Nu we het toch over diamanten hebben, ik denk dat veel mensen er niet bekend mee zijn. De redacteur is zelf niet in deze branche werkzaam en mijn kennis van diamanten beperkt zich tot hun perfecte structuur (PS: de redacteur is een professional in fluorescerende keramische materialen)....Het woord 'diamant', dat diep in de harten van mensen geworteld is, kan net zo goed veranderd worden in 'BlingBling', vol verleiding.

De eeuwenoude zwendel van "diamanten zijn voor altijd" heeft het talent van diamantbewerkers de nek omgelegd en hen overgekwalificeerd. Je denkt dat hij een rijk man is, maar in feite is hij een koning.Het toepassingsgebied van diamant in de industrie is veel groter dan dat in de sieradenindustrie.Vooral in toekomstige, uiterst nauwkeurige toepassingen hebben diamantmaterialen een groot potentieel.

In het tijdperk na Moore heeft de ontwikkeling van koolstofgebaseerde elektronica veel aandacht gekregen. Op het gebied van nano-elektronica is aanzienlijke vooruitgang geboekt in het onderzoek naar koolstofgebaseerde nano-elektronica, met name eendimensionale koolstofnanobuisjes en tweedimensionaal grafeen.In the field of power electronics, research on diamond power electronics, which is known for ending semiconductors, is also showing great vitality, showing its potential to become the next generation of power electronics.

Er is een reden waarom diamanthalfgeleiders door de industrie als de ultieme halfgeleider worden beschouwd. Het huidige onderzoek richt zich voornamelijk op de eigenschappen van diamant zelf.

(Afbeelding uit de PowerPoint-presentatie van Carbontech 2020 door professor Zhang Jinfeng van de Xi'an Universiteit voor Elektronische Wetenschap en Technologie)

Diamant is een halfgeleidermateriaal met een ultrabrede bandgap van 5.5 eV, wat groter is dan die van halfgeleidermaterialen met een brede bandgap zoals GaN en SiC. Zoals in de onderstaande tabel te zien is, is de bandgap van diamant 5 keer zo groot als die van silicium; de ladingsdragerbewegelijkheid is ook 3 keer zo groot als die van silicium. Theoretisch gezien is de ladingsdragerbewegelijkheid van diamant meer dan 2 keer hoger dan die van bestaande halfgeleidermaterialen met een brede bandgap (GaN, SiC). Tegelijkertijd heeft diamant een extreem lage intrinsieke ladingsdragerconcentratie bij kamertemperatuur. Bovendien heeft diamant, naast de hoogste hardheid, ook de hoogste thermische geleidbaarheid van alle halfgeleidermaterialen, namelijk 7.5 keer die van aluminiumnitride (AlN). Op basis van deze uitstekende prestatieparameters wordt diamant beschouwd als het meest veelbelovende materiaal voor de ontwikkeling van de volgende generatie elektronische apparaten met hoog vermogen, hoge frequentie, hoge temperatuur en laag vermogensverlies, en wordt het door de industrie geprezen als de "ultieme halfgeleider".

Met name het 5G-communicatietijdperk ontvouwt zich in rap tempo, en de toepassing van diamant-eenkristalmaterialen in halfgeleiders en hoogfrequente vermogenscomponenten wordt steeds belangrijker. Diamant-eenkristallen en -producten vormen een belangrijke materiële basis voor de uitvoering van belangrijke nationale strategieën zoals ultraprecisiebewerking en slimme netwerken, en voor de modernisering van industriële sectoren zoals intelligente productie en 5G-communicatie. De doorbraak en industrialisatie van deze technologie zijn van groot belang voor de onafhankelijke positie van de Chinese intelligente productie- en big data-industrie.

met dit doel voor ogen, Onderzoeksrichtingen die diamantmaterialen vereisenGroot formaat, weinig defecten, lage soortelijke weerstand en hoge thermische geleidbaarheid.ontwikkelingsrichting.

Het huidige onderzoek naar diamanthalfgeleidermaterialen en -apparaten richt zich hoofdzakelijk op de volgende aspecten:

De bereidingsmethoden van diamant worden hoofdzakelijk onderverdeeld in de hogetemperatuur- en hogedrukmethode (HPHT) en de plasma-chemische dampafzettingsmethode (PCVD). Vergeleken met de HPHT-methode en andere PCVD-methoden,MPCVD is een elektrodeloos ontladingsproces, milieuvriendelijk en biedt een sterke controle over de epitaxiale groei. Het heeft duidelijke voordelen bij de bereiding van grote, zeer zuivere diamanten en bij onderzoek naar dotering. Het is de voorkeursmethode voor de bereiding van hoogwaardige diamanten voor diverse toepassingen..

