Skoro mowa o diamencie, myślę, że wiele osób nie zna go osobiście. Redaktor nie wkroczył w tę branżę, a moja wiedza na temat diamentu ogranicza się do jego idealnej struktury (PS. Redaktor jest profesjonalistą w dziedzinie ceramiki fluorescencyjnej)....Można by też zmienić słowo „diament”, które jest głęboko zakorzenione w ludzkich sercach, na BlingBling, pełne pokus.

Stuletni przekręt „diamenty są wieczne” pogrzebał talent diamentowy i wykształcił w nim ponadprzeciętne umiejętności. Myślisz, że jest bogatym człowiekiem, ale w rzeczywistości jest królem.Zakres zastosowań diamentów w przemyśle jest znacznie większy niż w jubilerstwieMateriały diamentowe mają ogromny potencjał, zwłaszcza w przyszłościowych dziedzinach wymagających wysokiej precyzji.

W erze post-Moore'a rozwój elektroniki opartej na węglu zyskał szerokie zainteresowanie. W dziedzinie nanoelektroniki poczyniono znaczne postępy w badaniach nad nanoelektroniką opartą na węglu, głównie nad jednowymiarowymi nanorurkami węglowymi i dwuwymiarowym grafenem.W dziedzinie elektroniki mocy badania nad elektroniką mocy diamentową, która wyprzedza półprzewodniki, również cieszą się dużym zainteresowaniem i mają potencjał, by stać się następną generacją elektroniki mocy.

There is a reason why diamond semiconductor is hailed as the ultimate semiconductor by the industry. The current main research focus is based on the properties of diamond itself.

(Zdjęcie z prezentacji PPT z konferencji Carbontech 2020 autorstwa profesora Zhang Jinfenga z Uniwersytetu Nauki Elektronicznej i Technologii w Xi'an)

Diament to półprzewodnikowy materiał o ultraszerokiej przerwie energetycznej, którego szerokość przerwy energetycznej wynosi 5.5 eV, czyli więcej niż w przypadku materiałów półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej, takich jak GaN i SiC. Jak pokazano w poniższej tabeli, szerokość przerwy energetycznej diamentu jest 5 razy większa niż Si; ruchliwość nośników jest również 3 razy większa niż w przypadku Si. Teoretycznie ruchliwość nośników diamentu jest ponad 2 razy wyższa niż w przypadku istniejących materiałów półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej (GaN, SiC). Jednocześnie diament charakteryzuje się wyjątkowo niskim stężeniem nośników w temperaturze pokojowej. Co więcej, oprócz najwyższej twardości, diament charakteryzuje się również najwyższą przewodnością cieplną wśród materiałów półprzewodnikowych, która jest 7.5 razy większa niż AlN. Dzięki tym doskonałym parametrom, diament jest uważany za najbardziej obiecujący materiał do produkcji nowej generacji urządzeń elektronicznych o dużej mocy, wysokiej częstotliwości, wysokiej temperaturze i niskich stratach mocy, i jest okrzyknięty przez przemysł „najlepszym półprzewodnikiem”.

W szczególności era komunikacji 5G dynamicznie się rozwija, a zastosowanie diamentowych monokryształów w półprzewodnikach i urządzeniach elektroenergetycznych wysokiej częstotliwości zyskuje na znaczeniu. Diamentowe monokryształy i produkty z nich stanowią istotną bazę materiałową dla wdrażania ważnych strategii krajowych, takich jak ultraprecyzyjne przetwarzanie i inteligentne sieci energetyczne, a także modernizacji grup przemysłowych, takich jak inteligentne wytwarzanie i komunikacja 5G. Przełom i industrializacja tej technologii mają ogromne znaczenie dla niezależnego bezpieczeństwa chińskiego sektora inteligentnego wytwarzania i dużych zbiorów danych.

w tym celu, Kierunki badań wymagające materiałów diamentowychDuży rozmiar, mała liczba defektów, niska rezystywność i wysoka przewodność cieplnakierunek rozwoju.

Aktualne badania nad materiałami i urządzeniami półprzewodnikowymi diamentowymi skupiają się głównie na następujących aspektach:

Metody otrzymywania diamentów dzielą się głównie na metodę wysokotemperaturowo-wysokociśnieniową (HPHT) oraz metodę plazmowego osadzania chemicznego z fazy gazowej (PCVD). W porównaniu z metodą HPHT i innymi metodami PCVD,MPCVD to metoda wyładowania bezelektrodowego, wolna od zanieczyszczeń i charakteryzująca się silną kontrolą epitaksjalną. Ma ona bardziej oczywiste zalety w preparatyce diamentów o dużej skali i wysokiej czystości oraz w badaniach nad domieszkowaniem. Jest to preferowana metoda wysokiej jakości preparatyki diamentów do zastosowań w wielu dziedzinach..

