Nhắc đến kim cương, tôi nghĩ nhiều người trong đời không mấy quen thuộc với nó. Người biên tập chưa từng làm việc trong ngành này, và hiểu biết của tôi về kim cương chỉ giới hạn ở cấu trúc hoàn hảo của nó (P/S: người biên tập là chuyên gia về vật liệu gốm huỳnh quang)....Thà thay đổi từ "kim cương", một từ đã ăn sâu vào tâm trí mọi người, đầy vẻ hào nhoáng, cám dỗ.

Chiêu trò lừa đảo "kim cương là vĩnh cửu" đã chôn vùi tài năng thực sự của kim cương và biến chúng thành những người có kỹ năng vượt trội. Bạn nghĩ anh ta là người giàu, nhưng thực chất anh ta là một vị vua.Ứng dụng của kim cương trong lĩnh vực công nghiệp lớn hơn nhiều so với trong lĩnh vực trang sức.Đặc biệt trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao trong tương lai, vật liệu kim cương có tiềm năng rất lớn.

Trong kỷ nguyên hậu Moore, sự phát triển của điện tử dựa trên carbon đã nhận được sự quan tâm rộng rãi. Trong lĩnh vực điện tử nano, những tiến bộ đáng kể đã đạt được trong nghiên cứu điện tử nano dựa trên carbon, chủ yếu là ống nano carbon một chiều và graphene hai chiều.Trong lĩnh vực điện tử công suất, nghiên cứu về điện tử công suất kim cương, vốn được biết đến như một bước đột phá trong ngành bán dẫn, cũng đang cho thấy sức sống mạnh mẽ, thể hiện tiềm năng trở thành thế hệ điện tử công suất tiếp theo.

Có lý do tại sao chất bán dẫn kim cương được ngành công nghiệp ca ngợi là chất bán dẫn tối ưu. Trọng tâm nghiên cứu chính hiện nay dựa trên các đặc tính của chính kim cương.

(Hình ảnh trích từ báo cáo PowerPoint về Carbontech 2020 của Giáo sư Zhang Jinfeng thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Tây An)

Kim cương là vật liệu bán dẫn có khe năng lượng siêu rộng với độ rộng khe năng lượng là 5.5 eV, lớn hơn các vật liệu bán dẫn có khe năng lượng rộng như GaN và SiC. Như bảng dưới đây cho thấy, độ rộng khe năng lượng của kim cương gấp 5 lần so với Si; độ linh động của hạt tải điện cũng gấp 3 lần so với vật liệu Si. Về mặt lý thuyết, độ linh động của hạt tải điện trong kim cương cao hơn gấp 2 lần so với các vật liệu bán dẫn có khe năng lượng rộng hiện có (GaN, SiC). Đồng thời, kim cương có nồng độ hạt tải điện nội tại cực thấp ở nhiệt độ phòng. Hơn nữa, ngoài độ cứng cao nhất, kim cương còn có độ dẫn nhiệt cao nhất trong số các vật liệu bán dẫn, gấp 7.5 lần so với AlN. Dựa trên các thông số hiệu suất tuyệt vời này, kim cương được coi là vật liệu triển vọng nhất để chế tạo thế hệ thiết bị điện tử công suất cao, tần số cao, nhiệt độ cao và tổn hao điện năng thấp tiếp theo, và được ngành công nghiệp ca ngợi là "chất bán dẫn tối ưu".

Đặc biệt, kỷ nguyên truyền thông 5G đang phát triển nhanh chóng, và việc ứng dụng vật liệu tinh thể đơn kim cương trong chất bán dẫn và các thiết bị điện tần số cao ngày càng trở nên nổi bật. Tinh thể đơn kim cương và các sản phẩm từ kim cương là nền tảng vật liệu quan trọng cho việc thực hiện các chiến lược quốc gia trọng điểm như gia công siêu chính xác và lưới điện thông minh, cũng như nâng cấp các nhóm ngành như sản xuất thông minh và truyền thông 5G. Sự đột phá và công nghiệp hóa công nghệ này có ý nghĩa to lớn đối với sự an toàn độc lập của ngành sản xuất thông minh và ngành dữ liệu lớn của Trung Quốc.

Vì mục đích này, Các hướng nghiên cứu cần sử dụng vật liệu kim cươngKích thước lớn, ít khuyết tật, điện trở suất thấp và dẫn nhiệt cao.direction of development.

