇼트키 다이아몬드 pn 다이오드(SPND)의 재료 구조 최적화 설계, n+층의 선택적 성장, 계면 결함이 pn 접합 다이오드의 역방향 누설 전류에 미치는 영향 메커니즘 연구, 다이아몬드 핀 다이오드의 역회복 및 소수 캐리어 수명 연구, 다이아몬드 쇼트키 핀 다이오드(SPIND)의 불균일 쇼트키 장벽 높이 메커니즘 연구 등 핵심 기술 분야에서 큰 발전을 이루었습니다.

전력 트랜지스터와 논리 회로

다이아몬드 트랜지스터는 전력 전자 및 마이크로파 전자 분야 모두에서 상당한 발전을 이루었습니다. 전력 전자 분야에서는 높은 항복 전압, 높은 항복 전계 강도, 고온 동작, 낮은 온 저항, 높은 스위칭 속도 및 상시 오프(normally-off) 소자 개발 방향으로 나아가고 있습니다.다이아몬드 트랜지스터는 주로 다양한 종류의 FET로 구성되어 있으며, 여기에는 다음이 포함됩니다.금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(MESFET), MOSFET 및 JFET채널 유형에는 다이아몬드 수소 종단면 2차원 정공 가스 채널과 p형 도핑층 채널 두 가지가 있습니다. n형 도핑 재료의 발전과 함께 바이폴라 다이아몬드 소자가 등장하기 시작했으며, 최근에는 이종접합 바이폴라 트랜지스터가 개발되었습니다. 마이크로파 전자 분야에서 수소 종단 FET는 지배적인 소자이며, 높은 fT/fmax 및 고출력 밀도를 향해 개발되고 있습니다.

다이아몬드 MESFET는 쇼트키 장벽을 이용하여 채널을 변조하고 제어합니다. 최근 기술 발전에는 넓은 게이트-드레인 간격과 저농도 도핑된 p형 채널의 조합, 게이트-소스 간격 감소 효과에 대한 연구, 14.8 MeV 중성자 조사 실험 통과, 고농도 붕소 도핑 및 우수한 표면 에피택셜 채널층 기술, 그리고 붕소 도핑 다이아몬드 MESFET의 고온 어닐링 등이 포함됩니다.

다이아몬드 MOSFET다이아몬드 MOSFET 트랜지스터는 게이트 누설 전류를 억제하기 위해 MOS 게이트 제어 구조를 사용하는 가장 널리 연구되는 트랜지스터입니다. 최근 몇 년 동안, 수소 종단 채널 소자가 주를 이루며 고안정성 Al2O3 게이트 산화막 층 구조와 같은 여러 핵심 기술에서 획기적인 발전을 이루었습니다.

고전압 및 고온에서 작동하는 전력 소자의 경우, 표면 채널 소자보다 안정성이 더 높은 다이아몬드 바디 채널 소자인 JFET가 더 유리합니다.

다이아몬드 BJTBJT는 주요 전력 스위칭 소자 중 하나입니다. 수소 종단 다이아몬드 FET와 비교했을 때, 다이아몬드 기반 BJT는 게이트 유전체 층이 없고, 수소 종단 표면 전도성을 가지며, 소수 캐리어 주입을 가능하게 하는 전도도 변조 효과를 통해 잠재적으로 더 낮은 온 저항을 구현할 수 있습니다. 전력 BJT의 핵심 파라미터는 공통 이미터 전류의 증폭률인데, 이는 다이아몬드 FET에 비해 전류 증폭이 가능하여 구동 회로의 전력 소모를 줄일 수 있습니다.

다이아몬드 논리 회로다이아몬드 논리 회로 개발은 다이아몬드 IC 개발의 첫걸음입니다. 향상된 다이아몬드 MISFET의 개발과 함께 다이아몬드 논리 회로 연구 개발이 활발히 진행되어 왔습니다.

RF FET다이아몬드는 높은 열전도율, 높은 항복 전계 강도, 높은 전하 포화 속도와 같은 반도체 특성을 가지고 있습니다. 이러한 이유로 다이아몬드를 이용한 고주파 및 고출력 소자는 다이아몬드 전자공학 분야에서 연구의 핵심 주제 중 하나입니다.

