Falando em diamantes, acho que muitas pessoas não estão familiarizadas com eles. O editor não trabalha nesse ramo e seu conhecimento sobre diamantes se limita à sua estrutura perfeita (PS: o editor é profissional em materiais cerâmicos fluorescentes)....Talvez seja melhor mudar a palavra "diamante", que está profundamente enraizada no coração das pessoas, ostentação, cheia de tentação.

A farsa centenária de que "diamantes são para sempre" enterrou o talento dos lapidadores e os tornou excessivamente qualificados. Você pensa que ele é um homem rico, mas na verdade ele é um rei.O volume de aplicação do diamante no setor industrial é muito maior do que no setor joalheiro.Especialmente em áreas que exigem alta precisão no futuro, os materiais diamantados têm grande potencial.

Na era pós-Moore, o desenvolvimento da eletrônica baseada em carbono tem recebido ampla atenção. No campo da nanoeletrônica, progressos significativos foram alcançados na pesquisa de nanoeletrônica baseada em carbono, principalmente com nanotubos de carbono unidimensionais e grafeno bidimensional.No campo da eletrônica de potência, a pesquisa em eletrônica de potência de diamante, conhecida por sua capacidade de finalizar semicondutores, também demonstra grande vitalidade, mostrando seu potencial para se tornar a próxima geração da eletrônica de potência.

Existe um motivo pelo qual o semicondutor de diamante é considerado o semicondutor definitivo pela indústria. O foco principal da pesquisa atual está nas propriedades do próprio diamante.

(Imagem da apresentação em PowerPoint do relatório Carbontech 2020, elaborada pelo Professor Zhang Jinfeng da Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica de Xi'an)

O diamante é um material semicondutor de banda proibida ultralarga, com uma largura de banda proibida de 5.5 eV, superior à de materiais semicondutores de banda proibida larga como GaN e SiC. Como mostra a tabela abaixo, a largura da banda proibida do diamante é 5 vezes maior que a do Si; a mobilidade dos portadores também é 3 vezes maior que a do Si. Teoricamente, a mobilidade dos portadores no diamante é mais de 2 vezes maior que a de materiais semicondutores de banda proibida larga existentes (GaN, SiC). Ao mesmo tempo, o diamante apresenta uma concentração intrínseca de portadores extremamente baixa à temperatura ambiente. Além disso, além da dureza mais alta, o diamante também possui a maior condutividade térmica entre os materiais semicondutores, sendo 7.5 vezes maior que a do AlN. Com base nesses excelentes parâmetros de desempenho, o diamante é considerado o material mais promissor para a preparação da próxima geração de dispositivos eletrônicos de alta potência, alta frequência, alta temperatura e baixa perda de energia, sendo aclamado pela indústria como o "semicondutor definitivo".

Em particular, a era da comunicação 5G está se desdobrando rapidamente, e a aplicação de materiais de monocristal de diamante em semicondutores e dispositivos de potência de alta frequência tem se tornado cada vez mais proeminente. O monocristal de diamante e seus produtos são uma base material importante para a implementação de grandes estratégias nacionais, como o processamento de ultraprecisão e as redes inteligentes, e para a modernização de grupos industriais como a manufatura inteligente e as comunicações 5G. O avanço e a industrialização dessa tecnologia são de grande importância para a segurança da indústria chinesa de manufatura inteligente e de big data.

para este fim, Linhas de pesquisa que requerem materiais diamantíferosGrande dimensão, poucos defeitos, baixa resistividade e alta condutividade térmica.direção do desenvolvimento.

A pesquisa atual sobre materiais e dispositivos semicondutores de diamante concentra-se principalmente nos seguintes aspectos:

Os métodos de preparação de diamante dividem-se principalmente em método de alta temperatura e alta pressão (HPHT) e método de deposição química de vapor por plasma (PCVD). Comparado com o método HPHT e outros métodos PCVD,A MPCVD é uma descarga sem eletrodos, livre de poluição e com forte controle epitaxial. Apresenta vantagens mais evidentes na preparação de diamantes de grande porte e alta pureza, bem como em pesquisas de dopagem. É o método preferido para a preparação de diamantes de alta qualidade e com múltiplas aplicações..