Các nghiên cứu hiện tại về vật liệu và thiết bị bán dẫn kim cương chủ yếu tập trung vào các khía cạnh sau:

Các phương pháp chế tạo kim cương chủ yếu được chia thành phương pháp nhiệt độ cao và áp suất cao (HPHT) và phương pháp lắng đọng hơi hóa học plasma (PCVD). So với phương pháp HPHT và các phương pháp PCVD khác,MPCVD là phương pháp phóng điện không cần điện cực, không gây ô nhiễm và có khả năng kiểm soát lớp màng mỏng rất tốt. Phương pháp này có những ưu điểm rõ rệt hơn trong việc chế tạo kim cương kích thước lớn, độ tinh khiết cao và nghiên cứu pha tạp. Đây là phương pháp được ưu tiên lựa chọn để chế tạo kim cương chất lượng cao và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực..

Về phát triển công nghệ chủ chốt và thương mại hóa thiết bị MPCVD tiên tiến, các nhóm nghiên cứu từ Nhật Bản, Hoa Kỳ, Đức và các nước khác đang giữ vị trí dẫn đầu. Trong đó, về phát triển và ứng dụng thiết bị MPCVD kiểu cửa sổ thạch anh phẳng và thiết bị MPCVD kiểu CAP, công ty Seki của Nhật Bản chiếm vị trí hàng đầu thế giới và duy trì vị thế dẫn đầu về công nghệ. Về phát triển và ứng dụng thiết bị MPCVD kiểu chuông thạch anh, nhóm nghiên cứu Asmussen tại Đại học Bang Michigan ở Hoa Kỳ đã phát triển thiết bị áp suất cao (>2.4×10⁻⁶).4Pa) hoạt động trong một khoang cộng hưởng plasma vi sóng mật độ công suất cao để đạt được quá trình lắng đọng kim cương tốc độ cao.

Về phát triển và ứng dụng các thiết bị MPCVD vòng thạch anh, các thiết bị MPCVD do Plassys của Pháp và iPlas của Đức sản xuất rất tiêu biểu. Trong số đó, thiết bị của iPlas có cấu trúc ghép khe vi sóng và phù hợp cho việc chế tạo kim cương kích thước lớn, nhưng tốc độ lắng đọng không thực sự lý tưởng. Trong nghiên cứu và phát triển thiết bị MPCVD khoang cộng hưởng hình elip, Viện Fraunhofer của Đức và Aixtron luôn duy trì vị trí hàng đầu thế giới. So với thiết bị MPCVD kiểu chuông thạch anh hoặc kiểu vòng thạch anh, thiết bị có cấu trúc này phù hợp để kết hợp với các nguồn điện vi sóng có mức công suất cao hơn, có lợi cho việc thu được diện tích plasma lớn hơn.Việc tạo ra plasma vi sóng đồng nhất, ổn định và trên diện tích lớn là mục tiêu cuối cùng của các nhà phát triển thiết bị MPCVD.

In recent years, domestic research teams related to MPCVD equipment development have achieved certain results in the development of new MPCVD resonant cavities. However, compared with advanced foreign teams, few domestic companies or institutions have broken through the technical difficulties of achieving large-scale commercial mass production. therefore,Những đột phá trong các công nghệ then chốt như thiết kế tối ưu độc lập các bộ cộng hưởng plasma vi sóng và cải tiến quy trình chế tạo kim cương kích thước lớn đang đòi hỏi sự đầu tư và nghiên cứu liên tục từ các nhóm nghiên cứu trong nước. Vẫn còn một chặng đường dài phía trước để khám phá trong tương lai.

Với tư cách là vật liệu bán dẫn, yêu cầu về chế tạo và hướng ứng dụng của tinh thể đơn và đa tinh thể kim cương khá khác nhau.

Preparation method of CVD polycrystalline diamond film, includingCông nghệ CVD plasma hồ quang DC công suất cao, CVD dây nóng và MPCVD, v.v.Việc chế tạo màng kim cương đa tinh thể cấp quang học và cấp điện tử đòi hỏi tốc độ lắng đọng lý tưởng và mật độ khuyết tật cực thấp hoặc có thể kiểm soát được. Phương pháp MPCVD không cần phóng điện nhiễm bẩn điện cực chắc chắn sẽ trở thành phương pháp lý tưởng để chế tạo màng kim cương cấp điện tử và cấp quang học. Tuy nhiên, tốc độ tăng trưởng của kim cương đa tinh thể chậm và tính nhất quán về định hướng tinh thể rất quan trọng đối với quá trình gia công, khiến việc chế tạo trở nên khó khăn.