W zakresie rozwoju kluczowych technologii i komercjalizacji zaawansowanego sprzętu MPCVD, zespoły z Japonii, Stanów Zjednoczonych, Niemiec i innych krajów zajmują wiodącą pozycję. Wśród nich, w rozwoju i zastosowaniu płaskich urządzeń MPCVD z okienkiem kwarcowym i urządzeń MPCVD typu CAP, japońska firma Seki zajmuje wiodącą pozycję na świecie i utrzymuje pozycję lidera technologicznego. W zakresie rozwoju i zastosowania kwarcowych urządzeń MPCVD typu dzwonowego, zespół Asmussen z Michigan State University w Stanach Zjednoczonych opracował wysokociśnieniowy (>2.4×104Pa) pracuje w rezonansowej wnęce plazmy mikrofalowej o dużej gęstości mocy, umożliwiając szybkie osadzanie diamentu.

Jeśli chodzi o rozwój i zastosowanie urządzeń MPCVD z pierścieniem kwarcowym, MPCVD produkowany przez francuską firmę Plassys i niemiecką firmę iPlas jest bardzo reprezentatywny. Wśród nich urządzenia iPlas posiadają strukturę sprzężenia szczeliny mikrofalowej i nadają się do preparacji diamentów o dużych rozmiarach, ale szybkość osadzania nie jest szczególnie idealna. W badaniach i rozwoju urządzeń MPCVD z elipsoidalną wnęką rezonansową, niemiecki Instytut Fraunhofera i firma Aixtron zawsze utrzymywały najwyższy światowy poziom. W porównaniu z urządzeniami MPCVD typu dzwonowego lub pierścieniowego, urządzenia o tej strukturze nadają się do łączenia źródeł mikrofal o wyższych poziomach mocy, co jest korzystne dla uzyskania większej powierzchni plazmy.Ostatecznym celem twórców sprzętu MPCVD jest uzyskanie jednorodnej, stabilnej i wielkopowierzchniowej plazmy mikrofalowej.

W ostatnich latach krajowe zespoły badawcze zajmujące się rozwojem urządzeń MPCVD osiągnęły pewne rezultaty w opracowaniu nowych wnęk rezonansowych MPCVD. Jednak w porównaniu z zaawansowanymi zespołami zagranicznymi, niewiele krajowych firm lub instytucji pokonało trudności techniczne związane z osiągnięciem masowej produkcji komercyjnej na dużą skalę. W związku z tym,Przełomy w kluczowych technologiach, takich jak niezależne, zoptymalizowane projektowanie rezonatorów plazmy mikrofalowej i udoskonalenie procesów preparacji diamentów wielkogabarytowych, pilnie wymagają dalszych inwestycji i badań prowadzonych przez odpowiednie zespoły krajowe. Wciąż wiele pozostaje do odkrycia w przyszłości.

Wymagania dotyczące przygotowania i sposobu stosowania monokrystalicznego diamentu oraz materiałów polikrystalicznych diamentu jako materiału półprzewodnikowego są zupełnie inne.

Metoda przygotowania polikrystalicznej warstwy diamentowej CVD, obejmującaWysokiej mocy CVD łukiem plazmowym prądu stałego, CVD gorącym drutem i MPCVD itp.Przygotowanie polikrystalicznych warstw diamentowych o jakości optycznej i elektronicznej wymaga idealnej szybkości osadzania oraz wyjątkowo niskiej lub kontrolowanej gęstości defektów. Metoda MPCVD bez wyładowania zanieczyszczeń elektrodowych nieuchronnie stanie się idealną metodą wytwarzania warstw diamentowych o jakości elektronicznej i optycznej. Jednak tempo wzrostu diamentu polikrystalicznego jest powolne, a spójność orientacji jego kryształów ma kluczowe znaczenie dla procesu obróbki, co utrudnia jego przetwarzanie.