Em termos de desenvolvimento tecnológico e comercialização de equipamentos MPCVD avançados, equipes do Japão, Estados Unidos, Alemanha e outros países ocupam posição de liderança. Entre elas, no desenvolvimento e aplicação de equipamentos MPCVD com janela de quartzo plana e equipamentos MPCVD do tipo CAP, a empresa japonesa Seki ocupa a posição de liderança mundial e mantém a posição de vanguarda tecnológica. No que diz respeito ao desenvolvimento e aplicação de equipamentos MPCVD com sino de quartzo, a equipe Asmussen da Universidade Estadual de Michigan, nos Estados Unidos, desenvolveu um equipamento de alta pressão (>2.4×10⁻³).4O Pa) funciona em uma cavidade ressonante de plasma de micro-ondas de alta densidade de potência para obter deposição de diamante em alta velocidade.

Em termos de desenvolvimento e aplicação de dispositivos MPCVD de anel de quartzo, os equipamentos produzidos pela Plassys, da França, e pela iPlas, da Alemanha, são bastante representativos. Dentre eles, o equipamento da iPlas possui uma estrutura de acoplamento por fenda de micro-ondas e é adequado para a preparação de diamantes de grandes dimensões, embora a taxa de deposição não seja particularmente ideal. Na pesquisa e desenvolvimento de equipamentos MPCVD de cavidade ressonante elipsoidal, o Instituto Fraunhofer, da Alemanha, e a Aixtron sempre se mantiveram na vanguarda mundial. Comparados aos equipamentos MPCVD de sino ou anel de quartzo, os equipamentos com essa estrutura são adequados para o acoplamento com fontes de potência de micro-ondas de níveis mais elevados, o que é benéfico para a obtenção de uma área de plasma maior.Obter plasma de micro-ondas uniforme, estável e de grande área é o objetivo final dos desenvolvedores de equipamentos MPCVD.

Nos últimos anos, equipes de pesquisa nacionais relacionadas ao desenvolvimento de equipamentos MPCVD obtiveram alguns resultados no desenvolvimento de novas cavidades ressonantes MPCVD. No entanto, em comparação com equipes estrangeiras avançadas, poucas empresas ou instituições nacionais superaram as dificuldades técnicas para alcançar a produção comercial em larga escala. Portanto,Avanços em tecnologias-chave, como o projeto otimizado independente de ressonadores de plasma de micro-ondas e o aprimoramento dos processos de preparação de diamantes de grande porte, exigem urgentemente investimentos e pesquisas contínuas por parte de equipes nacionais relevantes. Ainda há um longo caminho a ser explorado no futuro.

Como material semicondutor, os requisitos de preparação e as direções de aplicação de materiais monocristalinos e policristalinos de diamante são bastante diferentes.

Método de preparação de filme de diamante policristalino por CVD, incluindoDeposição química de vapor assistida por plasma de arco CC de alta potência, deposição química de vapor assistida por fio quente e deposição química de vapor por micro-ondas, etc.A preparação de filmes de diamante policristalino de grau óptico e eletrônico requer uma taxa de deposição ideal e uma densidade de defeitos extremamente baixa ou controlável. A deposição química em fase vapor assistida por micro-ondas (MPCVD), sem contaminação por descarga de eletrodo, inevitavelmente se tornará um método ideal para a preparação de filmes de diamante de grau eletrônico e óptico. No entanto, a taxa de crescimento do diamante policristalino é lenta e a consistência da sua orientação cristalina é crucial para o processamento, o que dificulta o processo.