Hiện nay, Element Six đã đạt được sản xuất hàng loạt thương mại kim cương đa tinh thể cấp điện tử 4 inch. Nhóm nghiên cứu của Li Chengming từ Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh, nhóm của Wang Jianhua từ Đại học Công nghệ Vũ Hán và nhóm của Yu Shengwang từ Đại học Công nghệ Thái Nguyên đều đã đạt được những kết quả nhất định trong nghiên cứu về chế tạo màng kim cương đa tinh thể cấp quang học bằng phương pháp MPCVD. Mặc dù vẫn còn khoảng cách giữa màng kim cương đa tinh thể cấp quang học và cấp điện tử trong nước với trình độ tiên tiến quốc tế, nhưng màng kim cương đa tinh thể cấp quang học do các nhóm nghiên cứu trong nước và quốc tế phát triển có thể đáp ứng nhu cầu của cửa sổ dẫn hướng kép hồng ngoại/radar, CO công suất cao.2Các yêu cầu ứng dụng cơ bản đối với cửa sổ máy gia công laser và cửa sổ vi sóng công suất cao.

So với điều kiện chuẩn bị và ứng dụng khắc nghiệt của màng kim cương đa tinh thể cấp quang học và cấp điện tử, màng kim cương đa tinh thể được sử dụng rộng rãi hơn làm tản nhiệt cho các thiết bị bán dẫn công suất, và nhu cầu ngày càng lớn và cấp thiết hơn. Trình độ kỹ thuật hiện tại để kết tủa loại màng này cũng tương đối dễ đạt được.

Ngoài ra, lợi thế về chi phí sản xuất của kim cương đa tinh thể rõ ràng hơn so với kim cương đơn tinh thể. Trong 30 năm qua, nghiên cứu về ứng dụng màng kim cương đa tinh thể MPCVD làm tản nhiệt trong các thiết bị bán dẫn chưa bao giờ ngừng lại. Hiện nay, màng kim cương đa tinh thể gốc Si kích thước inch đang được sử dụng trong các thiết bị HEMT, và mật độ công suất RF của các thiết bị đã được cải thiện hiệu quả, đạt hơn 23W/mm. Hiện tại, kích thước của màng kim cương đa tinh thể dùng làm tản nhiệt có thể đạt tới 8 inch. Với sự cải tiến và nâng cấp công nghệ MPCVD, dự kiến ​​nó sẽ tương thích với dây chuyền sản xuất wafer bán dẫn 8 inch hiện có, cuối cùng sẽ hiện thực hóa việc ứng dụng quy mô lớn và thúc đẩy vật liệu tản nhiệt kim cương đa tinh thể trong ngành công nghiệp vật liệu bán dẫn.

So với kim cương đa tinh thể, kim cương đơn tinh thể (SCD) không bị ràng buộc bởi ranh giới hạt có tính chất quang học và điện học tốt hơn. Nó có hiệu quả ứng dụng vượt trội trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ tiên tiến như máy dò bức xạ truyền thông/điện toán lượng tử, màn hình phát xạ trường catốt lạnh, laser bán dẫn, mạch tích hợp đa chiều trên chip CPU siêu máy tính và thanh đỡ dẫn nhiệt cho ống sóng truyền vi sóng radar công suất cao quân sự. Việc chế tạo SCD kích thước lớn và chất lượng cao là điều kiện tiên quyết.

Là một tấm kim cương mỏng, kích thước của nó phải lớn hơn 2 inch. Hiện nay, các công nghệ chính để chế tạo kim cương và tấm kim cương mỏng kích thước lớn là:Sự phát triển đồng epitaxy, chuẩn bị tấm wafer khảm và sự phát triển dị epitaxyvà các công nghệ khác.

Phương pháp ghép khảmLà một phương pháp khả thi cao để chế tạo các SCD kích thước lớn, việc ghép nối và phát triển nhiều chất nền đồng nhất, kết hợp với công nghệ bóc tách, đã cho phép chế tạo các SCD kích thước lớn. Hiện nay, các tấm wafer đơn tinh thể có kích thước lên đến 2 inch đã được chế tạo. Tuy nhiên, yêu cầu về độ đồng nhất cao của chất nền và sự tồn tại của các ranh giới hạt sẽ dẫn đến các vấn đề như ứng suất và khuyết tật tại mối ghép nối, ảnh hưởng đến chất lượng của các tấm SCD được ghép nối. Ngoài ra, chi phí cao, cần phải áp dụng công nghệ bóc tách và năng suất rất thấp.

(Hình ảnh trích từ báo cáo PowerPoint về Carbontech 2020 của Giáo sư Zhang Jinfeng thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Tây An)

Tổng hợp các sản phẩm chất lượng caođồng hìnhLớp kim cương là một trong những công nghệ quan trọng để chế tạo các thiết bị điện tử kim cương. Nó có đặc điểm là mật độ khuyết tật thấp và kích thước tối đa có thể đạt tới 0.5 inch (1 inch = 2.54 cm). Trong quá trình chế tạo kim cương đơn tinh thể bằng phương pháp epitaxy, việc tách kim cương đơn tinh thể khỏi chất nền là một khâu rất quan trọng và cũng tương đối khó khăn. Bởi vì chất nền cũng là kim cương đơn tinh thể cực kỳ cứng, nên nó không thể được cắt bằng các phương pháp cắt thông thường. Các phương pháp thường được sử dụng bao gồm đánh bóng cơ học và cắt laser.

