डायमंड - अर्धसंवाहकांचा भविष्यातील तारा

विज्ञान आणि तंत्रज्ञानाच्या जलद विकासामुळे आणि उच्च-कार्यक्षमता आणि उच्च-कार्यक्षमतेच्या सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या वाढत्या जागतिक मागणीमुळे, सेमीकंडक्टर उद्योग साखळीतील एक प्रमुख तांत्रिक दुवा म्हणून सेमीकंडक्टर सब्सट्रेट मटेरियल हे अधिकाधिक महत्त्वाचे होत आहे. त्यापैकी, डायमंड, संभाव्य चौथ्या पिढीतील "अंतिम सेमीकंडक्टर" मटेरियल म्हणून, त्याच्या उत्कृष्ट भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्मांमुळे हळूहळू एक संशोधनाचे केंद्र आणि सेमीकंडक्टर सब्सट्रेट मटेरियलच्या क्षेत्रात नवीन बाजारपेठेचा आवडता बनत आहे.

हिऱ्याचे गुणधर्म

डायमंड हा एक सामान्य अणु क्रिस्टल आणि सहसंयोजक बंध क्रिस्टल आहे. क्रिस्टल रचना आकृती 1(a) मध्ये दर्शविली आहे. यात सहसंयोजक बंधाच्या स्वरूपात इतर तीन कार्बन अणूंशी जोडलेले मध्यम कार्बन अणू असतात. आकृती 1(b) ही युनिट सेलची रचना आहे, जी डायमंडची सूक्ष्म आवर्त आणि संरचनात्मक सममिती प्रतिबिंबित करते.

आकृती 1 डायमंड (अ) क्रिस्टल रचना; (b) युनिट सेल रचना

आकृती 2 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, अद्वितीय भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्मांसह आणि यांत्रिकी, वीज आणि ऑप्टिक्समधील उत्कृष्ट गुणधर्मांसह हिरा जगातील सर्वात कठीण सामग्री आहे: हिऱ्यामध्ये अति-उच्च कडकपणा आणि पोशाख प्रतिरोधकता आहे, सामग्री कापण्यासाठी योग्य आणि इंडेंटर्स इ. ., आणि अपघर्षक साधनांमध्ये चांगले वापरले जाते; (2) आजपर्यंत ज्ञात असलेल्या नैसर्गिक पदार्थांमध्ये हिऱ्याची थर्मल चालकता (2200W/(m·K)) आहे, जी सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) पेक्षा 4 पट जास्त आहे, सिलिकॉन (Si) पेक्षा 13 पट जास्त आहे, पेक्षा 43 पट जास्त आहे. गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs), आणि तांबे आणि चांदीपेक्षा 4 ते 5 पट जास्त आणि उच्च-शक्तीच्या उपकरणांमध्ये वापरला जातो. यात कमी थर्मल विस्तार गुणांक (0.8×10-6-1.5×10) सारखे उत्कृष्ट गुणधर्म आहेत^-6K^-1) आणि उच्च लवचिक मॉड्यूलस. चांगल्या संभावनांसह ही एक उत्कृष्ट इलेक्ट्रॉनिक पॅकेजिंग सामग्री आहे. 

भोक गतिशीलता 4500 cm2·V आहे^-1·s^-1, आणि इलेक्ट्रॉन गतिशीलता 3800 cm2·V आहे^-1·s^-1, ज्यामुळे ते हाय-स्पीड स्विचिंग डिव्हाइसेसना लागू होते; ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथ 13MV/cm आहे, जी हाय-व्होल्टेज उपकरणांवर लागू केली जाऊ शकते; बालिगा गुणवत्तेचा आकडा 24664 इतका उच्च आहे, जो इतर सामग्रीपेक्षा खूप जास्त आहे (मूल्य जितके मोठे, डिव्हाइसेस स्विचिंगमध्ये वापरण्याची क्षमता जास्त). 

पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंडचा सजावटीचा प्रभाव देखील असतो. डायमंड कोटिंगमध्ये केवळ फ्लॅश इफेक्टच नाही तर विविध रंग देखील आहेत. हे उच्च श्रेणीतील घड्याळे, लक्झरी वस्तूंसाठी सजावटीच्या कोटिंग्ज आणि थेट फॅशन उत्पादन म्हणून वापरले जाते. हिऱ्याची ताकद आणि कडकपणा कॉर्निंग ग्लासच्या 6 पट आणि 10 पट आहे, म्हणून तो मोबाईल फोन डिस्प्ले आणि कॅमेरा लेन्समध्ये देखील वापरला जातो.

आकृती 2 डायमंड आणि इतर सेमीकंडक्टर सामग्रीचे गुणधर्म

हिरा तयार करणे

डायमंडची वाढ प्रामुख्याने एचटीएचपी पद्धतीमध्ये विभागली जाते (उच्च तापमान आणि उच्च दाब पद्धत) आणिCVD पद्धत (रासायनिक बाष्प जमा करण्याची पद्धत). उच्च दाब प्रतिरोधक क्षमता, मोठी रेडिओ वारंवारता, कमी किमतीत आणि उच्च तापमान प्रतिरोध यांसारख्या फायद्यांमुळे CVD पद्धत हीरा सेमीकंडक्टर सब्सट्रेट्स तयार करण्यासाठी मुख्य प्रवाहातील पद्धत बनली आहे. दोन वाढीच्या पद्धती वेगवेगळ्या ऍप्लिकेशन्सवर लक्ष केंद्रित करतात आणि ते भविष्यात दीर्घ काळासाठी पूरक संबंध दर्शवतील.

उच्च तापमान आणि उच्च दाब पद्धत (HTHP) म्हणजे कच्च्या मालाच्या सूत्राने निर्दिष्ट केलेल्या प्रमाणात ग्रेफाइट पावडर, धातू उत्प्रेरक पावडर आणि ऍडिटीव्ह यांचे मिश्रण करून ग्रेफाइट कोर कॉलम बनवणे आणि नंतर ग्रेन्युलेटिंग, स्टॅटिक दाबणे, व्हॅक्यूम कमी करणे, तपासणी, वजन करणे. आणि इतर प्रक्रिया. ग्रेफाइट कोर कॉलम नंतर संमिश्र ब्लॉक, सहायक भाग आणि इतर सीलबंद प्रेशर ट्रान्समिशन मीडियासह एक कृत्रिम ब्लॉक तयार केला जातो ज्याचा वापर डायमंड सिंगल क्रिस्टल्सचे संश्लेषण करण्यासाठी केला जाऊ शकतो. त्यानंतर, ते गरम करण्यासाठी आणि दाबण्यासाठी सहा बाजूंच्या शीर्ष दाबामध्ये ठेवले जाते आणि बर्याच काळासाठी स्थिर ठेवले जाते. क्रिस्टलची वाढ पूर्ण झाल्यानंतर, उष्णता थांबविली जाते आणि दाब सोडला जातो आणि सिंथेटिक स्तंभ मिळविण्यासाठी सीलबंद दाब प्रसार माध्यम काढून टाकले जाते, जे नंतर शुद्ध केले जाते आणि डायमंड सिंगल क्रिस्टल्स मिळविण्यासाठी क्रमवारी लावले जाते.

आकृती 3 सहा-बाजू असलेल्या टॉप प्रेसचे स्ट्रक्चर डायग्राम

धातू उत्प्रेरकांच्या वापरामुळे, औद्योगिक HTHP पद्धतीने तयार केलेल्या हिऱ्याच्या कणांमध्ये अनेकदा विशिष्ट अशुद्धता आणि दोष असतात आणि नायट्रोजनच्या जोडणीमुळे, त्यांना सहसा पिवळा रंग असतो. तंत्रज्ञानाच्या सुधारणानंतर, उच्च तापमान आणि उच्च दाबाने हिऱ्याची तयारी तापमान ग्रेडियंट पद्धतीचा वापर करून मोठ्या-कणांचे उच्च-गुणवत्तेचे डायमंड सिंगल क्रिस्टल्स तयार करू शकते, ज्यामुळे डायमंड औद्योगिक अपघर्षक ग्रेडचे रत्न ग्रेडमध्ये रूपांतर होते.