Obecnie Element Six osiągnął komercyjną, masową produkcję 4-calowego diamentu polikrystalicznego klasy elektronicznej. Zespół Li Chengminga z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Pekinie, zespół Wang Jianhua z Uniwersytetu Technologicznego w Wuhan oraz zespół Yu Shengwanga z Uniwersytetu Technologicznego w Taiyuan osiągnęli pewne rezultaty w badaniach nad przygotowaniem metodą MPCVD warstw diamentu polikrystalicznego klasy optycznej. Chociaż nadal istnieje luka między krajowymi warstwami diamentu polikrystalicznego klasy optycznej i elektronicznej a międzynarodowym poziomem zaawansowanym, warstwy diamentu polikrystalicznego klasy optycznej opracowane przez zespoły krajowe i wyższego szczebla mogą zaspokoić potrzeby w zakresie dwumodowych okien naprowadzania podczerwienią/radarem oraz wysokowydajnych detektorów CO2.2Podstawowe wymagania aplikacyjne dla okien maszyn do obróbki laserowej i okien mikrofalowych dużej mocy.

W porównaniu z trudnymi warunkami przygotowania i aplikacji polikrystalicznych warstw diamentowych klasy optycznej i elektronicznej, polikrystaliczne warstwy diamentowe są szerzej stosowane jako radiatory do odprowadzania ciepła w półprzewodnikowych urządzeniach mocy, a zapotrzebowanie na nie jest większe i pilniejsze. Obecny poziom techniczny ich wytrącania jest również stosunkowo łatwy do osiągnięcia.

Ponadto, przewaga kosztowa diamentu polikrystalicznego jest bardziej oczywista niż diamentu monokrystalicznego. W ciągu ostatnich 30 lat badania nad zastosowaniem warstw diamentu polikrystalicznego MPCVD jako radiatorów w urządzeniach półprzewodnikowych nie ustawały. Obecnie w tranzystorach HEMT stosuje się calowe warstwy diamentu polikrystalicznego na bazie krzemu, a gęstość mocy RF tych urządzeń została skutecznie zwiększona, osiągając ponad 23 W/mm. Obecnie rozmiar przygotowanej warstwy diamentu polikrystalicznego o jakości radiatora może sięgać 8 cali. Dzięki ulepszeniu i modernizacji technologii MPCVD oczekuje się, że będzie ona kompatybilna z istniejącą linią produkcyjną 8-calowych płytek półprzewodnikowych, co ostatecznie doprowadzi do zastosowania na dużą skalę i promocji materiałów radiatora z diamentu polikrystalicznego w przemyśle materiałów półprzewodnikowych.

W porównaniu z diamentem polikrystalicznym, diament monokrystaliczny (SCD) bez ograniczeń granicznych ziaren ma lepsze właściwości optyczne i elektryczne. Charakteryzuje się on doskonałymi właściwościami aplikacyjnymi w najnowocześniejszych dziedzinach nauki i techniki, takich jak detektory promieniowania w komunikacji/obliczeniach kwantowych, wyświetlacze z emisją polową z zimną katodą, lasery półprzewodnikowe, wielowymiarowe układy scalone w procesorach superkomputerów oraz pręty termoprzewodzące w radarach dużej mocy z mikrofalową falą bieżącą do zastosowań wojskowych. Przygotowanie dużych i wysokiej jakości SCD jest warunkiem wstępnym.

Jako płytka diamentowa, jej rozmiar musi przekraczać 2 cm. Obecnie głównymi technologiami wytwarzania diamentów i płytek o dużych rozmiarach są:Wzrost homoepitaksjalny, przygotowanie płytek mozaikowych i wzrost heteroepitaksjalnyi inne technologie.

Mosaic splicing methodSpawanie i wzrost wielu jednorodnych podłoży, w połączeniu z technologią „lift-off”, to wysoce wykonalna metoda wytwarzania wielkogabarytowych płytek SCD. Obecnie możliwe jest wytwarzanie monokrystalicznych płytek o średnicy do 2 cali (5 cm). Jednak wysokie wymagania dotyczące jednorodności podłoża i istnienie granic ziaren prowadzą do problemów, takich jak naprężenia i defekty w miejscu łączenia, co wpływa na jakość arkuszy spawanych metodą SCD. Ponadto, proces ten jest kosztowny, wymaga wtryskiwania materiału, a wydajność jest bardzo niska.

(Zdjęcie z prezentacji PPT z konferencji Carbontech 2020 autorstwa profesora Zhang Jinfenga z Uniwersytetu Nauki Elektronicznej i Technologii w Xi'an)

Syntetyzować wysoką jakośćhomoepitaksjalnyWarstwa diamentowa to jedna z ważnych technologii przygotowywania diamentowych urządzeń elektronicznych. Charakteryzuje się niską gęstością defektów, a maksymalny rozmiar może sięgać 0.5 cala (1 cal = 2.54 cm). W procesie homoepitaksjalnego przygotowywania monokryształu diamentu, sposób jego odklejenia od podłoża jest bardzo istotny i stosunkowo trudny. Ponieważ podłoże jest również niezwykle twarde, nie można go ciąć standardowymi metodami. Powszechnie stosowane metody obejmują polerowanie mechaniczne i cięcie laserowe.

