Kim cương - ngôi sao tương lai của chất bán dẫn

Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ cũng như nhu cầu toàn cầu ngày càng tăng về các thiết bị bán dẫn hiệu suất cao và hiệu suất cao, vật liệu nền bán dẫn, với tư cách là mắt xích kỹ thuật quan trọng trong chuỗi công nghiệp bán dẫn, ngày càng trở nên quan trọng. Trong số đó, kim cương, với tư cách là vật liệu "bán dẫn tối thượng" tiềm năng thế hệ thứ tư, đang dần trở thành điểm nóng nghiên cứu và là thị trường mới được yêu thích trong lĩnh vực vật liệu nền bán dẫn do tính chất vật lý và hóa học tuyệt vời của nó.

Tính chất của kim cương

Kim cương là một tinh thể nguyên tử và tinh thể liên kết cộng hóa trị điển hình. Cấu trúc tinh thể được thể hiện trong Hình 1(a). Nó bao gồm nguyên tử carbon ở giữa liên kết với ba nguyên tử carbon còn lại dưới dạng liên kết cộng hóa trị. Hình 1(b) là cấu trúc ô đơn vị, phản ánh tính tuần hoàn vi mô và tính đối xứng cấu trúc của kim cương.

Hình 1 Kim cương (a) cấu trúc tinh thể; (b) cấu trúc ô đơn vị

Kim cương là vật liệu cứng nhất trên thế giới, có những tính chất vật lý và hóa học độc đáo, đồng thời có những đặc tính tuyệt vời về cơ, điện và quang học, như trong Hình 2: Kim cương có độ cứng và khả năng chống mài mòn cực cao, thích hợp để cắt vật liệu và vết lõm, v.v. ., và được sử dụng tốt trong các công cụ mài mòn; (2) Kim cương có độ dẫn nhiệt cao nhất (2200W/(m·K)) trong số các chất tự nhiên được biết đến cho đến nay, gấp 4 lần so với cacbua silic (SiC), lớn hơn 13 lần so với silicon (Si), lớn hơn 43 lần so với gallium arsenide (GaAs), lớn hơn đồng và bạc từ 4 đến 5 lần và được sử dụng trong các thiết bị năng lượng cao. Nó có các đặc tính tuyệt vời như hệ số giãn nở nhiệt thấp (0,8 × 10-6-1,5 × 10^-6K^-1) và mô đun đàn hồi cao. Nó là một vật liệu đóng gói điện tử tuyệt vời với triển vọng tốt. 

Độ linh động của lỗ là 4500 cm2·V^-1·S^-1, và độ linh động của electron là 3800 cm2·V^-1·S^-1, làm cho nó có thể áp dụng được cho các thiết bị chuyển mạch tốc độ cao; cường độ trường đánh thủng là 13MV/cm, có thể áp dụng cho các thiết bị điện áp cao; chỉ số thành tích Baliga cao tới 24664, cao hơn nhiều so với các vật liệu khác (giá trị càng lớn thì tiềm năng sử dụng trong các thiết bị chuyển mạch càng lớn). 

Kim cương đa tinh thể còn có tác dụng trang trí. Lớp phủ kim cương không chỉ có hiệu ứng đèn flash mà còn có nhiều màu sắc đa dạng. Nó được sử dụng trong sản xuất đồng hồ cao cấp, lớp phủ trang trí cho hàng hóa xa xỉ và trực tiếp như một sản phẩm thời trang. Độ bền và độ cứng của kim cương gấp 6 và 10 lần so với kính Corning nên nó còn được sử dụng trong màn hình điện thoại di động và ống kính máy ảnh.

Hình 2 Tính chất của kim cương và các vật liệu bán dẫn khác

Chuẩn bị kim cương

Tăng trưởng kim cương chủ yếu được chia thành phương pháp HTHP (phương pháp nhiệt độ cao và áp suất cao) vàPhương pháp CVD (phương pháp lắng đọng hơi hóa học). Phương pháp CVD đã trở thành phương pháp chủ đạo để chế tạo chất nền bán dẫn kim cương nhờ những ưu điểm của nó như khả năng chịu áp suất cao, tần số vô tuyến lớn, chi phí thấp và khả năng chịu nhiệt độ cao. Hai phương pháp tăng trưởng tập trung vào các ứng dụng khác nhau và chúng sẽ thể hiện mối quan hệ bổ sung trong một thời gian dài trong tương lai.