Wat betreft de ontwikkeling van sleuteltechnologieën en de commercialisering van geavanceerde MPCVD-apparatuur, nemen teams uit Japan, de Verenigde Staten, Duitsland en andere landen een leidende positie in. Onder hen bekleedt het Japanse bedrijf Seki een wereldwijde leidende positie in de ontwikkeling en toepassing van MPCVD-apparatuur met een vlak kwartsvenster en CAP-type MPCVD-apparatuur. Wat betreft de ontwikkeling en toepassing van MPCVD-apparatuur met een kwartsbel, heeft het Asmussen-team van de Michigan State University in de Verenigde Staten een hogedruk-MPCVD-apparaat (>2.4 × 10⁻⁶) ontwikkeld.4Pa) werkt in een microgolfplasma-resonantieholte met een hoge vermogensdichtheid om diamant met hoge snelheid af te zetten.

Wat betreft de ontwikkeling en toepassing van MPCVD-apparaten met een kwartsring, zijn de MPCVD-apparaten van Plassys uit Frankrijk en iPlas uit Duitsland zeer representatief. De apparatuur van iPlas heeft een microgolfspleetkoppelingsstructuur en is geschikt voor de productie van grote diamanten, maar de depositiesnelheid is niet bijzonder ideaal. Op het gebied van onderzoek en ontwikkeling van MPCVD-apparatuur met een ellipsoïdale resonantieholte hebben het Fraunhofer Instituut en Aixtron uit Duitsland altijd een wereldwijd topniveau bereikt. In vergelijking met MPCVD-apparatuur met een kwartsbel- of kwartsringstructuur is apparatuur met deze structuur geschikt voor het combineren van microgolfbronnen met hogere vermogensniveaus, wat gunstig is voor het verkrijgen van een groter plasmaoppervlak.Het verkrijgen van uniform, stabiel en grootschalig microgolfplasma is het ultieme doel van ontwikkelaars van MPCVD-apparatuur.

De afgelopen jaren hebben binnenlandse onderzoeksteams die zich bezighouden met de ontwikkeling van MPCVD-apparatuur bepaalde resultaten geboekt bij de ontwikkeling van nieuwe MPCVD-resonantieholtes. In vergelijking met geavanceerde buitenlandse teams zijn er echter maar weinig binnenlandse bedrijven of instellingen die de technische moeilijkheden voor grootschalige commerciële massaproductie hebben overwonnen. Daarom...Doorbraken in sleuteltechnologieën, zoals het onafhankelijk geoptimaliseerde ontwerp van microgolfplasmaresonatoren en de verbetering van processen voor de preparatie van grote diamanten, vereisen dringend voortdurende investeringen en onderzoek door relevante binnenlandse teams. Er valt nog een lange weg te gaan.

Als halfgeleidermateriaal verschillen de bereidingseisen en toepassingsmogelijkheden van diamantmonokristallijn en polykristallijn diamantmateriaal aanzienlijk.

Bereidingsmethode van CVD-polykristallijne diamantfilm, inclusiefHoogvermogen DC-boogplasmastraal-CVD, hete draad-CVD en MPCVD, enz.Voor de bereiding van optische en elektronische polykristallijne diamantfilms is een ideale depositiesnelheid en een extreem lage of beheersbare defectdichtheid vereist. MPCVD zonder elektrodeverontreiniging zal onvermijdelijk een ideale methode worden voor de bereiding van elektronische en optische diamantfilms. De groeisnelheid van polykristallijn diamant is echter laag en de consistentie van de kristaloriëntatie is cruciaal voor de verwerking, waardoor het lastig te verwerken is.