(Zdjęcie z prezentacji PPT z konferencji Carbontech 2020 autorstwa profesora Zhang Jinfenga z Uniwersytetu Nauki Elektronicznej i Technologii w Xi'an)

Oprócz wzrostu homoepitaksjalnego, wzrost heteroepitaksjalny jest również skuteczną metodą hodowli diamentów monokrystalicznych o dużej powierzchni. Heteroepitaksja odnosi się do zastosowania warstw buforowych na podłożach z krzemu, szafiru, magnezu (MgO) i innych materiałów w celu złagodzenia niedopasowania termicznego i sieci krystalicznej między diamentem a podłożem, a ostatecznie uzyskania warstw diamentu monokrystalicznego. Najbardziej skuteczną warstwą buforową jest ir itp. Teoretycznie, metoda ta umożliwia hodowlę diamentów monokrystalicznych o powierzchni wystarczająco dużej, aby sprostać potrzebom przemysłowym w dziedzinie urządzeń elektronicznych. Jej główną wadą jest wysoka gęstość defektów.

Po przełomach w kluczowych technologiach, takich jak szybki wzrost z dodatkiem azotu, wysokowydajny wzrost z wyładowaniami impulsowymi i usuwanie jonów przez implantację w technologii osadzania chemicznego z fazy gazowej z wykorzystaniem mikrofalowej plazmy (MPCVD), w ciągu ostatnich 10 lat osiągnięto wielokierunkowy, powtarzalny, trójwymiarowy wzrost epitaksjalny MPCVD z dużą prędkością (szybkość wzrostu 100 μm·h).-1), innowacyjne technologie, takie jak wzrost dużych, grubych i polikrystalicznych krawędzi diamentowych oraz zastosowanie plazmowego CVD w układach (H, C, N, O) przez 200 h bez granic i przy ciągłym wzroście.

W przypadku urządzeń półprzewodnikowych diamentowych, podstawową technologią formowania urządzeń mocy jest domieszkowanie materiałów diamentowych.Największym problemem w komercjalizacji półprzewodników diamentowych jest to, że efektywne domieszkowanie diamentu metodą masową nie zostało jeszcze rozwiązane. Łatwo jest wyprodukować tranzystory typu P, ale trudno jest wyprodukować tranzystory typu N..Technologia domieszkowania diamentu typu p jest stosunkowo zaawansowana, a głównym domieszkowaniem są atomy boru. W przypadku diamentu typu p domieszki boru można łatwo zintegrować z diamentem naturalnym i diamentem MPCVD, nie występuje problem orientacji kryształu, ale wydajność aktywacji boru w temperaturze pokojowej wynosi mniej niż 0.1%. Stężenie domieszkowania i ruchliwość boru w diamencie mają charakter kompromisowy. Nadmierne stężenie domieszkowania często prowadzi do gwałtownego spadku ruchliwości. Gdy stężenie domieszkowania boru wynosi 1019 cm-3, mobilność zostanie zmniejszona do 100 cm2·W -1· s-1następujące.

(Zdjęcie z prezentacji PPT z konferencji Carbontech 2020 autorstwa profesora Zhang Jinfenga z Uniwersytetu Nauki Elektronicznej i Technologii w Xi'an)

Wybrany na podstawie położenia atomu C diamentu (promień kowalencyjny 0.077 nm) w układzie okresowym pierwiastków, najbliższym jest atom azotu (N) (0.075 nm), co czyni go również korzystnym kandydatem do domieszkowania diamentu jonami typu n. Jednak po domieszkowaniu atomy N, które zastępują atomy C w diamencie, ulegają zniekształceniu z powodu efektu Jahna-Tellera, co powoduje odchylenie lokalnej sieci krystalicznej i odchylenie atomów N od zastąpionego położenia. Poziom energetyczny domieszkowania jest bardzo niski i wynosi 1.7 eV, co utrudnia przewodzenie prądu w temperaturze pokojowej.