Phương pháp nhiệt độ cao và áp suất cao (HTHP) là tạo cột lõi than chì bằng cách trộn bột than chì, bột xúc tác kim loại và phụ gia theo tỷ lệ quy định trong công thức nguyên liệu thô, sau đó tạo hạt, ép tĩnh, giảm chân không, kiểm tra, cân và các quá trình khác. Cột lõi than chì sau đó được lắp ráp với khối hỗn hợp, các bộ phận phụ trợ và phương tiện truyền áp suất kín khác để tạo thành một khối tổng hợp có thể được sử dụng để tổng hợp các tinh thể kim cương đơn lẻ. Sau đó, nó được đặt trong máy ép sáu mặt trên cùng để gia nhiệt và điều áp và giữ ổn định trong thời gian dài. Sau khi quá trình phát triển tinh thể hoàn tất, nhiệt sẽ dừng lại và áp suất được giải phóng, đồng thời môi trường truyền áp suất kín được loại bỏ để thu được cột tổng hợp, sau đó được tinh chế và phân loại để thu được các tinh thể đơn kim cương.

Hình 3 Sơ đồ cấu tạo của máy ép đỉnh 6 cạnh

Do sử dụng chất xúc tác kim loại, các hạt kim cương được điều chế bằng phương pháp HTHP công nghiệp thường chứa một số tạp chất và khuyết tật nhất định, do bổ sung nitơ nên chúng thường có màu vàng. Sau khi nâng cấp công nghệ, quá trình chuẩn bị kim cương ở nhiệt độ cao và áp suất cao có thể sử dụng phương pháp gradient nhiệt độ để tạo ra các tinh thể đơn kim cương chất lượng cao dạng hạt lớn, hiện thực hóa sự chuyển đổi từ cấp độ mài mòn công nghiệp kim cương sang cấp đá quý.

Hình 4 Hình thái kim cương

Lắng đọng hơi hóa học (CVD) là phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp màng kim cương. Các phương pháp chính bao gồm lắng đọng hơi hóa học sợi nóng (HFCVD) vàlắng đọng hơi hóa học plasma vi sóng (MPCVD).

(1) Sự lắng đọng hơi hóa chất sợi nóng

Nguyên lý cơ bản của HFCVD là cho khí phản ứng va chạm với dây kim loại nhiệt độ cao trong buồng chân không để tạo ra nhiều nhóm "không tích điện" có hoạt tính cao. Các nguyên tử carbon được tạo ra sẽ lắng đọng trên vật liệu nền để tạo thành kim cương nano. Thiết bị vận hành đơn giản, chi phí tăng trưởng thấp, được sử dụng rộng rãi và dễ dàng đạt được sản xuất công nghiệp. Do hiệu suất phân hủy nhiệt thấp và ô nhiễm nguyên tử kim loại nghiêm trọng từ dây tóc và điện cực, HFCVD thường chỉ được sử dụng để chế tạo màng kim cương đa tinh thể chứa một lượng lớn tạp chất carbon pha sp2 ở ranh giới hạt, vì vậy nó thường có màu xám đen .

Hình 5 (a) Sơ đồ thiết bị HFCVD, (b) Sơ đồ cấu trúc buồng chân không

(2) Lắng đọng hơi hóa chất plasma vi sóng

Phương pháp MPCVD sử dụng nguồn magnetron hoặc nguồn thể rắn để tạo ra sóng vi ba có tần số cụ thể, được đưa vào buồng phản ứng thông qua ống dẫn sóng và tạo thành sóng đứng ổn định trên đế theo kích thước hình học đặc biệt của buồng phản ứng. 

Trường điện từ tập trung cao độ phá vỡ khí metan và hydro phản ứng ở đây để tạo thành một quả cầu plasma ổn định. Các nhóm nguyên tử giàu electron, giàu ion và hoạt động sẽ tạo mầm và phát triển trên chất nền ở nhiệt độ và áp suất thích hợp, khiến cho homoepiticular phát triển chậm. So với HFCVD, nó tránh được sự nhiễm bẩn của màng kim cương do bay hơi dây kim loại nóng và tăng độ tinh khiết của màng kim cương nano. Có thể sử dụng nhiều khí phản ứng hơn trong quá trình này so với HFCVD và các tinh thể đơn kim cương lắng đọng tinh khiết hơn kim cương tự nhiên. Do đó, có thể chuẩn bị các cửa sổ đa tinh thể kim cương cấp quang học, các tinh thể đơn kim cương cấp điện tử, v.v.

Hình 6 Cấu trúc bên trong của MPCVD

Sự phát triển và vấn đề nan giải của kim cương

Kể từ khi viên kim cương nhân tạo đầu tiên được phát triển thành công vào năm 1963, sau hơn 60 năm phát triển, nước ta đã trở thành quốc gia có sản lượng kim cương nhân tạo lớn nhất thế giới, chiếm hơn 90% sản lượng thế giới. Tuy nhiên, kim cương của Trung Quốc chủ yếu tập trung ở thị trường ứng dụng cấp thấp và trung cấp, như mài mòn, quang học, xử lý nước thải và các lĩnh vực khác. Kim cương trong nước phát triển lớn nhưng chưa mạnh, gặp bất lợi ở nhiều lĩnh vực như thiết bị cao cấp, vật liệu điện tử. 