Element Six heeft momenteel de commerciële massaproductie van 4-inch polykristallijn diamant van elektronische kwaliteit bereikt. Het team van Li Chengming van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Peking, het team van Wang Jianhua van de Technische Universiteit van Wuhan en het team van Yu Shengwang van de Technische Universiteit van Taiyuan hebben alle drie resultaten geboekt in het onderzoek naar de MPCVD-bereiding van polykristallijne diamantfilms van optische kwaliteit. Hoewel er nog steeds een kloof bestaat tussen de Chinese polykristallijne diamantfilms van optische en elektronische kwaliteit en het internationale geavanceerde niveau, kunnen de door de Chinese en bovengenoemde teams ontwikkelde polykristallijne diamantfilms van optische kwaliteit voldoen aan de eisen van infrarood/radar dual-mode geleidingsvensters en krachtige CO₂-cellen.2Basisvereisten voor de toepassing van vensters voor laserbewerkingsmachines en vensters voor krachtige magnetrons.

In vergelijking met de zware bereidings- en toepassingsomstandigheden van optische en elektronische polykristallijne diamantfilms, worden polykristallijne diamantfilms veel vaker gebruikt als koelplaten voor de warmteafvoer van halfgeleidervermogenscomponenten, en de vraag ernaar is groter en urgenter. Het huidige technische niveau van de precipitatie ervan is bovendien relatief eenvoudig te bereiken.

Bovendien is het kostenvoordeel van polykristallijn diamant aanzienlijk groter dan dat van monokristallijn diamant. De afgelopen 30 jaar is er onafgebroken onderzoek gedaan naar de toepassing van MPCVD-polykristallijne diamantfilms als koelplaten in halfgeleidercomponenten. Momenteel worden siliciumgebaseerde polykristallijne diamantfilms van 2,5 mm (inch-formaat) gebruikt in HEMT-componenten, waardoor de RF-vermogensdichtheid van deze componenten aanzienlijk is verbeterd en meer dan 23 W/mm² bedraagt. De afmetingen van de geproduceerde polykristallijne diamantfilms van koelplaatkwaliteit kunnen momenteel oplopen tot 20 cm (8 inch). Met de verbetering en modernisering van de MPCVD-technologie wordt verwacht dat deze compatibel zal zijn met de bestaande productielijnen voor de productie van 20 cm (8 inch) halfgeleiderwafels, wat uiteindelijk zal leiden tot een grootschalige toepassing en verdere ontwikkeling van polykristallijne diamant als koelplaatmateriaal in de halfgeleiderindustrie.

Vergeleken met polykristallijn diamant heeft enkelkristaldiamant (SCD) zonder korrelgrensbeperkingen betere optische en elektrische eigenschappen. Het heeft uitstekende toepassingsmogelijkheden in geavanceerde wetenschappelijke en technologische gebieden, zoals stralingsdetectoren voor kwantumcommunicatie/kwantumcomputers, koudkathode-veldemissiedisplays, halfgeleiderlasers, multidimensionale geïntegreerde schakelingen voor supercomputer-CPU-chips en thermisch geleidende steunstaven voor krachtige militaire radarsystemen met microgolfbuizen. De productie van grote en hoogwaardige SCD is hiervoor een vereiste.

As a diamond wafer, its size must be more than 2 inches. At present, the main technologies for preparing large-size diamonds and wafers areHomo-epitaxiale groei, mozaïekwafelbereiding en hetero-epitaxiale groeien andere technologieën.

MozaïekverbindingsmethodeAs a highly feasible method for preparing large-size SCDs, the splicing and growth of multiple uniform substrates, combined with lift-off technology, has enabled the preparation of large-size SCDs. At present, single crystal wafers up to 2 inches have been achieved. However, high uniformity requirements for the substrate and the existence of grain boundaries will lead to problems such as stress and defects at the splicing joint, which affects the quality of the SCD spliced ​​sheets. In addition, the cost is high, peeling technology needs to be injected, and the yield is very low.

(Afbeelding uit de PowerPoint-presentatie van Carbontech 2020 door professor Zhang Jinfeng van de Xi'an Universiteit voor Elektronische Wetenschap en Technologie)

Synthetiseer hoogwaardigehomo-epitaxialeDiamantlagen vormen een belangrijke technologie voor de productie van elektronische componenten met diamant. Ze kenmerken zich door een lage defectdichtheid en een maximale afmeting van 0.5 inch (1 inch = 2.54 cm). Bij de homo-epitaxiale productie van eenkristaldiamant is het losmaken van het diamantsubstraat een cruciale, maar relatief lastige stap. Omdat het substraat zelf ook uit extreem hard diamant bestaat, kan het niet met gewone snijmethoden worden gesneden. Veelgebruikte methoden zijn mechanisch polijsten en lasersnijden.