(Hình ảnh trích từ báo cáo PowerPoint về Carbontech 2020 của Giáo sư Zhang Jinfeng thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Tây An)

Bên cạnh phương pháp tăng trưởng đồng epitaxy, phương pháp tăng trưởng dị epitaxy cũng là một phương pháp hiệu quả để nuôi cấy kim cương đơn tinh thể diện tích lớn. Dị epitaxy đề cập đến việc sử dụng các lớp đệm trên chất nền Si, sapphire, MgO và các chất nền khác để giảm thiểu sự không phù hợp về nhiệt và mạng tinh thể giữa kim cương và chất nền, và cuối cùng đạt được sự phát triển của màng kim cương đơn tinh thể. Lớp đệm hiệu quả nhất là Ir, v.v. Về mặt lý thuyết, phương pháp này có thể nuôi cấy kim cương đơn tinh thể với diện tích đủ lớn để đáp ứng nhu cầu công nghiệp hóa trong lĩnh vực thiết bị điện tử. Nhược điểm chính của nó là mật độ khuyết tật cao.

Sau những đột phá trong các công nghệ then chốt như tăng trưởng tốc độ cao bằng cách bổ sung nitơ, tăng trưởng hiệu quả cao bằng phóng điện xung và loại bỏ bằng cấy ion trong công nghệ tăng trưởng lắng đọng hơi hóa học plasma vi sóng (MPCVD), sự tăng trưởng màng mỏng ba chiều đa hướng lặp lại tốc độ cao (tốc độ tăng trưởng 100 μm·h) bằng MPCVD đã được đạt được trong 10 năm qua.-1), các công nghệ tiên tiến như sự phát triển của các cạnh kim cương đa tinh thể, dày và kích thước lớn và việc sử dụng CVD plasma trong hệ thống (H, C, N, O) trong 200 giờ mà không có ranh giới và tăng trưởng liên tục.

Đối với các thiết bị bán dẫn kim cương, việc pha tạp vật liệu kim cương là công nghệ cơ bản để tạo ra các thiết bị công suất.Vấn đề lớn nhất trong việc thương mại hóa chất bán dẫn kim cương là việc pha tạp khối lượng lớn kim cương hiệu quả vẫn chưa được giải quyết. Việc chế tạo transistor loại P thì dễ nhưng chế tạo transistor loại N thì khó..Công nghệ pha tạp p-type của kim cương tương đối hoàn thiện, và chất pha tạp chính là các nguyên tử boron. Đối với kim cương p-type, tạp chất boron có thể dễ dàng tích hợp vào kim cương tự nhiên và kim cương MPCVD, và không có vấn đề về định hướng tinh thể, nhưng hiệu suất kích hoạt của boron ở nhiệt độ phòng nhỏ hơn 0.1%. Nồng độ pha tạp và độ linh động của boron trong kim cương có mối quan hệ đánh đổi. Nồng độ pha tạp quá cao thường dẫn đến sự giảm nhanh độ linh động. Khi nồng độ pha tạp boron là 1019 cm-3Khả năng di chuyển sẽ bị giảm xuống còn 100 cm.2·V -1·NS-1sau đây

(Hình ảnh trích từ báo cáo PowerPoint về Carbontech 2020 của Giáo sư Zhang Jinfeng thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Tây An)

Dựa trên vị trí của nguyên tử cacbon (C) trong kim cương (bán kính cộng hóa trị 0.077 nm) trong bảng tuần hoàn các nguyên tố, nguyên tử gần nhất là nguyên tử nitơ (N) (0.075 nm), điều này khiến nó cũng là một ứng cử viên tiềm năng cho việc pha tạp loại n trong kim cương. Tuy nhiên, sau khi pha tạp, các nguyên tử N thay thế các nguyên tử C trong kim cương bị biến dạng do hiệu ứng Jahn-Teller, làm cho mạng tinh thể cục bộ bị lệch và các nguyên tử N bị sai lệch khỏi vị trí thay thế. Mức năng lượng pha tạp của nó rất sâu, 1.7 eV, khiến nó khó dẫn điện ở nhiệt độ phòng.