다이아몬드 HEMT 상의 GaN:다이아몬드 원자 사이의 공유 결합은 매우 강하여, 견고한 구조에 높은 진동 주파수를 부여합니다. 데바이 특성 온도는 2200K에 달합니다. 포논 산란이 작아 포논을 매개로 한 열전도 저항이 극히 낮습니다. 열전도율은 구리의 5배에 달하는 2000W/(m·K)까지 이릅니다. 광대역 밴드갭 반도체인 GaN 마이크로파 전자 장치는 약 20년간의 개발 끝에 현재 주류 기술로 자리 잡았지만, 열 관리 문제는 그 발전을 가로막는 주요 장애물로 남아 있습니다. 따라서 초광대역 밴드갭 다이아몬드의 우수한 열전도율과 GaN 기술의 결합은 차세대 GaN 마이크로파 전자 장치 개발에 필수적이며, GaN 마이크로파 전자 장치의 지속적인 발전을 위한 기반을 제공합니다.2O3전자 기기 등의 열 관리 분야에 참고 자료를 제공합니다. 다이아몬드 소재는 전력 전자 기기의 열 관리 소재로 사용될 수 있으며, 대형화, 낮은 계면 열 저항, 높은 열전도율을 지향하는 방향으로 개발되고 있습니다.

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3세대 반도체의 광범위한 적용과 5G 시대의 도래로 기존 전자 패키징 열 관리 소재는 물론 칩 소재까지도 업그레이드 측면에서 막대한 도전에 직면하고 있습니다. 최근 급속도로 발전하고 있는 첨단 탄소 및 복합 소재는 고출력, 고주파 광전자 기기의 방열 분야에서 중요한 역할을 하며 전자 산업 전반에 걸쳐 이상적인 열 관리 소재로 자리매김할 것입니다! (방열판 소재, 패키징 소재, 기판 소재 등 포함)

(사진은 광둥공업대학교 왕청용 교수의 Carbontech 2020 보고서 PPT에서 발췌)

GaN 기반 전력 소자에 사용되는 다이아몬드 방열 기판:질화갈륨(GaN) 기반 전력 소자의 최대 성능은 GaN이 증착되는 기판의 낮은 열전도율에 의해 제한됩니다. 높은 열전도율을 지닌 화학 기상 증착(CVD) 다이아몬드는 GaN 전력 소자의 열 확산 기판 재료로 탁월한 선택으로 떠오르고 있습니다. 관련 연구자들은 저온 접합 기술, GaN 에피택셜 층 후면에 다이아몬드를 직접 성장시키는 기판 전사 기술, 단결정 다이아몬드 에피택셜 GaN 기술, 그리고 높은 열전도율 다이아몬드 패시베이션 층을 이용한 방열 기술 등 높은 열전도율 다이아몬드와 GaN 소자의 결합에 대한 다양한 기술 연구를 수행해 왔습니다.

GaN 에피택셜 층 후면에 다이아몬드를 직접 성장시키는 방식은 우수한 계면 접합 강도를 제공하지만, 고온, 높은 웨이퍼 응력, 높은 계면 열 저항과 같은 기술적 어려움이 따릅니다. 단결정 다이아몬드 에피택셜 GaN 기술과 고열전도성 다이아몬드 패시베이션 층의 방열 기술은 각각 단결정 다이아몬드의 작은 크기, 높은 비용, 공정상의 비호환성으로 인해 한계가 있습니다. 따라서 저비용의 대형 다이아몬드 기판 개발, 웨이퍼 응력 제어 기술 및 계면 접합 강도 향상, 계면 열 저항 감소, 그리고 다이아몬드 기판 GaN 소자의 성능 향상은 향후 다이아몬드-GaN 소자 접합 기술 개발의 핵심 과제가 될 것입니다.

(시안 전자과학기술대학교 장진펑 교수의 Carbontech 2020 보고서 PPT에서 발췌한 이미지)

다이아몬드 패키지 반도체 레이저

고출력 반도체 레이저가 작동할 때 활성 영역에서 많은 열이 발생하여 레이저 출력 감소 및 수명 단축을 초래합니다. 다이아몬드는 열전도율이 높은 특성을 가지고 있습니다. 이를 중간 방열판으로 사용하면 장치의 방열 능력을 향상시키고 열 저항을 감소시켜 레이저 출력을 증가시키고 수명을 연장할 수 있습니다.

다이아몬드 라만 레이저 연구:유도 라만 산란은 중요한 비선형 광학 효과입니다. 유도 라만 산란은 위상 정합 없이 ​​모든 입사 광자의 주파수를 일정하게 변화시킬 수 있습니다. 이는 레이저의 사용 대역폭을 확장하는 데 중요한 기술이며, 이 분야의 연구는 레이저 기술 개발의 핵심 연구 분야로 자리매김하고 있습니다.

탁월한 성능을 지닌 결정 라만 물질인 다이아몬드는 알려진 결정 물질 중에서 가장 큰 라만 주파수 변화인 1332.3 cm⁻¹를 나타냅니다.-1실온에서 라만 이득 선폭은 약 1.5cm입니다.-1다이아몬드의 라만 이득은 편광 선택성을 갖습니다. 펌프광의 편광 방향이 다이아몬드 결정의 <111> 방향과 평행할 때 라만 이득이 최대(10 cm/GW@1 μm)가 되며, 선형 편광된 라만광이 출력됩니다. 다이아몬드는 열전도율이 매우 높고, 초고속 열 방출 능력을 가지고 있어 고출력 작동 조건에서도 높은 라만 이득을 유지하고 고품질 레이저 출력을 얻을 수 있습니다.