आकृती 4 डायमंड मॉर्फोलॉजी

डायमंड फिल्म्सचे संश्लेषण करण्यासाठी रासायनिक वाफ जमा करणे (CVD) ही सर्वात लोकप्रिय पद्धत आहे. मुख्य पद्धतींमध्ये गरम फिलामेंट रासायनिक वाष्प जमा करणे (HFCVD) आणि समाविष्ट आहेमायक्रोवेव्ह प्लाझ्मा रासायनिक वाष्प जमा करणे (MPCVD).

(1) गरम फिलामेंट रासायनिक बाष्प जमा

एचएफसीव्हीडीचे मूळ तत्त्व म्हणजे व्हॅक्यूम चेंबरमधील उच्च-तापमानाच्या धातूच्या तारेशी प्रतिक्रिया वायूला टक्कर देऊन विविध प्रकारचे अत्यंत सक्रिय "अनचार्ज केलेले" गट तयार करणे. व्युत्पन्न कार्बन अणू नॅनोडायमंड तयार करण्यासाठी सब्सट्रेट सामग्रीवर जमा केले जातात. उपकरणे ऑपरेट करणे सोपे आहे, कमी वाढीचा खर्च आहे, मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते आणि औद्योगिक उत्पादन साध्य करणे सोपे आहे. कमी थर्मल विघटन कार्यक्षमतेमुळे आणि फिलामेंट आणि इलेक्ट्रोडमधून गंभीर धातूच्या अणू दूषिततेमुळे, एचएफसीव्हीडीचा वापर सामान्यतः केवळ पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड फिल्म तयार करण्यासाठी केला जातो ज्यामध्ये धान्याच्या सीमेवर मोठ्या प्रमाणात sp2 फेज कार्बन अशुद्धता असते, त्यामुळे ते सामान्यतः राखाडी-काळे असते. .

आकृती 5 (a) HFCVD उपकरणे आकृती, (b) व्हॅक्यूम चेंबर संरचना आकृती

(2) मायक्रोवेव्ह प्लाझ्मा रासायनिक बाष्प जमा

MPCVD पद्धत विशिष्ट वारंवारतेचे मायक्रोवेव्ह निर्माण करण्यासाठी मॅग्नेट्रॉन किंवा सॉलिड-स्टेट स्रोत वापरते, जे वेव्हगाइडद्वारे प्रतिक्रिया कक्षात दिले जातात आणि प्रतिक्रिया कक्षाच्या विशेष भौमितिक परिमाणांनुसार सब्सट्रेटच्या वर स्थिर उभे लहरी तयार करतात. 

अत्यंत केंद्रित इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक फील्ड मिथेन आणि हायड्रोजन या प्रतिक्रिया वायूंचे येथे खंडित करून स्थिर प्लाझ्मा बॉल बनवते. इलेक्ट्रॉन-समृद्ध, आयन-समृद्ध आणि सक्रिय अणू गट योग्य तापमान आणि दाबाने सब्सट्रेटवर न्यूक्लिट होतील आणि वाढतील, ज्यामुळे होमोएपिटॅक्सियल वाढ हळूहळू होईल. HFCVD च्या तुलनेत, ते हॉट मेटल वायरच्या बाष्पीभवनामुळे होणारे डायमंड फिल्मचे प्रदूषण टाळते आणि नॅनोडायमंड फिल्मची शुद्धता वाढवते. प्रक्रियेत HFCVD पेक्षा अधिक प्रतिक्रिया वायू वापरल्या जाऊ शकतात आणि जमा केलेले डायमंड सिंगल क्रिस्टल्स नैसर्गिक हिऱ्यांपेक्षा शुद्ध असतात. त्यामुळे ऑप्टिकल-ग्रेड डायमंड पॉलीक्रिस्टलाइन खिडक्या, इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड डायमंड सिंगल क्रिस्टल्स इत्यादी तयार करता येतात.