Atualmente, a Element Six alcançou a produção em massa comercial de diamante policristalino de grau eletrônico de 4 polegadas. As equipes de Li Chengming, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, de Wang Jianhua, da Universidade de Tecnologia de Wuhan, e de Yu Shengwang, da Universidade de Tecnologia de Taiyuan, obtiveram resultados significativos na pesquisa sobre a preparação de filmes de diamante policristalino de grau óptico por MPCVD. Embora ainda exista uma lacuna entre os filmes de diamante policristalino de grau óptico e eletrônico produzidos no mercado nacional e o nível avançado internacional, os filmes de diamante policristalino de grau óptico desenvolvidos por equipes nacionais e internacionais podem atender às necessidades de janelas de orientação de modo duplo infravermelho/radar e CO₂ de alta potência.2Requisitos básicos de aplicação para janelas de máquinas de processamento a laser e janelas de micro-ondas de alta potência.

Em comparação com as condições rigorosas de preparação e aplicação de filmes de diamante policristalino de grau óptico e eletrônico, os filmes de diamante policristalino são mais amplamente utilizados como dissipadores de calor para dispositivos semicondutores de potência, e a demanda é maior e mais urgente. O nível técnico atual de sua deposição também é relativamente fácil de alcançar.

Além disso, a vantagem de custo de fabricação do diamante policristalino é mais evidente do que a do diamante monocristalino. Nos últimos 30 anos, a pesquisa sobre a aplicação de filmes de diamante policristalino depositados por MPCVD como dissipadores de calor em dispositivos semicondutores tem sido constante. Atualmente, filmes de diamante policristalino em escala de polegada, baseados em silício, são utilizados em dispositivos HEMT, e a densidade de potência de radiofrequência (RF) desses dispositivos foi efetivamente aprimorada, atingindo mais de 23 W/mm. Atualmente, o tamanho dos filmes de diamante policristalino para dissipadores de calor pode chegar a 8 polegadas. Com o aprimoramento e a modernização da tecnologia MPCVD, espera-se que ela seja compatível com as linhas de produção de wafers semicondutores de 8 polegadas existentes, viabilizando, em última instância, a aplicação em larga escala e a promoção de materiais de diamante policristalino para dissipadores de calor na indústria de semicondutores.

Em comparação com o diamante policristalino, o diamante monocristalino (SCD), sem as restrições dos contornos de grão, apresenta melhores propriedades ópticas e elétricas. Possui aplicações notáveis ​​em campos científicos e tecnológicos de ponta, como detectores de radiação para comunicação/computação quântica, displays de emissão de campo de cátodo frio, lasers semicondutores, circuitos integrados multidimensionais para chips de CPU de supercomputadores e hastes de suporte térmico condutoras para tubos de ondas progressivas de micro-ondas de radares militares de alta potência. A preparação de SCD de alta qualidade e em grandes dimensões é um pré-requisito.

Como um wafer de diamante, seu tamanho deve ser superior a 2 polegadas. Atualmente, as principais tecnologias para a preparação de diamantes e wafers de grande porte são:Crescimento homoepitaxial, preparação de wafers mosaico e crescimento heteroepitaxial.e outras tecnologias.

Método de emenda em mosaicoComo um método altamente viável para a preparação de SCDs de grande porte, a junção e o crescimento de múltiplos substratos uniformes, combinados com a tecnologia de lift-off, possibilitaram a produção de SCDs de grandes dimensões. Atualmente, wafers monocristalinos de até 2 polegadas já foram obtidos. No entanto, as altas exigências de uniformidade do substrato e a presença de contornos de grão podem causar problemas como tensão e defeitos na junção, afetando a qualidade das folhas de SCD resultantes da junção. Além disso, o custo é elevado, a tecnologia de peeling requer injeção e o rendimento é muito baixo.

(Imagem da apresentação em PowerPoint do relatório Carbontech 2020, elaborada pelo Professor Zhang Jinfeng da Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica de Xi'an)

Sintetizar alta qualidadehomoepitaxialA camada de diamante é uma das tecnologias importantes para a preparação de dispositivos eletrônicos de diamante. Ela possui características como baixa densidade de defeitos e tamanho máximo que pode atingir 0.5 polegadas (1 polegada = 2.54 cm). No processo de preparação homoepitaxial de diamante monocristalino, a separação do diamante monocristalino do substrato é uma etapa crucial e também bastante complexa. Como o substrato também é composto de diamante monocristalino extremamente duro, ele não pode ser cortado por métodos de corte convencionais. Os métodos mais utilizados incluem polimento mecânico e corte a laser.