(Afbeelding uit de PowerPoint-presentatie van Carbontech 2020 door professor Zhang Jinfeng van de Xi'an Universiteit voor Elektronische Wetenschap en Technologie)

Naast homo-epitaxiale groei is hetero-epitaxiale groei ook een effectieve methode voor het kweken van grote oppervlakken enkelkristallijn diamant. Hetero-epitaxiale groei verwijst naar het gebruik van bufferlagen op Si, saffier, MgO en andere substraten om de thermische mismatch en rooster mismatch tussen diamant en substraat te verminderen, en uiteindelijk de groei van enkelkristallijne diamantfilms te realiseren. De meest effectieve bufferlaag is Ir, enzovoort. Theoretisch gezien kan met deze methode enkelkristallijn diamant met een voldoende groot oppervlak worden gekweekt om te voldoen aan de industrialisatiebehoeften in de elektronicasector. Het belangrijkste nadeel is de hoge defectdichtheid.

Na doorbraken in sleuteltechnologieën zoals stikstoftoevoeging voor snelle groei, pulsontlading voor zeer efficiënte groei en ionenimplantatie voor strippen in de microgolfplasma-chemische dampafzettingstechnologie (MPCVD), is in de afgelopen 10 jaar multidirectionele, repetitieve, driedimensionale MPCVD-epitaxiale groei met hoge snelheid (groeisnelheid 100 μm·h) bereikt.-1), innovatieve technologieën zoals de groei van grote, dikke en polykristallijne diamantranden en het gebruik van plasma-CVD in (H, C, N, O)-systemen gedurende 200 uur zonder grenzen en met continue groei.

Voor halfgeleidercomponenten op basis van diamant is het doteren van diamantmaterialen de basistechnologie voor het vervaardigen van vermogenscomponenten.Het grootste probleem bij de commercialisering van diamanthalfgeleiders is dat efficiënte bulkdotering van diamant nog niet is opgelost. Het is gemakkelijk om P-type transistors te produceren, maar moeilijk om N-type transistors te produceren..De p-type doteringstechnologie van diamant is relatief volwassen, waarbij booratomen de belangrijkste doteringsstof zijn. Bij p-type diamant kunnen boorverontreinigingen gemakkelijk worden geïntegreerd in natuurlijke diamant en MPCVD-diamant, zonder dat er problemen met de kristaloriëntatie ontstaan. De activeringsefficiëntie van boor bij kamertemperatuur is echter minder dan 0.1%. Er bestaat een afwegingsrelatie tussen de doteringsconcentratie en de mobiliteit van boor in diamant. Een te hoge doteringsconcentratie leidt vaak tot een snelle afname van de mobiliteit. Wanneer de boordoteringsconcentratie 10 is,19 cm-3De mobiliteit wordt beperkt tot 100 cm.2· V -1· s-1het volgende.

(Afbeelding uit de PowerPoint-presentatie van Carbontech 2020 door professor Zhang Jinfeng van de Xi'an Universiteit voor Elektronische Wetenschap en Technologie)

Geselecteerd op basis van de positie van het koolstofatoom (covalente straal 0.077 nm) in het periodiek systeem der elementen, is het stikstofatoom (N) (0.075 nm) het dichtstbijzijnde atoom, waardoor het ook een gunstige kandidaat is voor n-type dotering van diamant. Na dotering worden de N-atomen die de C-atomen in diamant vervangen echter vervormd door het Jahn-Teller-effect, waardoor het lokale rooster scheef gaat en de N-atomen afwijken van hun oorspronkelijke positie. Het doteringsenergieniveau is erg laag, 1.7 eV, waardoor het moeilijk is om elektriciteit te geleiden bij kamertemperatuur.

(Afbeelding uit de PowerPoint-presentatie van Carbontech 2020 door professor Zhang Jinfeng van de Xi'an Universiteit voor Elektronische Wetenschap en Technologie)

Met de voortdurende ontwikkeling van diamanthalfgeleidertechnologie zullen knelpunten zoals n-type doteringstechnologie, de bereiding van grote en hoogwaardige eenkristallen en de epitaxietechnologie voor zeer vlakke en uniforme materialen in de toekomst ongetwijfeld worden overwonnen, waardoor diamantelektronica met een hoger vermogen mogelijk wordt. Dit is echter onlosmakelijk verbonden met de onophoudelijke inspanningen van wetenschappelijk onderzoek!

vermogensdiodeDe afgelopen tien jaar heeft de vooruitgang in CVD-diamantmaterialen, met name op het gebied van grote afmetingen, lage defecten en hoge dotering, de ontwikkeling van diamantdiodes direct gestimuleerd. Deze diodes kenmerken zich door een hoge doorslagspanning, hoge doorslagveldsterkte, lage aanweerstand, hoge schakelsnelheid en hoge bedrijfstemperaturen. Zowel SBD's als pn-junctiediodes zijn in ontwikkeling, waarbij de ontwikkeling van diamant-SBD's sneller verloopt en zich al in de experimentele fase van de eerste toepassingen bevindt.