(Hình ảnh trích từ báo cáo PowerPoint về Carbontech 2020 của Giáo sư Zhang Jinfeng thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Tây An)

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ bán dẫn kim cương, những trở ngại như công nghệ pha tạp loại n, chế tạo tinh thể đơn kích thước lớn và chất lượng cao, và công nghệ epitaxy vật liệu có độ phẳng và độ đồng nhất cao chắc chắn sẽ được vượt qua trong tương lai để hiện thực hóa các thiết bị điện tử kim cương với hiệu suất năng lượng cao hơn. Nhưng điều này không thể tách rời khỏi những nỗ lực không ngừng nghỉ của các nhà nghiên cứu khoa học!

điốt điệnTrong 10 năm qua, sự tiến bộ của vật liệu kim cương CVD về kích thước lớn, ít khuyết tật và khả năng pha tạp cao đã trực tiếp thúc đẩy sự phát triển của điốt kim cương theo hướng điện áp đánh thủng cao, cường độ điện trường đánh thủng cao, điện trở bật thấp, tốc độ chuyển mạch cao và hoạt động ở nhiệt độ cao. Cả hai loại điốt SBD và điốt pn đều đang được phát triển, trong đó điốt SBD kim cương phát triển nhanh hơn và đã ở giai đoạn thử nghiệm ứng dụng sơ bộ.

Nguyên nhân chính dẫn đến điện áp đánh thủng thấp của điốt và bóng bán dẫn kim cương (dưới 500 V) là do khó kiểm soát các chất pha tạp trong kim cương.Kim cương là vật liệu có mật độ nguyên tử cao nhất trên Trái đất. Ngoại trừ một vài nguyên tử nhỏ như H, P, N và Si, rất khó để thêm các nguyên tử lớn khác vào cấu trúc tinh thể của nó.

Điốt kim cươngĐây là một thiết bị tiên tiến phù hợp cho các ứng dụng công suất cao, ngoại trừ điện trường tới hạn của nó là 3 MV·cm.-1(Giới hạn lý thuyết của SiC), điện trở nối tiếp của điốt pin kim cương cũng có thể được giảm đáng kể bằng cách sử dụng lớp pha tạp nặng. Trong 10 năm qua, công nghệ điốt pin kim cương đã có những tiến bộ vượt bậc, chẳng hạn như những đột phá trong việc chế tạo các lớp p+ và n+ pha tạp nặng với cơ chế dẫn chuyển tiếp; cơ chế vận chuyển điện tích của điốt tiếp giáp p+-i-n+ kim cương với độ dẫn chuyển tiếp điện trở thấp; thiết kế tối ưu hóa cấu trúc vật liệu của điốt pn kim cương Schottky (SPND); nghiên cứu về cơ chế tác động của các khuyết tật giao diện của các lớp và điốt tiếp giáp pn lên rò rỉ ngược; nghiên cứu về phục hồi ngược và thời gian sống của điện tích thiểu số trong điốt pin kim cương; nghiên cứu về cơ chế chiều cao rào cản Schottky không đồng đều của điốt pin Schottky kim cương (SPIND) và các công nghệ quan trọng khác.

Transistor công suất và mạch logic

Các transistor kim cương đã đạt được những tiến bộ trong cả lĩnh vực điện tử công suất và điện tử vi sóng. Trong lĩnh vực điện tử công suất, hướng phát triển là hướng tới điện áp đánh thủng cao, cường độ điện trường đánh thủng cao, hoạt động ở nhiệt độ cao, điện trở bật thấp, tốc độ chuyển mạch cao và các thiết bị thường tắt.Transistor kim cương chủ yếu được cấu tạo từ nhiều loại FET khác nhau, bao gồm:Transistor hiệu ứng trường bán dẫn kim loại (MESFET), MOSFET và JFETVân vân. Có hai loại kênh: kênh kim cương, kênh khí lỗ hai chiều và kênh lớp pha tạp loại p. Với sự phát triển của vật liệu pha tạp loại n, các thiết bị kim cương lưỡng cực đã bắt đầu xuất hiện, và gần đây các transistor lưỡng cực dị cấu trúc đã được phát triển. Trong lĩnh vực điện tử vi sóng, FET kết thúc bằng hydro chiếm ưu thế và đang phát triển theo hướng có fT/fmax cao và mật độ công suất cao.

MESFET kim cương sử dụng rào cản Schottky để điều chỉnh và kiểm soát kênh dẫn. Những tiến bộ công nghệ trong những năm gần đây bao gồm: sự kết hợp giữa khoảng cách cổng-cống rộng và kênh p được pha tạp nhẹ, nghiên cứu về ảnh hưởng của việc giảm khoảng cách cổng-nguồn, vượt qua các thí nghiệm chiếu xạ neutron 14.8 MeV, nồng độ pha tạp boron cao hơn và công nghệ lớp kênh dẫn epitaxy bề mặt tốt, và quá trình ủ nhiệt độ cao của MESFET kim cương pha tạp boron.