(Imagem da apresentação em PowerPoint do relatório Carbontech 2020, elaborada pelo Professor Zhang Jinfeng da Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica de Xi'an)

Além do crescimento homoepitaxial, o crescimento heteroepitaxial também é um método eficaz para o crescimento de diamante monocristalino em grandes áreas. A heteroepitaxia refere-se ao uso de camadas de amortecimento em substratos de Si, safira, MgO e outros para atenuar a incompatibilidade térmica e de rede cristalina entre o diamante e o substrato, permitindo, em última instância, o crescimento de filmes de diamante monocristalino. A camada de amortecimento mais eficaz é o Ir, entre outros. Teoricamente, esse método permite o crescimento de diamante monocristalino com área suficiente para atender às necessidades de industrialização no campo de dispositivos eletrônicos. Sua principal desvantagem é a alta densidade de defeitos.

Após avanços em tecnologias-chave, como o crescimento de alta velocidade por adição de nitrogênio, o crescimento de alta eficiência por descarga pulsada e a remoção por implantação iônica na tecnologia de crescimento por deposição química de vapor por plasma de micro-ondas (MPCVD), o crescimento epitaxial tridimensional repetitivo multidirecional de alta velocidade por MPCVD (taxa de crescimento de 100 μm·h) foi alcançado nos últimos 10 anos.-1), tecnologias inovadoras como o crescimento de bordas de diamante policristalino de grande tamanho e espessas e o uso de plasma CVD em sistemas (H, C, N, O) por 200 h sem bordas e crescimento contínuo.

Para dispositivos semicondutores de diamante, a dopagem de materiais de diamante é a tecnologia básica para a fabricação de dispositivos de potência.O maior problema na comercialização de semicondutores de diamante é que a dopagem eficiente do diamante em massa ainda não foi solucionada. É fácil fabricar transistores do tipo P, mas difícil fabricar transistores do tipo N..A tecnologia de dopagem tipo p em diamante é relativamente madura, sendo o principal dopante o átomo de boro. Para diamantes tipo p, as impurezas de boro podem ser facilmente integradas em diamantes naturais e diamantes MPCVD, sem problemas de orientação cristalina, mas a eficiência de ativação do boro à temperatura ambiente é inferior a 0.1%. A concentração de dopagem e a mobilidade do boro no diamante apresentam uma relação inversa. Concentrações excessivas de dopagem geralmente levam a uma rápida diminuição da mobilidade. Quando a concentração de dopagem de boro é de 1019 cm-3, a mobilidade será reduzida para 100 cm2·V -1· s-1Os seguintes.

(Imagem da apresentação em PowerPoint do relatório Carbontech 2020, elaborada pelo Professor Zhang Jinfeng da Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica de Xi'an)

Selecionado com base na posição do átomo de carbono (C) do diamante (raio covalente de 0.077 nm) na tabela periódica dos elementos, o átomo mais próximo é o nitrogênio (N) (0.075 nm), o que também o torna um candidato favorável para dopagem do tipo n em diamante. No entanto, após a dopagem, os átomos de N que substituem os átomos de C no diamante sofrem distorções devido ao efeito Jahn-Teller, causando o encurvamento da rede cristalina local e o desvio dos átomos de N da posição original. Seu nível de energia de dopagem é muito profundo, 1.7 eV, dificultando a condução de eletricidade à temperatura ambiente.