(Zdjęcie z prezentacji PPT z konferencji Carbontech 2020 autorstwa profesora Zhang Jinfenga z Uniwersytetu Nauki Elektronicznej i Technologii w Xi'an)

Dzięki ciągłemu rozwojowi technologii półprzewodników diamentowych, wąskie gardła, takie jak technologia domieszkowania typu n, preparatyka monokryształów o dużych rozmiarach i wysokiej jakości oraz technologia epitaksji materiałów o wysokiej płaskości i jednorodności, z pewnością zostaną w przyszłości przełamane, co pozwoli na tworzenie diamentowych urządzeń elektronicznych o wyższej wydajności energetycznej. Jest to jednak nierozerwalnie związane z nieustającymi wysiłkami naukowców!

dioda mocyW ciągu ostatnich 10 lat postęp w dziedzinie materiałów diamentowych CVD, charakteryzujących się dużym rozmiarem, niską liczbą defektów i wysokim domieszkowaniem, bezpośrednio wpłynął na rozwój diod diamentowych w kierunku wysokiego napięcia przebicia, wysokiej wytrzymałości pola przebicia, niskiej rezystancji w stanie przewodzenia, wysokiej częstotliwości przełączania i pracy w wysokich temperaturach. Trwają prace rozwojowe nad diodami SBD i złączowymi pn, przy czym diody diamentowe SBD rozwijają się szybciej i są już na etapie wstępnych eksperymentów aplikacyjnych.

Główną przyczyną niskiego napięcia przebicia diod i tranzystorów diamentowych (poniżej 500 V) jest trudność w kontrolowaniu substancji domieszkujących w diamencieDiament to materiał o najwyższej gęstości atomowej na Ziemi. Poza kilkoma małymi atomami, takimi jak H, P, N i Si, trudno jest dodać do jego kryształu inne duże atomy.

Dioda szpilkowa diamentowajest zaawansowanym urządzeniem nadającym się do zastosowań o dużej mocy, z tą różnicą, że jego krytyczne pole elektryczne wynosi 3 MV·cm-1(Teoretyczna granica SiC) rezystancja szeregowa diamentowych diod pinowych może być również znacząco zmniejszona poprzez zastosowanie warstwy silnie domieszkowanej. W ciągu ostatnich 10 lat technologia diamentowych diod pinowych poczyniła ogromne postępy, takie jak przełomy w przygotowaniu silnie domieszkowanych warstw p+ i n+ z mechanizmami przewodzenia przejściowego; mechanizmy transportu nośników diamentowych diod złączowych p+-i-n+ z niską rezystancją przewodzenia przejściowego; projektowanie optymalizacji struktury materiałowej diamentowych diod pn Schottky'ego (SPND); selektywny wzrost n+ Badania nad mechanizmem wpływu defektów interfejsu warstw i diod złączowych pn na upływ wsteczny; badania nad odwrotnym odzyskiem i czasem życia nośników mniejszościowych diamentowych diod pinowych; badania nad mechanizmem nierównej wysokości bariery Schottky'ego diamentowych diod pinowych Schottky'ego (SPIND) i inne kluczowe technologie.

Tranzystory mocy i układy logiczne

Tranzystory diamentowe poczyniły postęp zarówno w dziedzinie elektroniki mocy, jak i elektroniki mikrofalowej. W dziedzinie elektroniki mocy kierunek rozwoju ukierunkowany jest na wysokie napięcie przebicia, wysoką siłę pola przebicia, pracę w wysokich temperaturach, niską rezystancję w stanie włączenia, wysoką częstotliwość przełączania oraz urządzenia normalnie wyłączone.Tranzystory diamentowe składają się głównie z różnych typów tranzystorów FET, w tymTranzystory polowe metalowo-półprzewodnikowe (MESFET), MOSFET i JFETitd. Istnieją dwa rodzaje kanałów: dwuwymiarowy gaz dziurowy na powierzchni diamentu z wodorem oraz warstwa domieszkowana typu p. Wraz z rozwojem materiałów domieszkowych typu n, zaczęły pojawiać się bipolarne urządzenia diamentowe, a ostatnio opracowano heterozłączowe tranzystory bipolarne. W dziedzinie elektroniki mikrofalowej dominują tranzystory polowe (FET) z wodorem, które rozwijają się w kierunku wysokich fT/fmax i wysokiej gęstości mocy.

Diamentowy MESFET wykorzystuje barierę Schottky'ego do modulacji i sterowania kanałem. Postęp technologiczny ostatnich lat obejmuje: połączenie szerokiego odstępu bramka-dren i lekko domieszkowanego kanału p, badania nad wpływem zmniejszonego odstępu bramka-źródło, eksperymenty z napromieniowaniem neutronami o energii 14.8 MeV, wyższe stężenie domieszkowania borem i dobrą technologię epitaksjalnej warstwy kanałowej na powierzchni oraz wysokotemperaturowe wyżarzanie diamentowego MESFET domieszkowanego borem.