MOSFET kim cươngĐây là loại transistor kim cương được nghiên cứu rộng rãi nhất, sử dụng cấu trúc điều khiển cổng MOS để triệt tiêu dòng rò rỉ cổng. Trong những năm gần đây, MOSFFT kim cương chủ yếu tập trung vào các thiết bị kênh kết thúc bằng hydro và đã đạt được những đột phá trong một loạt các công nghệ then chốt như cấu trúc lớp oxit cổng Al2O3 có độ ổn định cao.

Đối với các ứng dụng thiết bị điện hoạt động ở điện áp và nhiệt độ cao, transistor JFET có cấu trúc kênh thân kim cương, ổn định hơn so với các thiết bị có cấu trúc kênh bề mặt, sẽ có nhiều ưu điểm hơn.

Kim cương BJTĐây là một trong những thiết bị chuyển mạch công suất chính. So với các transistor hiệu ứng trường kim cương (FET) được kết thúc bằng hydro, các transistor lưỡng cực kim cương (BJT) không có lớp điện môi cổng, có độ dẫn bề mặt được kết thúc bằng hydro và hiệu ứng điều biến độ dẫn có thể tạo ra sự tiêm các hạt tải điện thiểu số, dẫn đến điện trở bật tiềm năng thấp hơn. Một thông số quan trọng của BJT công suất là hệ số khuếch đại của dòng điện cực phát chung, cho phép khuếch đại dòng điện so với các FET kim cương để giảm yêu cầu công suất của mạch điều khiển.

mạch logic kim cươngViệc phát triển các mạch logic kim cương là bước đầu tiên trong quá trình phát triển các mạch tích hợp kim cương. Với sự phát triển của các MISFET kim cương cải tiến, nghiên cứu và phát triển các mạch logic kim cương đã được thúc đẩy.

FET RFKim cương có các đặc tính bán dẫn như độ dẫn nhiệt cao, cường độ điện trường đánh thủng cao và tốc độ bão hòa hạt tải điện cao. Vì lý do này, các thiết bị tần số cao và công suất cao làm từ kim cương cũng là một trong những lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm của ngành điện tử kim cương.

GaN trên HEMT kim cương:Các liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử kim cương cực kỳ bền vững, tạo cho cấu trúc cứng vững này tần số dao động cao. Nhiệt độ đặc trưng Debye của nó cao tới 2200 K. Sự tán xạ phonon nhỏ, do đó điện trở dẫn nhiệt sử dụng phonon làm môi trường cực kỳ thấp. Độ dẫn nhiệt của nó gấp năm lần so với đồng, lên tới 2000 W/(m·K). Điện tử vi sóng bán dẫn có dải năng lượng rộng GaN đã trở thành xu hướng chủ đạo hiện nay sau gần hai thập kỷ phát triển, và các vấn đề quản lý nhiệt của nó đã trở thành trở ngại chính cho sự phát triển hơn nữa. Do đó, sự kết hợp giữa ưu điểm dẫn nhiệt của kim cương có dải năng lượng siêu rộng và công nghệ GaN trở nên không thể tránh khỏi đối với sự phát triển của thế hệ điện tử vi sóng GaN tiếp theo. Nó cũng cung cấp cơ sở cho sự phát triển liên tục của điện tử vi sóng GaN.2O3Cung cấp tài liệu tham khảo cho việc quản lý nhiệt của các thiết bị điện tử, v.v. Vật liệu kim cương có thể được sử dụng làm vật liệu quản lý nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất, và đang được phát triển theo hướng kích thước lớn, điện trở nhiệt giao diện thấp và độ dẫn nhiệt cao.

...

Với sự phổ biến rộng rãi của chất bán dẫn thế hệ thứ ba và sự ra đời của kỷ nguyên 5G, các vật liệu quản lý nhiệt đóng gói điện tử truyền thống và thậm chí cả vật liệu chip đang phải đối mặt với những thách thức lớn trong việc nâng cấp. Vật liệu carbon tiên tiến và các vật liệu composite của nó, vốn đã nổi lên nhanh chóng trong những năm gần đây, sẽ đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực tản nhiệt của các thiết bị quang điện tử công suất cao, tần số cao và trở thành vật liệu quản lý nhiệt lý tưởng trong ngành công nghiệp điện tử! (Bao gồm vật liệu tản nhiệt, vật liệu đóng gói, vật liệu nền, v.v.).