(Imagem da apresentação em PowerPoint do relatório Carbontech 2020, elaborada pelo Professor Zhang Jinfeng da Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica de Xi'an)

Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de semicondutores de diamante, gargalos como a tecnologia de dopagem do tipo n, a preparação de monocristais de grande porte e alta qualidade, e a tecnologia de epitaxia de materiais com alta planicidade e uniformidade certamente serão superados no futuro, permitindo a realização de dispositivos eletrônicos de diamante com desempenho de potência superior. Mas isso é inseparável dos esforços incessantes dos pesquisadores científicos!

diodo de potênciaNos últimos 10 anos, o progresso dos materiais de diamante CVD em termos de tamanho grande, baixo número de defeitos e alta dopagem impulsionou diretamente o desenvolvimento de diodos de diamante na direção de alta tensão de ruptura, alta rigidez dielétrica, baixa resistência de condução, alta taxa de comutação e operação em alta temperatura. Tanto os diodos Schottky de diamante (SBD) quanto os diodos de junção pn estão em desenvolvimento, sendo que os diodos SBD de diamante estão se desenvolvendo mais rapidamente e já se encontram na fase experimental de aplicação preliminar.

A principal razão para a baixa tensão de ruptura dos diodos e transistores de diamante (menos de 500 V) é a dificuldade em controlar as substâncias dopantes no diamante.O diamante é o material com a maior densidade atômica da Terra. Com exceção de alguns átomos pequenos, como os elementos H, P, N e Si, é difícil adicionar outros átomos grandes em seu cristal.

diodo pino de diamanteÉ um dispositivo avançado adequado para aplicações de alta potência, exceto pelo fato de seu campo elétrico crítico ser de 3 MV·cm.-1(Limite teórico do SiC), a resistência em série dos diodos PIN de diamante também pode ser significativamente reduzida com o uso de uma camada fortemente dopada. Nos últimos 10 anos, a tecnologia de diodos PIN de diamante apresentou grandes avanços, como descobertas importantes na preparação de camadas p+ e n+ fortemente dopadas com mecanismos de condução de transição; mecanismos de transporte de portadores em diodos de junção p+-i-n+ de diamante com baixa resistência de transição; projeto de otimização da estrutura do material de diodos Schottky pn de diamante (SPND); crescimento seletivo de n+; pesquisa sobre o mecanismo do impacto de defeitos de interface entre camadas e diodos de junção pn na fuga reversa; pesquisa sobre recuperação reversa e tempo de vida dos portadores minoritários em diodos PIN de diamante; pesquisa sobre o mecanismo da altura de barreira Schottky irregular em diodos Schottky pin de diamante (SPIND) e outras tecnologias-chave.

Transistores de potência e circuitos lógicos

Os transistores de diamante têm apresentado avanços tanto na área da eletrônica de potência quanto na da eletrônica de micro-ondas. No campo da eletrônica de potência, a direção de desenvolvimento aponta para dispositivos com alta tensão de ruptura, alta rigidez dielétrica, operação em altas temperaturas, baixa resistência de condução, alta taxa de comutação e comportamento normalmente desligado.Os transistores de diamante são compostos principalmente por vários tipos de FETs, incluindoTransistores de efeito de campo metal-semicondutor (MESFETs), MOSFETs e JFETsetc. Existem dois tipos de canais: gás de buracos bidimensional na superfície terminal de hidrogênio do diamante e camada dopada do tipo p. Com o avanço dos materiais de dopagem do tipo n, dispositivos bipolares de diamante começaram a surgir e, recentemente, transistores bipolares de heterojunção foram desenvolvidos. No campo da eletrônica de micro-ondas, os FETs com terminação de hidrogênio são dominantes e estão sendo desenvolvidos visando alta fT/fmax e alta densidade de potência.

O MESFET de diamante utiliza a barreira Schottky para modular e controlar o canal. Os avanços tecnológicos dos últimos anos incluem: a combinação de um amplo espaçamento entre porta e dreno com um canal p levemente dopado, pesquisas sobre o efeito da redução do espaçamento entre porta e fonte, a aprovação em experimentos de irradiação com nêutrons de 14.8 MeV, maior concentração de dopagem com boro e uma boa tecnologia de camada de canal epitaxial superficial, além do recozimento em alta temperatura do MESFET de diamante dopado com boro.