Diamentowy MOSFETJest to najpowszechniej badany tranzystor diamentowy, który wykorzystuje strukturę sterowania bramką MOS do tłumienia prądu upływu bramki. W ostatnich latach w diamentowych tranzystorach MOSFFT dominowały urządzenia kanałowe z zakończeniami wodorowymi i dokonały przełomu w szeregu kluczowych technologii, takich jak wysoce stabilna struktura warstwy tlenku bramki Al2O3.

For applications of power devices operating at high voltages and high temperatures, the diamond body channel device JFET, which is more stable than surface channel devices, is more advantageous.

Diamentowy BJTJest to jeden z głównych elementów przełączających zasilanie. W porównaniu z diamentowymi tranzystorami polowymi (FET) z fazą wodorową, diamentowe tranzystory BJT nie posiadają warstwy dielektrycznej bramki, charakteryzują się przewodnością powierzchniową fazy wodorowej oraz efektami modulacji przewodnictwa, co pozwala na uzyskanie wtrysku nośników mniejszościowych, co przekłada się na potencjalnie niższą rezystancję w stanie przewodzenia. Kluczowym parametrem tranzystorów BJT mocy jest współczynnik wzmocnienia prądu wspólnego emitera, który umożliwia wzmocnienie prądu w porównaniu z diamentowymi tranzystorami FET, zmniejszając zapotrzebowanie na moc układu sterującego.

obwód logiczny diamentowyRozwój diamentowych układów logicznych to pierwszy krok w rozwoju diamentowych układów scalonych. Wraz z rozwojem ulepszonych diamentowych tranzystorów MISFET, badania i rozwój diamentowych układów logicznych nabrały rozpędu.

RF FETDiament posiada właściwości półprzewodnikowe, takie jak wysoka przewodność cieplna, wysoka wytrzymałość na przebicie i wysoka prędkość nasycenia nośników. Z tego powodu diamentowe urządzenia o wysokiej częstotliwości i dużej mocy są również jednym z głównych obszarów badań w dziedzinie elektroniki diamentowej.

GaN na diamentowym HEMT:Wiązania kowalencyjne między atomami diamentu są niezwykle silne, co zapewnia sztywnej strukturze wysoką częstotliwość drgań. Temperatura charakterystyczna Debye'a sięga 2200 K. Rozpraszanie fononów jest niewielkie, więc opór przewodzenia ciepła z wykorzystaniem fononów jako ośrodka jest wyjątkowo mały. Jego przewodność cieplna jest pięciokrotnie wyższa niż miedzi i sięga 2000 W/(m·K). Elektronika mikrofalowa GaN z półprzewodnikami o szerokiej przerwie energetycznej stała się obecnie głównym nurtem po prawie dwóch dekadach rozwoju, a problemy z zarządzaniem termicznym stały się główną przeszkodą w jej dalszym rozwoju. Dlatego połączenie zalet przewodnictwa cieplnego diamentu o ultraszerokiej przerwie energetycznej i technologii GaN stało się nieuniknione dla rozwoju kolejnej generacji elektroniki mikrofalowej GaN. Stanowi to również podstawę dla ciągłego rozwoju elektroniki mikrofalowej GaN.2O3Podaj odniesienia do zarządzania ciepłem w urządzeniach elektronicznych itp. Materiały diamentowe można stosować jako materiały do ​​zarządzania ciepłem w urządzeniach elektronicznych dużej mocy i rozwijają się w kierunku dużych rozmiarów, niskiego oporu cieplnego interfejsu i wysokiej przewodności cieplnej.

。。。

Wraz z upowszechnieniem się półprzewodników trzeciej generacji i nadejściem ery 5G, tradycyjne materiały termoprzewodzące stosowane w obudowach elektronicznych, a nawet materiały do ​​produkcji chipów, stoją przed ogromnymi wyzwaniami w zakresie modernizacji. Zaawansowany węgiel i materiały kompozytowe, które dynamicznie rozwijają się w ostatnich latach, odegrają ważną rolę w dziedzinie odprowadzania ciepła z urządzeń optoelektronicznych dużej mocy i wysokiej częstotliwości, stając się idealnymi materiałami termoprzewodzącymi w przemyśle elektronicznym! (W tym materiały radiatorów, materiały opakowaniowe, materiały bazowe itp.).