(Hình ảnh trích từ bài thuyết trình PowerPoint báo cáo Carbontech 2020 của Giáo sư Wang Chengyong thuộc Đại học Công nghệ Quảng Đông)

Lớp nền tản nhiệt bằng kim cương trong các thiết bị điện tử công suất dựa trên GaN:Hiệu suất tối đa của các thiết bị điện dựa trên gallium nitride (GaN) bị hạn chế bởi độ dẫn nhiệt thấp của chất nền mà GaN được lắng đọng lên. Kim cương được lắng đọng bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) với độ dẫn nhiệt cao đã trở thành lựa chọn tuyệt vời cho vật liệu nền khuếch tán nhiệt cho các thiết bị điện GaN. Các nhà nghiên cứu liên quan đã thực hiện một số nghiên cứu kỹ thuật về sự kết hợp giữa kim cương có độ dẫn nhiệt cao và các thiết bị GaN, chủ yếu bao gồm công nghệ liên kết ở nhiệt độ thấp, công nghệ chuyển chất nền để trực tiếp nuôi cấy kim cương trên mặt sau của lớp màng GaN, công nghệ GaN màng mỏng kim cương đơn tinh thể và công nghệ tản nhiệt bằng lớp thụ động kim cương có độ dẫn nhiệt cao.

Việc nuôi cấy kim cương trực tiếp trên mặt sau của lớp màng GaN có độ bền liên kết giao diện tốt, nhưng lại gặp phải những khó khăn kỹ thuật như nhiệt độ cao, ứng suất wafer cao và điện trở nhiệt giao diện cao. Công nghệ GaN màng kim cương đơn tinh thể và công nghệ tản nhiệt bằng lớp thụ động hóa kim cương có độ dẫn nhiệt cao đều bị hạn chế bởi kích thước nhỏ, chi phí cao và sự không tương thích về quy trình của kim cương đơn tinh thể. Do đó, việc phát triển các chất nền kim cương kích thước lớn, chi phí thấp, cải thiện công nghệ kiểm soát ứng suất wafer và độ bền liên kết giao diện, giảm điện trở nhiệt giao diện và nâng cao hiệu suất của các thiết bị GaN trên chất nền kim cương sẽ là trọng tâm của sự phát triển công nghệ liên kết thiết bị kim cương và GaN trong tương lai.

(Hình ảnh trích từ báo cáo PowerPoint về Carbontech 2020 của Giáo sư Zhang Jinfeng thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Tây An)

Laser bán dẫn đóng gói kim cương

Khi laser bán dẫn công suất cao hoạt động, vùng hoạt động sẽ tạo ra một lượng nhiệt lớn, làm giảm công suất đầu ra của laser và rút ngắn tuổi thọ. Kim cương có đặc tính dẫn nhiệt cao. Sử dụng nó làm bộ tản nhiệt chuyển tiếp sẽ cải thiện khả năng tản nhiệt của thiết bị, giảm điện trở nhiệt, tăng công suất đầu ra của laser và kéo dài tuổi thọ laser.

Nghiên cứu về laser Raman kim cương:Tán xạ Raman kích thích là một hiệu ứng quang học phi tuyến quan trọng. Tán xạ Raman kích thích có thể tạo ra sự dịch chuyển tần số cố định cho tất cả các photon tới mà không cần khớp pha. Đây là một công nghệ quan trọng để mở rộng dải tần sử dụng của laser. Nghiên cứu theo hướng này đã trở thành một điểm nóng trong sự phát triển của công nghệ laser.

Là một vật liệu tinh thể Raman có hiệu suất tuyệt vời, kim cương có độ dịch chuyển tần số Raman lớn nhất là 1332.3 cm⁻¹ trong số các vật liệu tinh thể đã biết.-1Độ rộng vạch phổ Raman của nó khoảng 1.5 cm ở nhiệt độ phòng.-1Độ khuếch đại Raman của kim cương có tính chọn lọc phân cực. Khi hướng phân cực của ánh sáng bơm song song với hướng <111> của tinh thể kim cương, độ khuếch đại Raman đạt cực đại (10 cm/GW@1 μm), và ánh sáng Raman phân cực tuyến tính được phát ra. Kim cương có độ dẫn nhiệt cực cao, và khả năng tản nhiệt cực nhanh là chìa khóa giúp tinh thể kim cương duy trì độ khuếch đại Raman cao và thu được đầu ra laser chất lượng cao trong điều kiện hoạt động công suất cao.

So sánh giữa các tinh thể Raman laser thông thường và kim cương

Trong những năm gần đây, với sự cải tiến của công nghệ chế tạo bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học, chất lượng quang học của kim cương nhân tạo đã được nâng cao nhanh chóng. Tinh thể kim cương cấp quang học cũng thể hiện khả năng cải thiện công suất, tăng cường độ kết dính và chuyển đổi tần số vượt trội nhờ đặc tính Raman và Brillouin xuất sắc. Điều này đã giúp laser kim cương khắc phục đáng kể các hiệu ứng nhiệt của laser đảo ngược số lượng hạt dựa trên vật liệu làm việc truyền thống, cũng như khó khăn trong việc cân bằng bước sóng và công suất đầu ra.