MOSFET de diamanteÉ o transistor de diamante mais estudado, que utiliza uma estrutura de controle de porta MOS para suprimir a corrente de fuga da porta. Nos últimos anos, o MOSFFT de diamante tem sido dominado por dispositivos com canal terminado em hidrogênio e alcançou avanços em uma série de tecnologias-chave, como a estrutura da camada de óxido de porta de Al2O3 altamente estável.

Para aplicações em dispositivos de potência que operam em altas tensões e altas temperaturas, o JFET com canal de corpo em diamante, que é mais estável do que os dispositivos com canal de superfície, apresenta maior vantagem.

Diamante BJTÉ um dos principais dispositivos de comutação de potência. Comparados aos FETs de diamante com terminação de hidrogênio, os BJTs baseados em diamante não possuem camada dielétrica de porta, apresentam condutividade superficial com terminação de hidrogênio e efeitos de modulação de condutância que permitem a injeção de portadores minoritários, resultando em uma resistência de condução potencialmente menor. Um parâmetro chave dos BJTs de potência é o fator de amplificação da corrente de emissor comum, que possibilita a amplificação da corrente em comparação aos FETs de diamante, reduzindo assim os requisitos de energia do circuito de acionamento.

circuito lógico de diamanteO desenvolvimento de circuitos lógicos de diamante é o primeiro passo no desenvolvimento de circuitos integrados de diamante. Com o desenvolvimento de MISFETs de diamante aprimorados, a pesquisa e o desenvolvimento de circuitos lógicos de diamante ganharam impulso.

RF FETO diamante possui propriedades semicondutoras, como alta condutividade térmica, alta rigidez dielétrica e alta velocidade de saturação de portadores. Por esse motivo, dispositivos de alta frequência e alta potência baseados em diamante também são um dos principais focos de pesquisa na eletrônica de diamante.

GaN em diamante HEMT:As ligações covalentes entre os átomos de diamante são extremamente fortes, conferindo à estrutura rígida uma alta frequência de vibração. Sua temperatura característica de Debye chega a 2200 K. O espalhamento de fônons é pequeno, portanto a resistência à condução de calor por fônons é extremamente baixa. Sua condutividade térmica é cinco vezes maior que a do cobre, atingindo 2000 W/(m·K). A eletrônica de micro-ondas de GaN, um semicondutor de banda proibida larga, tornou-se a principal tecnologia da atualidade após quase duas décadas de desenvolvimento, e seus problemas de gerenciamento térmico se tornaram o principal obstáculo para seu avanço. Portanto, a combinação das vantagens de condutividade térmica do diamante de banda proibida ultralarga com a tecnologia GaN tornou-se inevitável para o desenvolvimento da próxima geração de eletrônica de micro-ondas de GaN. Isso também fornece uma base para o desenvolvimento contínuo da eletrônica de micro-ondas de GaN.2O3Fornecer referência para o gerenciamento térmico de dispositivos eletrônicos, etc. Materiais de diamante podem ser usados ​​como materiais de gerenciamento térmico para dispositivos eletrônicos de potência e estão sendo desenvolvidos na direção de grandes dimensões, baixa resistência térmica interfacial e alta condutividade térmica.

。。。

Com a ampla aplicação de semicondutores de terceira geração e o advento da era 5G, os materiais tradicionais de gerenciamento térmico para encapsulamento eletrônico, e até mesmo os materiais dos chips, enfrentam enormes desafios de atualização. O carbono avançado e seus materiais compósitos, que surgiram rapidamente nos últimos anos, desempenharão um papel importante na dissipação de calor de dispositivos optoeletrônicos de alta potência e alta frequência, tornando-se materiais ideais para gerenciamento térmico na indústria eletrônica! (Incluindo materiais para dissipadores de calor, materiais de encapsulamento, materiais de base, etc.).