आकृती 6 MPCVD ची अंतर्गत रचना

हिऱ्याचा विकास आणि कोंडी

पहिला कृत्रिम हिरा 1963 मध्ये यशस्वीरित्या विकसित झाल्यापासून, 60 वर्षांहून अधिक विकासानंतर, माझा देश जगातील 90% पेक्षा जास्त भाग असलेल्या कृत्रिम हिऱ्याचे जगातील सर्वात मोठे उत्पादन करणारा देश बनला आहे. तथापि, चीनचे हिरे प्रामुख्याने लो-एंड आणि मध्यम-एंड ऍप्लिकेशन मार्केट्समध्ये केंद्रित आहेत, जसे की अपघर्षक ग्राइंडिंग, ऑप्टिक्स, सांडपाणी प्रक्रिया आणि इतर क्षेत्रात. देशांतर्गत हिऱ्यांचा विकास मोठा आहे परंतु मजबूत नाही आणि उच्च-श्रेणी उपकरणे आणि इलेक्ट्रॉनिक-दर्जाची सामग्री यांसारख्या अनेक क्षेत्रांमध्ये ते गैरसोयीचे आहे. 

CVD हिऱ्यांच्या क्षेत्रातील शैक्षणिक कामगिरीच्या बाबतीत, युनायटेड स्टेट्स, जपान आणि युरोपमधील संशोधन आघाडीवर आहे आणि माझ्या देशात तुलनेने कमी मूळ संशोधन आहेत. "13व्या पंचवार्षिक योजनेच्या" प्रमुख संशोधन आणि विकासाच्या पाठिंब्याने, देशांतर्गत कापलेल्या एपिटॅक्सियल मोठ्या आकाराच्या डायमंड सिंगल क्रिस्टल्सने जगातील प्रथम श्रेणीच्या स्थानावर झेप घेतली आहे. विषम एपिटॅक्सियल सिंगल क्रिस्टल्सच्या बाबतीत, आकार आणि गुणवत्तेत अजूनही मोठी तफावत आहे, जी "14 व्या पंचवार्षिक योजनेत" ओलांडली जाऊ शकते.

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये हिऱ्यांचा वापर लक्षात येण्यासाठी आणि बहु-कार्यात्मक सामग्री म्हणून हिऱ्यांबद्दलच्या लोकांच्या अपेक्षा पूर्ण करण्यासाठी जगभरातील संशोधकांनी हिऱ्यांची वाढ, डोपिंग आणि उपकरण असेंबली यावर सखोल संशोधन केले आहे. तथापि, डायमंडचे बँड अंतर 5.4 eV इतके जास्त आहे. त्याची p-प्रकार चालकता बोरॉन डोपिंगद्वारे प्राप्त केली जाऊ शकते, परंतु एन-प्रकार चालकता प्राप्त करणे खूप कठीण आहे. विविध देशांतील संशोधकांनी जाळीतील कार्बन अणूंच्या जागी नायट्रोजन, फॉस्फरस आणि सल्फर यांसारख्या अशुद्धता सिंगल क्रिस्टल किंवा पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंडमध्ये तयार केल्या आहेत. तथापि, दात्याच्या ऊर्जेची पातळी खोल असल्यामुळे किंवा अशुद्धतेचे आयनीकरण करण्यात अडचण असल्यामुळे, चांगली एन-प्रकार चालकता प्राप्त झाली नाही, ज्यामुळे डायमंड-आधारित इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांचे संशोधन आणि वापर मोठ्या प्रमाणात मर्यादित होतो. 