Single crystal diamond 3D packaging heat dissipation substrate:

Khi việc tuân theo Định luật Moore đã trở thành sự đồng thuận trong ngành, đề xuất về "More Moore" dường như đã mang lại một luồng gió mới cho sự phát triển của ngành sản xuất chip. Nói chung, "More Moore" đề cập đến việc tiếp tục thu nhỏ kích thước các đặc điểm của chip, bao gồm hai khía cạnh: tiếp tục thu nhỏ kích thước theo cả chiều ngang và chiều dọc của tấm wafer để cải thiện mật độ, hiệu suất và độ tin cậy; sử dụng các công nghệ xử lý như cấu trúc 3D và sử dụng vật liệu mới để tác động đến hiệu suất điện của tấm wafer.

(Hình ảnh từ bản trình bày PowerPoint báo cáo Carbontech 2020 của nhà nghiên cứu Giang Nam tại Viện Vật liệu Ninh Ba)

Vật liệu đóng gói điện tử được sử dụng để chứa các linh kiện điện tử và các kết nối giữa chúng. Chúng chủ yếu đóng vai trò hỗ trợ cơ học, bảo vệ kín, tản nhiệt và che chắn. Chúng có tác động rất quan trọng đến hiệu suất và độ tin cậy của mạch tích hợp. Với sự phát triển của công nghệ điện tử, mạch tích hợp đang phát triển theo hướng siêu lớn, tốc độ siêu cao, mật độ cao, công suất cao, độ chính xác cao và đa chức năng, điều này đặt ra những yêu cầu ngày càng cao đối với vật liệu đóng gói. Nghiên cứu và phát triển các vật liệu đóng gói đa hệ thống hiệu suất cao như kim cương/đồng, kim cương/nhôm, kim cương/cacbua silic, than chì/đồng, v.v. có ý nghĩa rất lớn trong việc thúc đẩy sự phát triển của vật liệu đóng gói điện tử theo hướng thu nhỏ, hiệu suất cao, độ tin cậy cao và chi phí thấp.

。。。。。

Vật liệu kim cương và công nghệ xử lý bằng laser:So với các vật liệu khác, kim cương có đặc điểm là điện trở suất cao, cường độ điện trường đánh thủng cao, hằng số điện môi thấp và hệ số giãn nở nhiệt thấp. Ứng dụng của nó trong quản lý nhiệt có thể đáp ứng yêu cầu phát triển lắp ráp mật độ cao và tích hợp cao trong ngành công nghiệp điện tử đang phát triển nhanh chóng. Gia công bằng laser có thể đạt được chất lượng gia công cao đối với các cấu trúc vi mô của kim cương. Đây là một công nghệ sản xuất tiên tiến hiện đang được nghiên cứu trong và ngoài nước.

Công nghệ mài và đánh bóng chất nền kim cương

Các thiết bị bán dẫn chủ yếu bao gồm mạch tích hợp, thiết bị điện tử công suất, thiết bị quang điện tử và cảm biến, v.v. Thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, quân sự và quốc phòng, năng lượng điện, vận tải đường sắt và Internet vạn vật thông tin. Tấm bán dẫn là chất mang của thiết bị bán dẫn, và chất nền bán dẫn là chất mang của tấm bán dẫn. Chất nền là lớp nền epitaxy của các thiết bị bán dẫn, quyết định trực tiếp chất lượng và hiệu suất của thiết bị.

Gia công siêu chính xác

Các vật thể cần gia công siêu chính xác thường là các vật liệu kim cương kích thước nhỏ, quá đắt đỏ để công nghiệp hóa và không thuận lợi cho ứng dụng công nghiệp. Để ứng dụng thành công kim cương vào tản nhiệt cho các thiết bị điện và đạt được mục tiêu công nghiệp hóa, việc tìm kiếm các vật liệu nền tản nhiệt kích thước lớn, chất lượng bề mặt tốt là rất quan trọng. Ngoài ra, khi mức độ tích hợp mạch trên chất nền kim cương tăng lên, yêu cầu về chất lượng bề mặt cũng sẽ tăng dần. Độ nhám bề mặt sẽ đạt đến mức angstrom hoặc thậm chí nhỏ hơn, và độ cong vênh bề mặt sẽ đạt 5 μm hoặc nhỏ hơn.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được sao chép từ "DT Semiconductor Materials", đơn vị ủng hộ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả của bài viết. Nếu phát hiện bất kỳ sự vi phạm nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi để gỡ bỏ.