(Imagem da apresentação em PowerPoint do relatório Carbontech 2020, elaborada pelo Professor Wang Chengyong da Universidade de Tecnologia de Guangdong)

Substrato de dissipação de calor em diamante em dispositivos de potência baseados em GaN:O desempenho máximo de dispositivos de potência baseados em nitreto de gálio (GaN) é limitado pela baixa condutividade térmica do substrato sobre o qual o GaN é depositado. O diamante depositado por deposição química de vapor (CVD), com sua alta condutividade térmica, tornou-se uma excelente opção como material de substrato para difusão térmica em dispositivos de potência de GaN. Diversos estudos técnicos têm sido realizados sobre a combinação de diamante de alta condutividade térmica e dispositivos de GaN, incluindo principalmente tecnologia de colagem a baixa temperatura, tecnologia de transferência de substrato para crescimento direto de diamante na parte posterior da camada epitaxial de GaN, tecnologia de GaN epitaxial com diamante monocristalino e tecnologia de dissipação de calor com camada de passivação de diamante de alta condutividade térmica.

O crescimento direto de diamante na parte posterior da camada epitaxial de GaN apresenta boa resistência de ligação interfacial, mas envolve dificuldades técnicas como alta temperatura, alta tensão no wafer e alta resistência térmica interfacial. A tecnologia de GaN epitaxial com diamante monocristalino e a tecnologia de dissipação de calor com camada de passivação de diamante de alta condutividade térmica são limitadas, respectivamente, pelo pequeno tamanho, alto custo e incompatibilidade de processo do diamante monocristalino. Portanto, o desenvolvimento de substratos de diamante de baixo custo e grande tamanho, o aprimoramento da tecnologia de controle de tensão no wafer e da resistência de ligação interfacial, a redução da resistência térmica interfacial e a melhoria do desempenho de dispositivos GaN em substratos de diamante serão o foco do desenvolvimento futuro da tecnologia de ligação entre diamante e dispositivos GaN.

(Imagem da apresentação em PowerPoint do relatório Carbontech 2020, elaborada pelo Professor Zhang Jinfeng da Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica de Xi'an)

laser semicondutor encapsulado em diamante

Quando um laser semicondutor de alta potência está em funcionamento, a área ativa gera uma grande quantidade de calor, o que reduz a potência de saída do laser e diminui sua vida útil. O diamante possui alta condutividade térmica. Utilizá-lo como dissipador de calor de transição melhora a capacidade de dissipação de calor do dispositivo, reduz a resistência térmica, aumenta a potência de saída do laser e prolonga sua vida útil.

Pesquisa com laser Raman de diamante:O espalhamento Raman estimulado é um importante efeito óptico não linear. Ele permite obter um deslocamento de frequência fixo para todos os fótons incidentes sem a necessidade de casamento de fase. Trata-se de uma tecnologia importante para expandir a faixa de utilização de lasers. A pesquisa nessa área tornou-se um ponto crucial no desenvolvimento da tecnologia laser.

Como material cristalino Raman de excelente desempenho, o diamante apresenta o maior deslocamento de frequência Raman, de 1332.3 cm⁻¹, entre os materiais cristalinos conhecidos.-1, sua largura de linha de ganho Raman é de cerca de 1.5 cm à temperatura ambiente.-1O ganho Raman do diamante apresenta seletividade de polarização. Quando a direção de polarização da luz de bombeamento é paralela à direção <111> do cristal de diamante, seu ganho Raman é máximo (10 cm/GW a 1 μm), e a luz Raman emitida é linearmente polarizada. O diamante possui condutividade térmica ultra-alta, e sua capacidade de dissipação de calor ultrarrápida é fundamental para que os cristais de diamante mantenham um alto ganho Raman e obtenham um feixe laser de alta qualidade em operação de alta potência.

Comparação entre cristais Raman a laser comuns e diamante.

Nos últimos anos, com o aprimoramento da tecnologia de preparação por deposição química de vapor, a qualidade óptica do diamante artificial melhorou rapidamente. Cristais de diamante de grau óptico também demonstraram excelente melhoria de potência, aumento de coerência e capacidades de conversão de frequência, graças às suas excelentes características Raman e Brillouin. Isso permitiu que os lasers de diamante superassem em muito os efeitos térmicos dos lasers de inversão do número de partículas baseados em materiais de trabalho tradicionais, bem como a dificuldade de equilibrar o comprimento de onda e a potência de saída.