(Zdjęcie z prezentacji PPT z konferencji Carbontech 2020 autorstwa profesora Wang Chengyonga z Uniwersytetu Technologicznego w Guangdong)

Podłoże diamentowe do odprowadzania ciepła w urządzeniach energetycznych na bazie GaN:Pełna wydajność urządzeń energetycznych opartych na azotku galu (GaN) jest ograniczona przez niską przewodność cieplną podłoża, na którym osadzany jest GaN. Diament o wysokiej przewodności cieplnej, nanoszony metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD), stał się doskonałym wyborem jako materiał na podłoża termodyfuzyjne dla urządzeń energetycznych GaN. Odpowiedni naukowcy przeprowadzili szereg badań technicznych nad połączeniem diamentu o wysokiej przewodności cieplnej i urządzeń GaN, obejmujących głównie technologię wiązania niskotemperaturowego, technologię transferu podłoża do bezpośredniego narastania diamentu na odwrocie warstwy epitaksjalnej GaN, technologię epitaksjalnego osadzania GaN z diamentu monokrystalicznego oraz technologię rozpraszania ciepła z pasywacją diamentu o wysokiej przewodności cieplnej.

Bezpośrednie narastanie diamentu na spodniej stronie warstwy epitaksjalnej GaN charakteryzuje się dobrą wytrzymałością wiązania międzyfazowego, ale wiąże się z trudnościami technicznymi, takimi jak wysoka temperatura, wysokie naprężenie płytki i wysoka rezystancja termiczna międzyfazowa. Technologia epitaksjalnego diamentu monokrystalicznego GaN oraz technologia odprowadzania ciepła z pasywacją diamentu o wysokiej przewodności cieplnej są ograniczone przez niewielkie rozmiary, wysokie koszty i niekompatybilność procesową diamentu monokrystalicznego. Dlatego też, opracowanie tanich, wielkogabarytowych podłoży diamentowych, udoskonalenie technologii kontroli naprężenia płytki i wytrzymałości wiązania międzyfazowego, zmniejszenie rezystancji termicznej międzyfazowej oraz poprawa wydajności urządzeń GaN z diamentowym podłożem będą stanowić przedmiot przyszłego rozwoju technologii łączenia diamentów i urządzeń GaN.

(Zdjęcie z prezentacji PPT z konferencji Carbontech 2020 autorstwa profesora Zhang Jinfenga z Uniwersytetu Nauki Elektronicznej i Technologii w Xi'an)

Diamond packaged semiconductor laser

Podczas pracy lasera półprzewodnikowego dużej mocy, obszar aktywny generuje dużą ilość ciepła, co zmniejsza moc wyjściową lasera i skraca jego żywotność. Diament charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną. Zastosowanie go jako radiatora przejściowego poprawi zdolność rozpraszania ciepła urządzenia, zmniejszy rezystancję termiczną, zwiększy moc wyjściową lasera i wydłuży jego żywotność.

Badania nad diamentowym laserem ramanowskim:Wymuszone rozpraszanie Ramana to ważny nieliniowy efekt optyczny. Pozwala ono na osiągnięcie stałego przesunięcia częstotliwości wszystkich padających fotonów bez konieczności dopasowania fazy. Jest to ważna technologia rozszerzająca zakres pasma zastosowań laserów. Badania w tym kierunku stały się ważnym punktem w rozwoju technologii laserowej.

Jako krystaliczny materiał ramanowski o doskonałych parametrach, diament charakteryzuje się największym przesunięciem częstotliwości ramanowskiej, wynoszącym 1332.3 cm-1 wśród znanych materiałów krystalicznych.-1szerokość linii wzmocnienia Ramana wynosi około 1.5 cm w temperaturze pokojowej-1Wzmocnienie Ramana diamentu charakteryzuje się selektywnością polaryzacji. Gdy kierunek polaryzacji światła pompującego jest równoległy do ​​kierunku <111> kryształu diamentu, jego wzmocnienie Ramana osiąga maksimum (10 cm/GW@1 μm), a emitowane światło Ramana jest spolaryzowane liniowo. Diament charakteryzuje się ultrawysoką przewodnością cieplną, a jego ultraszybka zdolność rozpraszania ciepła jest kluczowa dla kryształów diamentu, aby utrzymać wysokie wzmocnienie Ramana i uzyskać wysoką jakość wiązki laserowej przy pracy z dużą mocą.

