A gyémánt félvezető iparosításának kihívása

Jelenleg a gyémánt félvezetők a kutatás-fejlesztésről a gyakorlati alkalmazásokra való átállás kritikus szakaszában vannak. Bár bizonyos alkalmazási eredményeket értek el olyan területeken, mint a hővezető szubsztrátok és a sugárzásdetektorok, még mindig sok kihívással néznek szembe.

 

A gyémánt félvezetők iparosításának elsődleges kihívása az anyagnövekedés. A jelenlegi általános 12 hüvelykes szilíciumlapkák nagy-léptékű alkalmazásokat értek el, amelyek jelentősen csökkenthetik a chipek fajlagos költségét, miközben a gyémánt egykristály hordozók mérete sokkal kisebb, mint 8 hüvelyk, ami közvetlenül korlátozza a chipek integrációját és gyártását. A kis méretű hordozók nemcsak nem felelnek meg a nagy-sűrűségű elrendezési követelményeknek a nagyméretű integrált áramkörökben, hanem növelik a berendezések amortizációját, a nyersanyag-felhasználást és egyéb megosztott költségeket, gyengítve az árak versenyképességét.

 

Az elkészítési technológiában is vannak szűk keresztmetszetek. A kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD) a fő módszer, de a növekedési sebesség csak néhány mikrométertől több tíz mikrométerig terjed óránként, ami nehezen felel meg a félvezetőipar hatékony termelési igényeinek. Több paraméter precíz szabályozását is igényli, a berendezések és az üzemeltetési költségek magasak. Bár a magas hőmérsékletű és nagynyomású módszerrel (HTHP) gyémánt képződik, hajlamos szennyeződéseket és hibákat bevinni, és nem használható közvetlenül félvezetőkben. A CVD-módszerrel előállított gyémánt kristályminőségén és egyenletességén azonban még javítani kell.

 

A doppingtechnológia szempontjából a p{0}}típus és az n-típus is dilemma előtt áll. A P- típusú adalékolás főként bóratomokon alapul, de a bór ionizációs energiája eléri a 0,37 eV-ot, ami megnehezíti a teljes ionizációt szobahőmérsékleten, és rendkívül alacsony hordozókoncentrációt eredményez. Ha erős adalékolást végeznek a koncentráció növelése érdekében, az a rácsfeszültség növekedéséhez és a felületi hibákhoz vezet, fokozza az elektronlyuk-rekombinációt, és növeli az eszköz feszültség{6}}fordulását és ellenállását.

Elméletileg az n- típusú adalékolásnál foszforatomok is használhatók, de ezek atomi sugara sokkal nagyobb, mint a szénatomoké, ami az adalékolás során súlyos rácstorzulást okozhat. Ez a torzítás jelentősen megnöveli a hordozók szétszóródásának valószínűségét, ami a mobilitás meredek csökkenéséhez vezet. Jelenleg még nehéz nagy koncentrációjú és jó{3}}minőségű n- típusú adalékolt gyémánt beszerzése, ami korlátozza a kapcsolódó eszközök alkalmazását.

 

Egyes szakértők azonban azt jósolják, hogy a 4- hüvelykes gyémánt szubsztrátumok tömeggyártása várható a következő 3-5 évben, és kiváló vezetőképességi tulajdonságaik várhatóan megoldják a hatékony p-típusú eszközök hiányának globális problémáját a széles sávszélességű félvezetőkben.

 

Az eszközgyártásban a hagyományos félvezető eljárások gyengén kompatibilisek a gyémánttal. A fotolitográfiai eljárás során a gyémánt felületi jellemzői különlegesek, és a közönséges fotoreziszt nehéz egyenletesen tapadni, ami könnyen minta torzulásához és egyenetlen vonalakhoz vezethet; A maratási folyamat során a gyémánt rendkívül erős kémiai stabilitással rendelkezik, és a legtöbb hagyományos maratószer gyenge hatású, ami megnehezíti a maratási mélység és forma pontos szabályozását.

 

A gyémánt szuperkemény tulajdonságai szintén kihívást jelentenek a feldolgozás során. A szilícium és a szilícium-karbid polírozó párnáknak atomszintű síkságot kell elérniük (az érdesség RMS legfeljebb 0,1 nm), míg a gyémánt rendkívül nagy keménységű, és a szokásos csiszolószerszámok gyorsan elhasználódnak. Még a gyémánt csiszolókorongoknál is vannak problémák, mint például az alacsony hatásfok és a könnyű hőkárosodás, ami megnehezíti az "aljzatszintű" felületminőségi követelmények teljesítését.