De belangrijkste reden voor de lage doorslagspanning van diamantdiodes en -transistoren (minder dan 500 V) is de moeilijkheid om de doteringsstoffen in diamant te beheersen.Diamant is het materiaal met de hoogste atoomdichtheid op aarde. Afgezien van een paar kleine atomen zoals de elementen H, P, N en Si, is het moeilijk om andere grote atomen in het kristal op te nemen.

Diamant-pindiodeHet is een geavanceerd apparaat dat geschikt is voor toepassingen met hoog vermogen, met dien verstande dat het kritische elektrische veld 3 MV·cm bedraagt.-1(SiC theoretische limiet) kan de serieweerstand van diamant-pindiodes ook aanzienlijk worden verlaagd door gebruik te maken van een sterk gedoteerde laag. De afgelopen 10 jaar heeft de diamant-pindiode-technologie grote vooruitgang geboekt, zoals doorbraken in de bereiding van sterk gedoteerde p+- en n+-lagen met overgangsgeleidingsmechanismen; dragertransportmechanismen van diamant-p+-i-n+-junctiediodes met lage weerstandsovergangsgeleiding; materiaalstructuuroptimalisatie van Schottky-diamant-pn-diodes (SPND); selectieve groei van n+; onderzoek naar het mechanisme van de impact van interfacedefecten van lagen en pn-junctiediodes op lekstroom in omgekeerde richting; onderzoek naar herstel in omgekeerde richting en de levensduur van minderheidsdragers in diamant-pindiodes; onderzoek naar het mechanisme van ongelijke Schottky-barrièrehoogte in diamant-Schottky-pindiodes (SPIND) en andere sleuteltechnologieën.

Vermogenstransistors en logische schakelingen

Diamanttransistoren hebben vooruitgang geboekt op het gebied van zowel vermogenselektronica als microgolfelektronica. Op het gebied van vermogenselektronica is de ontwikkelingsrichting gericht op componenten met een hoge doorslagspanning, hoge doorslagveldsterkte, hoge bedrijfstemperatuur, lage aanweerstand, hoge schakelsnelheid en normaal-uit-stand.Diamanttransistoren zijn hoofdzakelijk samengesteld uit verschillende soorten FET's, waaronderMetaal-halfgeleider veldeffecttransistoren (MESFETs), MOSFETs en JFETsenzovoort. Er zijn twee soorten kanalen: diamant met waterstofterminaloppervlak, tweedimensionaal gatengas en p-type gedoteerde laag. Met de ontwikkeling van n-type gedoteerde materialen zijn bipolaire diamantapparaten verschenen en recentelijk zijn er heterojunctie bipolaire transistoren ontwikkeld. Op het gebied van microgolfelektronica zijn waterstof-getermineerde FET's dominant en worden ze verder ontwikkeld richting hoge fT/fmax en hoge vermogensdichtheid.

Diamanten MESFET's gebruiken een Schottky-barrière om het kanaal te moduleren en te controleren. Recente technologische vooruitgang omvat: de combinatie van een grote gate-drain-afstand en een licht gedoteerd p-kanaal, onderzoek naar het effect van een kleinere gate-source-afstand, het doorstaan ​​van experimenten met 14.8 MeV-neutronenbestraling, een hogere boordopingconcentratie en een goede technologie voor de epitaxiale kanaallaag aan het oppervlak, en het gloeien van boorgeoxideerde diamanten MESFET's bij hoge temperaturen.

Diamant-MOSFETHet is de meest bestudeerde diamanttransistor, die gebruikmaakt van een MOS-poortbesturingsstructuur om de lekstroom van de poort te onderdrukken. De laatste jaren wordt de diamant-MOSFFT gedomineerd door apparaten met een waterstof-afgesloten kanaal en zijn er doorbraken bereikt in een reeks sleuteltechnologieën, zoals de zeer stabiele Al2O3-poortoxidelaagstructuur.