Comparison between common laser Raman crystals and diamond

W ostatnich latach, wraz z udoskonaleniem technologii chemicznego osadzania z fazy gazowej, jakość optyczna sztucznego diamentu uległa gwałtownej poprawie. Kryształy diamentu o jakości optycznej charakteryzują się również doskonałą poprawą mocy, poprawą koherencji i zdolnością konwersji częstotliwości dzięki doskonałym charakterystykom Ramana i Brillouina. To z kolei przyczyniło się do rozwoju laserów diamentowych, które w znacznym stopniu przezwyciężyły efekty termiczne laserów z inwersją liczby cząstek opartych na tradycyjnych materiałach roboczych, a także trudności w zrównoważeniu długości fali i mocy wyjściowej.

Podłoże rozpraszające ciepło w opakowaniu z monokryształu diamentu 3D:

Gdy przestrzeganie prawa Moore'a stało się powszechnie akceptowanym w branży konsensusem, propozycja More'a-Moore'a wydaje się tchnąć nieco światła w rozwój branży produkcji chipów. Ogólnie rzecz biorąc, More-Moore odnosi się do ciągłego zmniejszania rozmiarów elementów chipów, co obejmuje dwa aspekty: ciągłe zmniejszanie rozmiarów elementów w kierunku poziomym i pionowym wafla w celu poprawy gęstości, wydajności i niezawodności; wykorzystanie technologii procesowych, takich jak struktury 3D, oraz nowych materiałów, w celu poprawy parametrów elektrycznych wafla.

(Zdjęcie z raportu Carbontech 2020 w prezentacji PPT autorstwa badacza z Jiangnan z Instytutu Materiałów w Ningbo)

Electronic packaging materials are used to carry electronic components and their interconnections. They mainly serve as mechanical support, sealing protection, heat dissipation and shielding. They have a very important impact on the performance and reliability of integrated circuits. With the development of electronic technology, integrated circuits are developing towards ultra-large scale, ultra-high speed, high density, high power, high precision, and multi-function, which places higher and higher requirements on packaging materials. The research and development of multi-system high-performance packaging materials such as diamond/copper, diamond/aluminum, diamond/silicon carbide, graphite/copper, etc. is of great significance in promoting the development of electronic packaging materials in the direction of miniaturization, high performance, high reliability and low cost.

。。。。。

Materiały diamentowe i technologia obróbki laserowej:W porównaniu z innymi materiałami, diament charakteryzuje się wysoką rezystywnością, wysoką wytrzymałością na przebicie, niską stałą dielektryczną i niską rozszerzalnością cieplną. Jego zastosowanie w systemach zarządzania temperaturą może sprostać wymaganiom związanym z rozwojem zespołów o dużej gęstości i wysokim stopniu integracji w dynamicznie rozwijającym się przemyśle elektronicznym. Obróbka laserowa pozwala uzyskać wysokiej jakości mikrostruktury diamentowe. Jest to zaawansowana technologia produkcyjna, która jest obecnie przedmiotem badań w kraju i za granicą.

Technologia szlifowania i polerowania podłoża diamentowego

Urządzenia półprzewodnikowe obejmują głównie układy scalone, urządzenia mocy, urządzenia optoelektroniczne i czujniki itp. Urządzenia mocy są szeroko stosowane w lotnictwie, wojsku i obronie narodowej, energetyce, transporcie kolejowym oraz informatycznym Internecie Rzeczy. Płytka półprzewodnikowa stanowi nośnik urządzenia półprzewodnikowego, a podłoże jest nośnikiem płytki półprzewodnikowej. Podłoże stanowi epitaksjalną bazę urządzeń półprzewodnikowych, która bezpośrednio decyduje o jakości i wydajności urządzenia.

Obróbka ultraprecyzyjna

Obiektami obróbki ultraprecyzyjnej są zazwyczaj materiały diamentowe o małych rozmiarach, które są zbyt kosztowne do industrializacji i nie sprzyjają przemysłowym zastosowaniom. Aby skutecznie wykorzystać diament do odprowadzania ciepła w urządzeniach energetycznych i osiągnąć industrializację, kluczowe jest pozyskanie materiałów bazowych o dużej powierzchni, odprowadzających ciepło na poziomie wafli krzemowych. Ponadto, wraz ze wzrostem stopnia integracji obwodów na podłożach diamentowych, wymagania dotyczące jakości powierzchni będą stopniowo rosły. Chropowatość powierzchni będzie rosła do poziomu angstremów lub nawet poniżej, a odkształcenia powierzchni osiągną 5 μm lub mniej.

Zastrzeżenie: Niniejszy artykuł został przedrukowany z „DT Semiconductor Materials”, organizacji wspierającej ochronę praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia przedruku.