Substrato de dissipação de calor para encapsulamento 3D em diamante monocristalino:

Com a Lei de Moore já consolidada como consenso na indústria, a proposta do conceito "Mais Moore" parece ter trazido um novo fôlego ao desenvolvimento da indústria de fabricação de chips. De forma geral, o conceito de "Mais Moore" refere-se à redução contínua das dimensões dos componentes dos chips, o que engloba dois aspectos: a redução contínua das dimensões dos componentes nas direções horizontal e vertical do wafer para melhorar a densidade, o desempenho e a confiabilidade; e o uso de tecnologias de processo, como estruturas 3D e novos materiais, para otimizar o desempenho elétrico do wafer.

(Imagem da apresentação em PowerPoint do relatório Carbontech 2020, elaborada por Jiangnan, pesquisador do Instituto de Materiais de Ningbo)

Os materiais de encapsulamento eletrônico são usados ​​para transportar componentes eletrônicos e suas interconexões. Eles servem principalmente como suporte mecânico, proteção de vedação, dissipação de calor e blindagem. Têm um impacto muito importante no desempenho e na confiabilidade dos circuitos integrados. Com o desenvolvimento da tecnologia eletrônica, os circuitos integrados estão evoluindo para escala ultragrande, velocidade ultra-alta, alta densidade, alta potência, alta precisão e multifuncionalidade, o que impõe requisitos cada vez maiores aos materiais de encapsulamento. A pesquisa e o desenvolvimento de materiais de encapsulamento multissistema de alto desempenho, como diamante/cobre, diamante/alumínio, diamante/carboneto de silício, grafite/cobre, etc., são de grande importância para impulsionar o desenvolvimento de materiais de encapsulamento eletrônico na direção da miniaturização, alto desempenho, alta confiabilidade e baixo custo.

。。。。。

Materiais de diamante e tecnologia de processamento a laser:Comparado a outros materiais, o diamante apresenta características como alta resistividade, alta rigidez dielétrica, baixa constante dielétrica e baixa expansão térmica. Sua aplicação em gerenciamento térmico pode atender às exigências de desenvolvimento de montagens de alta densidade e alta integração na indústria eletrônica em rápida expansão. O processamento a laser permite a obtenção de microestruturas de diamante com alta qualidade. Trata-se de uma tecnologia de fabricação avançada que está sendo pesquisada atualmente no país e no exterior.

Tecnologia de retificação e polimento de substratos de diamante

Os dispositivos semicondutores incluem principalmente circuitos integrados, dispositivos de potência, dispositivos optoeletrônicos e sensores, entre outros. Os dispositivos de potência são amplamente utilizados nas áreas aeroespacial, militar e de defesa nacional, energia elétrica, transporte ferroviário e Internet das Coisas (IoT). O wafer semicondutor é o suporte do dispositivo semicondutor, e o substrato semicondutor é o suporte do wafer semicondutor. O substrato é a base epitaxial dos dispositivos semicondutores, determinando diretamente a qualidade e o desempenho do dispositivo.

Usinagem de ultraprecisão

Os objetos de usinagem de ultraprecisão são geralmente materiais de diamante de pequenas dimensões, que são muito caros para a industrialização e não são adequados para aplicações industriais. Para aplicar com sucesso o diamante na dissipação de calor de dispositivos de potência e alcançar a industrialização, a obtenção de materiais base para dissipação de calor em escala de wafer de grandes dimensões e com boa qualidade de superfície é fundamental. Além disso, à medida que o nível de integração de circuitos em substratos de diamante aumenta, os requisitos de qualidade de superfície também aumentam gradualmente. A rugosidade da superfície evoluirá para o nível de angstrom ou até menor, e a distorção da superfície atingirá 5 μm ou menos.

Aviso: Este artigo foi reproduzido da "DT Semiconductor Materials", que apoia a proteção dos direitos de propriedade intelectual. Por favor, indique a fonte original e o autor da reprodução. Caso haja alguma infração, entre em contato conosco para que possamos remover o conteúdo.