Voor vermogenscomponenten die werken bij hoge spanningen en hoge temperaturen, is de JFET met diamantkanaal, die stabieler is dan JFET's met oppervlaktekanaal, voordeliger.

Diamant BJTHet is een van de belangrijkste vermogensschakelcomponenten. In vergelijking met waterstof-getermineerde diamant-FET's hebben diamantgebaseerde BJT's geen gate-diëlektrische laag, waterstof-getermineerde oppervlaktegeleidbaarheid en geleidbaarheidsmodulatie-effecten die injectie van minderheidsdragers mogelijk maken, wat resulteert in een potentieel lagere aanweerstand. Een belangrijke parameter van vermogens-BJT's is de versterkingsfactor van de gemeenschappelijke emitterstroom, waardoor stroomversterking mogelijk is in vergelijking met diamant-FET's, wat het vermogensvereiste van het aansturingscircuit verlaagt.

diamant logische schakelingDe ontwikkeling van diamantlogicacircuits is de eerste stap in de ontwikkeling van diamant-IC's. Met de ontwikkeling van verbeterde diamant-MISFET's is het onderzoek en de ontwikkeling van diamantlogicacircuits in een stroomversnelling geraakt.

RF FETDiamant heeft halfgeleidereigenschappen zoals een hoge thermische geleidbaarheid, een hoge doorslagsterkte en een hoge ladingsdragerverzadigingssnelheid. Om deze reden behoren hoogfrequente en hoogvermogenscomponenten van diamant tot de belangrijkste onderzoeksthema's binnen de diamantelektronica.

GaN op diamant HEMT:De covalente bindingen tussen diamantatomen zijn extreem sterk, waardoor de starre structuur een hoge trillingsfrequentie heeft. De karakteristieke Debye-temperatuur bedraagt ​​maar liefst 2200 K. De fononverstrooiing is gering, waardoor de weerstand tegen warmtegeleiding via fononen extreem laag is. De thermische geleidbaarheid is vijf keer zo hoog als die van koper, tot wel 2000 W/(m·K). Na bijna twee decennia van ontwikkeling is GaN, een halfgeleider met een brede bandgap, uitgegroeid tot de huidige standaard voor microgolfelektronica. De problemen met thermisch beheer vormen echter het grootste obstakel voor verdere ontwikkeling. Daarom is de combinatie van de thermische geleidbaarheidsvoordelen van diamant met een ultrabrede bandgap en GaN-technologie onmisbaar geworden voor de ontwikkeling van de volgende generatie GaN-microgolfelektronica. Het biedt tevens een basis voor de voortdurende ontwikkeling van GaN-microgolfelektronica.2O3Geef een referentie voor thermisch beheer van elektronische apparaten, enz. Diamantmaterialen kunnen worden gebruikt als materialen voor thermisch beheer van vermogenselektronica en worden ontwikkeld in de richting van grotere afmetingen, lage thermische weerstand van de interface en hoge thermische geleidbaarheid.

...

Met de wijdverspreide toepassing van halfgeleiders van de derde generatie en de komst van het 5G-tijdperk staan ​​traditionele materialen voor thermisch beheer van elektronische verpakkingen en zelfs chipmaterialen voor enorme uitdagingen op het gebied van modernisering. Geavanceerde koolstof en composietmaterialen, die de afgelopen jaren snel aan populariteit hebben gewonnen, zullen een belangrijke rol spelen op het gebied van warmteafvoer van krachtige, hoogfrequente opto-elektronische apparaten en ideale materialen voor thermisch beheer worden in de elektronica-industrie! (Denk hierbij aan koelplaatmaterialen, verpakkingsmaterialen, basismaterialen, enz.).