त्याच वेळी, सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉन वेफर्स सारख्या मोठ्या प्रमाणात एकल क्रिस्टल डायमंड तयार करणे कठीण आहे, जे डायमंड-आधारित सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या विकासामध्ये आणखी एक अडचण आहे. वरील दोन समस्या दर्शवितात की विद्यमान सेमीकंडक्टर डोपिंग आणि डिव्हाइस विकास सिद्धांत डायमंड एन-टाइप डोपिंग आणि डिव्हाइस असेंबलीच्या समस्यांचे निराकरण करणे कठीण आहे. इतर डोपिंग पद्धती आणि डोपंट्स शोधणे किंवा नवीन डोपिंग आणि उपकरण विकास तत्त्वे विकसित करणे आवश्यक आहे.

अत्याधिक उच्च किंमती देखील हिऱ्यांच्या विकासावर मर्यादा घालतात. सिलिकॉनच्या किमतीच्या तुलनेत, सिलिकॉन कार्बाईडची किंमत सिलिकॉनच्या 30-40 पट आहे, गॅलियम नायट्राइडची किंमत सिलिकॉनच्या 650-1300 पट आहे आणि सिंथेटिक डायमंड सामग्रीची किंमत सिलिकॉनच्या अंदाजे 10,000 पट आहे. खूप जास्त किंमत हिऱ्यांचा विकास आणि वापर मर्यादित करते. विकासाची कोंडी फोडण्यासाठी खर्च कसा कमी करायचा हा एक महत्त्वाचा मुद्दा आहे.

Outlook

जरी डायमंड सेमीकंडक्टर्सना सध्या विकासामध्ये अडचणी येत आहेत, तरीही ते उच्च-शक्ती, उच्च-वारंवारता, उच्च-तापमान आणि कमी-पॉवर नुकसान इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांची पुढील पिढी तयार करण्यासाठी सर्वात आशाजनक सामग्री मानली जाते. सध्या, सर्वात गरम अर्धसंवाहक सिलिकॉन कार्बाइडने व्यापलेले आहेत. सिलिकॉन कार्बाइडमध्ये हिऱ्याची रचना असते, परंतु त्याचे अर्धे अणू कार्बनचे असतात. म्हणून, तो अर्धा हिरा म्हणून ओळखला जाऊ शकतो. सिलिकॉन कार्बाइड हे सिलिकॉन क्रिस्टल युगापासून डायमंड सेमीकंडक्टर युगापर्यंतचे संक्रमणकालीन उत्पादन असावे.

"हिरे कायमचे असतात, आणि एक हिरा कायमचा असतो" या वाक्यामुळे डी बिअरचे नाव आजपर्यंत प्रसिद्ध झाले आहे. डायमंड सेमीकंडक्टरसाठी, दुसर्या प्रकारचे वैभव निर्माण करण्यासाठी कायमस्वरूपी आणि सतत अन्वेषण आवश्यक असू शकते.

VeTek Semiconductor चा एक व्यावसायिक चीनी निर्माता आहेटँटलम कार्बाइड कोटिंग, सिलिकॉन कार्बाइड कोटिंग, GaN उत्पादने,विशेष ग्रेफाइट, सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सआणिइतर सेमीकंडक्टर सिरॅमिक्स. VeTek सेमीकंडक्टर सेमीकंडक्टर उद्योगासाठी विविध कोटिंग उत्पादनांसाठी प्रगत उपाय प्रदान करण्यासाठी वचनबद्ध आहे.

आपल्याकडे काही चौकशी असल्यास किंवा अतिरिक्त तपशीलांची आवश्यकता असल्यास, कृपया आमच्याशी संपर्क साधण्यास अजिबात संकोच करू नका.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

ईमेल: anny@veteksemi.com