Xét về thành tích học thuật trong lĩnh vực kim cương CVD, nghiên cứu ở Hoa Kỳ, Nhật Bản và Châu Âu đang dẫn đầu, và có tương đối ít nghiên cứu ban đầu ở nước tôi. Với sự hỗ trợ của nghiên cứu và phát triển trọng điểm của "Kế hoạch 5 năm lần thứ 13", các tinh thể đơn kim cương cỡ lớn ghép epiticular trong nước đã nhảy lên vị trí hạng nhất thế giới. Về mặt tinh thể đơn epiticular không đồng nhất, vẫn còn một khoảng cách lớn về kích thước và chất lượng, có thể vượt qua trong "Kế hoạch 5 năm lần thứ 14".

Các nhà nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về sự phát triển, pha tạp và lắp ráp thiết bị của kim cương nhằm hiện thực hóa ứng dụng của kim cương trong các thiết bị quang điện tử và đáp ứng mong đợi của mọi người về kim cương như một vật liệu đa chức năng. Tuy nhiên, vùng cấm của kim cương lên tới 5,4 eV. Độ dẫn loại p của nó có thể đạt được bằng cách pha tạp boron, nhưng rất khó đạt được độ dẫn loại n. Các nhà nghiên cứu từ nhiều quốc gia đã pha tạp các tạp chất như nitơ, phốt pho và lưu huỳnh vào kim cương đơn tinh thể hoặc đa tinh thể dưới hình thức thay thế các nguyên tử carbon trong mạng tinh thể. Tuy nhiên, do mức năng lượng của nhà tài trợ sâu hoặc khó ion hóa tạp chất nên chưa thu được độ dẫn điện loại n tốt, điều này hạn chế rất nhiều việc nghiên cứu và ứng dụng các thiết bị điện tử dựa trên kim cương. 

Đồng thời, kim cương đơn tinh thể có diện tích lớn khó chế tạo với số lượng lớn như tấm silicon đơn tinh thể, đây là một khó khăn khác trong quá trình phát triển các thiết bị bán dẫn dựa trên kim cương. Hai vấn đề trên cho thấy lý thuyết phát triển thiết bị và pha tạp chất bán dẫn hiện tại rất khó giải quyết các vấn đề về pha tạp loại n kim cương và lắp ráp thiết bị. Cần phải tìm kiếm các phương pháp doping và chất doping khác, hoặc thậm chí phát triển các nguyên tắc phát triển thiết bị và doping mới.

Giá quá cao cũng hạn chế sự phát triển của kim cương. So với giá silicon, giá silicon cacbua gấp 30-40 lần silicon, giá gali nitrit gấp 650-1300 lần silicon và giá vật liệu kim cương tổng hợp gấp khoảng 10.000 lần silicon. Giá quá cao sẽ hạn chế sự phát triển và ứng dụng của kim cương. Làm thế nào để giảm chi phí là điểm đột phá để phá vỡ thế tiến thoái lưỡng nan trong phát triển.

Triển vọng

Mặc dù chất bán dẫn kim cương hiện đang gặp khó khăn trong quá trình phát triển nhưng chúng vẫn được coi là vật liệu hứa hẹn nhất để chuẩn bị cho thế hệ tiếp theo của các thiết bị điện tử công suất cao, tần số cao, nhiệt độ cao và tổn thất điện năng thấp. Hiện nay, chất bán dẫn nóng nhất bị chiếm bởi cacbua silic. Cacbua silic có cấu trúc giống kim cương nhưng một nửa số nguyên tử của nó là cacbon. Vì vậy, nó có thể được coi là một nửa viên kim cương. Cacbua silic phải là sản phẩm chuyển tiếp từ kỷ nguyên tinh thể silicon sang kỷ nguyên bán dẫn kim cương.

Câu nói “Kim cương là mãi mãi, và một viên kim cương tồn tại mãi mãi” đã làm nên tên tuổi của De Beers nổi tiếng cho đến ngày nay. Đối với chất bán dẫn kim cương, việc tạo ra một loại vinh quang khác có thể đòi hỏi sự thăm dò lâu dài và liên tục.

VeTek Semiconductor là nhà sản xuất chuyên nghiệp của Trung Quốc vềLớp phủ cacbua tantali, Lớp phủ silicon cacbua, Sản phẩm GaN,Than chì đặc biệt, Gốm sứ cacbua silicVàGốm sứ bán dẫn khác. VeTek Semiconductor cam kết cung cấp các giải pháp tiên tiến cho các sản phẩm Lớp phủ khác nhau cho ngành bán dẫn.

Nếu bạn có bất kỳ thắc mắc hoặc cần thêm chi tiết, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi.

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

Email: anny@veteksemi.com