일반적인 레이저 라만 결정과 다이아몬드의 비교

최근 화학 기상 증착(CVD) 제조 기술의 발전으로 인공 다이아몬드의 광학적 품질이 급속도로 향상되었습니다. 광학 등급 다이아몬드 결정은 우수한 라만 및 브릴루인 특성을 바탕으로 탁월한 출력 향상, 결맞음 증진 및 주파수 변환 능력을 보여주고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 다이아몬드 레이저는 기존 소재 기반의 입자 수 역전 레이저가 가지고 있던 열 효과와 파장 및 출력 균형 맞추기 어려움을 크게 극복할 수 있게 되었습니다.

단결정 다이아몬드 3D 패키징 방열 기판:

무어의 법칙을 따르는 것이 업계의 합의로 자리 잡은 가운데, '모어 무어(More Moore)'라는 개념은 반도체 제조 산업 발전에 새로운 활력을 불어넣고 있습니다. 모어 무어는 일반적으로 칩의 특징 크기를 지속적으로 축소하는 것을 의미하며, 이는 두 가지 측면을 포함합니다. 첫째, 웨이퍼의 수평 및 수직 방향으로 특징 크기를 지속적으로 줄여 밀도, 성능 및 신뢰성을 향상시키는 것이고, 둘째, 3D 구조 및 신소재 사용과 같은 공정 기술을 활용하여 웨이퍼의 전기적 성능을 개선하는 것입니다.

(사진은 닝보재료연구소의 장난 연구원이 발표한 카본테크 2020 보고서 PPT에서 발췌했습니다.)

전자 패키징 재료는 전자 부품과 그 연결을 감싸는 데 사용됩니다. 주로 기계적 지지, 밀봉 보호, 열 방출 및 차폐 기능을 제공하며, 집적 회로의 성능과 신뢰성에 매우 중요한 영향을 미칩니다. 전자 기술의 발전과 함께 집적 회로는 초거대, 초고속, 고밀도, 고출력, 고정밀 및 다기능으로 발전하고 있으며, 이에 따라 패키징 재료에 대한 요구 조건도 점점 높아지고 있습니다. 다이아몬드/구리, 다이아몬드/알루미늄, 다이아몬드/탄화규소, 흑연/구리 등과 같은 다중 시스템 고성능 패키징 재료의 연구 개발은 소형화, 고성능, 고신뢰성 및 저비용 방향으로 나아가는 전자 패키징 재료의 발전을 촉진하는 데 매우 중요합니다.

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다이아몬드 소재 및 레이저 가공 기술:다른 소재와 비교했을 때, 다이아몬드는 높은 저항률, 높은 절연 파괴 강도, 낮은 유전 상수, 그리고 낮은 열팽창률과 같은 특성을 지니고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 다이아몬드는 열 관리 분야에 적용될 수 있으며, 급속도로 발전하는 전자 산업의 고밀도 및 고집적 어셈블리 개발 요구를 충족시킬 수 있습니다. 레이저 가공은 다이아몬드 미세 구조의 고품질 가공을 가능하게 하는 첨단 제조 기술로, 현재 국내외에서 활발히 연구되고 있습니다.

다이아몬드 기판 연삭 및 연마 기술

반도체 소자는 주로 집적 회로, 전력 소자, 광전자 소자 및 센서 등으로 구성됩니다. 전력 소자는 항공우주, 군사 및 국방, 에너지, 철도 운송, 사물 인터넷(IoT) 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. 반도체 웨이퍼는 반도체 소자의 캐리어이며, 반도체 기판은 반도체 웨이퍼의 캐리어입니다. 기판은 반도체 소자의 에피택셜 성장을 위한 기반이 되며, 소자의 품질과 성능을 직접적으로 결정합니다.

초정밀 가공

초정밀 가공 대상은 일반적으로 크기가 작은 다이아몬드 소재인데, 이는 산업화하기에는 너무 비싸고 산업 응용에 적합하지 않습니다. 전력 소자의 방열에 다이아몬드를 성공적으로 적용하고 산업화를 이루기 위해서는 표면 품질이 우수한 대형 웨이퍼급 방열 기판 소재를 확보하는 것이 핵심입니다. 또한, 다이아몬드 기판 상의 회로 집적도가 높아질수록 표면 품질에 대한 요구 조건도 점차 높아질 것입니다. 표면 거칠기는 옹스트롬(Å) 수준 또는 그 이하로, 표면 변형은 5μm 이하로 감소할 것으로 예상됩니다.

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