(Afbeelding uit de PowerPoint-presentatie van het Carbontech 2020-rapport door professor Wang Chengyong van de Guangdong University of Technology)

Diamanten warmteafvoersubstraat in GaN-gebaseerde vermogenscomponenten:De volledige prestaties van op galliumnitride (GaN) gebaseerde vermogenscomponenten worden beperkt door de lage thermische geleidbaarheid van het substraat waarop GaN wordt afgezet. Chemische dampafzetting (CVD) van diamant met een hoge thermische geleidbaarheid is een uitstekende keuze gebleken voor thermische diffusiesubstraten voor GaN-vermogenscomponenten. Onderzoekers hebben diverse technische studies verricht naar de combinatie van diamant met een hoge thermische geleidbaarheid en GaN-componenten, met name op het gebied van lage-temperatuurverbindingstechnologie, substraattransfertechnologie voor het direct laten groeien van diamant op de achterkant van de GaN-epitaxiale laag, GaN-epitaxiale technologie met enkelkristaldiamant en warmteafvoertechnologie met een passiveringslaag van diamant met een hoge thermische geleidbaarheid.

Het direct laten groeien van diamant op de achterkant van de GaN-epitaxiale laag resulteert in een goede hechtsterkte van de interface, maar brengt technische moeilijkheden met zich mee, zoals hoge temperaturen, hoge waferspanning en een hoge thermische weerstand van de interface. De technologie voor epitaxiale GaN-groei op basis van enkelkristaldiamant en de warmteafvoertechnologie met behulp van een passiveringslaag van diamant met een hoge thermische geleidbaarheid worden respectievelijk beperkt door de kleine afmetingen, de hoge kosten en de procesincompatibiliteit van enkelkristaldiamant. Daarom zal de ontwikkeling van goedkope, grote diamantsubstraten, het verbeteren van de technologie voor het beheersen van waferspanning en de hechtsterkte van de interface, het verlagen van de thermische weerstand van de interface en het verbeteren van de prestaties van GaN-componenten op diamantsubstraten de focus vormen van toekomstige ontwikkelingen in de technologie voor het verbinden van diamant en GaN-componenten.

(Afbeelding uit de PowerPoint-presentatie van Carbontech 2020 door professor Zhang Jinfeng van de Xi'an Universiteit voor Elektronische Wetenschap en Technologie)

Diamond packaged semiconductor laser

When a high-power semiconductor laser is working, the active area will generate a large amount of heat, which will reduce the output power of the laser and shorten its service life. Diamond has high thermal conductivity characteristics. Using it as a transition heat sink will improve the heat dissipation capacity of the device, reduce thermal resistance, increase laser output power, and extend laser life.

Raman-laseronderzoek met diamanten:Gestimuleerde Ramanverstrooiing is een belangrijk niet-lineair optisch effect. Met gestimuleerde Ramanverstrooiing kan een vaste frequentieverschuiving van alle invallende fotonen worden bereikt zonder dat faseaanpassing nodig is. Het is een belangrijke technologie voor het verbreden van het gebruiksbereik van lasers. Onderzoek in deze richting is een belangrijk aandachtspunt geworden in de ontwikkeling van lasertechnologie.

Diamant is een kristallijn Raman-materiaal met uitstekende prestaties en heeft de grootste Raman-frequentieverschuiving van 1332.3 cm⁻¹ onder de bekende kristallijne materialen.-1De Raman-versterkingslijnbreedte bedraagt ​​ongeveer 1.5 cm bij kamertemperatuur.-1De Raman-versterking van diamant vertoont polarisatieselectiviteit. Wanneer de polarisatierichting van het pomplicht parallel loopt aan de <111>-richting van het diamantkristal, is de Raman-versterking maximaal (10 cm/GW@1 μm) en wordt lineair gepolariseerd Raman-licht uitgezonden. Diamant heeft een extreem hoge thermische geleidbaarheid en het vermogen tot ultrasnelle warmteafvoer is cruciaal voor diamantkristallen om een ​​hoge Raman-versterking te behouden en een laseroutput van hoge kwaliteit te verkrijgen bij hoge vermogens.

Vergelijking tussen gangbare laser-Raman-kristallen en diamant

De afgelopen jaren is, dankzij de verbetering van de chemische dampafzettingstechnologie, de optische kwaliteit van kunstmatig diamant snel verbeterd. Diamantkristallen van optische kwaliteit vertonen bovendien uitstekende mogelijkheden voor vermogensverbetering, coherentieverhoging en frequentieomzetting, in combinatie met hun uitstekende Raman- en Brillouin-eigenschappen. Dit heeft ertoe geleid dat diamantlasers de thermische effecten van lasers met deeltjesaantalinversie op basis van traditionele materialen, evenals de moeilijkheid om golflengte en uitgangsvermogen in balans te brengen, grotendeels hebben kunnen overwinnen.

Warmteafvoersubstraat van enkelkristal diamant voor 3D-verpakkingen:

Hoewel het volgen van de Wet van Moore een algemeen aanvaard principe in de industrie is geworden, lijkt het voorstel van More Moore een nieuwe impuls te geven aan de ontwikkeling van de chipindustrie. More Moore verwijst in het algemeen naar het continu verkleinen van de afmetingen van chipstructuren. Dit omvat twee aspecten: het blijven verkleinen van de afmetingen van de structuren in de horizontale en verticale richting van de wafer om de dichtheid, prestaties en betrouwbaarheid te verbeteren; en het gebruik van procestechnologieën zoals 3D-structuren en nieuwe materialen om de elektrische prestaties van de wafer te beïnvloeden.

(Afbeelding uit de PowerPoint-presentatie van het Carbontech 2020-rapport, gemaakt door Jiangnan, onderzoeker aan het Ningbo Institute of Materials)

Elektronische verpakkingsmaterialen worden gebruikt om elektronische componenten en hun onderlinge verbindingen te beschermen. Ze dienen voornamelijk als mechanische ondersteuning, afdichting, warmteafvoer en afscherming. Ze hebben een zeer belangrijke invloed op de prestaties en betrouwbaarheid van geïntegreerde schakelingen. Met de ontwikkeling van elektronische technologie evolueren geïntegreerde schakelingen naar ultragrote, ultrasnelle, hoge dichtheid, hoog vermogen, hoge precisie en multifunctioneel, wat steeds hogere eisen stelt aan verpakkingsmaterialen. Het onderzoek en de ontwikkeling van hoogwaardige, multi-systeem verpakkingsmaterialen zoals diamant/koper, diamant/aluminium, diamant/siliciumcarbide, grafiet/koper, enz. is van groot belang voor de ontwikkeling van elektronische verpakkingsmaterialen in de richting van miniaturisatie, hoge prestaties, hoge betrouwbaarheid en lage kosten.

. . . . .

Diamantmaterialen en laserbewerkingstechnologie:In vergelijking met andere materialen heeft diamant de eigenschappen van een hoge soortelijke weerstand, een hoge doorslagsterkte, een lage diëlektrische constante en een lage thermische uitzetting. De toepassing ervan in thermisch beheer kan voldoen aan de eisen van de ontwikkeling van hoogwaardige en sterk geïntegreerde assemblages in de snelgroeiende elektronica-industrie. Laserbewerking maakt een hoogwaardige bewerking van diamantmicrostructuren mogelijk. Het is een geavanceerde productietechnologie die momenteel in binnen- en buitenland wordt onderzocht.

Diamantslijp- en polijsttechnologie

Halfgeleidercomponenten omvatten hoofdzakelijk geïntegreerde schakelingen, vermogenscomponenten, opto-elektronische componenten en sensoren, enzovoort. Vermogenscomponenten worden veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, defensie, energievoorziening, spoorvervoer en het internet der dingen. De halfgeleiderwafer is de drager van de halfgeleidercomponent, en het halfgeleidersubstraat is de drager van de halfgeleiderwafer. Het substraat vormt de epitaxiale basis voor halfgeleidercomponenten en bepaalt direct de kwaliteit en prestaties van de component.

Ultra-precieze bewerking

De objecten die bij ultraprecisiebewerking worden gebruikt, zijn doorgaans kleine diamantmaterialen. Deze zijn echter te kostbaar voor industrialisatie en niet geschikt voor industriële toepassingen. Om diamant succesvol te kunnen gebruiken voor de warmteafvoer van vermogenscomponenten en industrialisatie te realiseren, is de aanschaf van grote, wafer-achtige warmteafvoermaterialen met een goede oppervlaktekwaliteit cruciaal. Bovendien zullen de eisen aan de oppervlaktekwaliteit geleidelijk toenemen naarmate de mate van circuitintegratie op diamantsubstraten toeneemt. De oppervlakteruwheid zal zich ontwikkelen tot angstromniveau of zelfs kleiner, en de oppervlaktevervorming zal 5 μm of kleiner bereiken.

Disclaimer: Dit artikel is overgenomen van "DT Semiconductor Materials", dat de bescherming van intellectuele eigendomsrechten ondersteunt. Vermeld de oorspronkelijke bron en auteur bij herpublicatie. Neem bij inbreuk op het auteursrecht contact met ons op zodat we het artikel kunnen verwijderen.