چالش صنعتی سازی نیمه هادی الماس

در حال حاضر، نیمه هادی های الماسی در مرحله حساسی از انتقال از تحقیق و توسعه به کاربردهای عملی هستند. اگرچه آنها به نتایج کاربردی خاصی در زمینه هایی مانند بسترهای رسانای حرارتی و آشکارسازهای تشعشع دست یافته اند، اما هنوز با چالش های زیادی روبرو هستند.

 

رشد مواد چالش اصلی برای صنعتی سازی نیمه هادی های الماس است. ویفرهای سیلیکونی 12 اینچی جریان اصلی کنونی به کاربردهای-در مقیاس بزرگ دست یافته‌اند، که می‌تواند به طور قابل توجهی هزینه واحد تراشه‌ها را کاهش دهد، در حالی که اندازه زیرلایه‌های تک کریستال الماس بسیار کوچک‌تر از 8 اینچ است که مستقیماً یکپارچه‌سازی و تولید تراشه را محدود می‌کند. زیرلایه‌های کوچک نه‌تنها نمی‌توانند-نیازهای طرح‌بندی با چگالی بالا مدارهای مجتمع-در مقیاس بزرگ را برآورده کنند، بلکه استهلاک تجهیزات، مصرف مواد خام و سایر هزینه‌های مشترک را افزایش می‌دهند و رقابت قیمت را تضعیف می‌کنند.

 

همچنین تنگناهایی در فناوری آماده سازی وجود دارد. رسوب بخار شیمیایی (CVD) روش اصلی است، اما نرخ رشد تنها چند میکرومتر تا ده‌ها میکرومتر در ساعت است، که مطابقت با نیازهای تولید کارآمد صنعت نیمه‌رسانا دشوار است. همچنین نیاز به کنترل دقیق چندین پارامتر دارد و تجهیزات و هزینه های عملیاتی آن بالا است. اگرچه روش دمای بالا و فشار بالا (HTHP) می تواند الماس تولید کند، اما مستعد ایجاد ناخالصی ها و نقص ها است و نمی توان مستقیماً در نیمه هادی ها از آن استفاده کرد. با این حال، کیفیت کریستال و یکنواختی الماس تهیه شده با روش CVD هنوز نیاز به بهبود دارد.

 

از نظر فناوری دوپینگ، هر دو نوع p-و{1}}نوع در یک دوراهی قرار دارند. دوپینگ نوع P عمدتاً به اتم‌های بور متکی است، اما انرژی یونیزاسیون بور به اندازه 0.37eV است که یونیزه شدن کامل آن را در دمای اتاق دشوار می‌کند و در نتیجه غلظت حامل بسیار کم می‌شود. اگر دوپینگ سنگین برای افزایش غلظت انجام شود، منجر به افزایش تنش شبکه و عیوب سطحی، تشدید نوترکیب حفره الکترونی و افزایش چرخش دستگاه بر روی ولتاژ و مقاومت خواهد شد.

در تئوری، دوپینگ نوع n-می‌تواند از اتم‌های فسفر استفاده کند، اما شعاع اتمی آن‌ها بسیار بزرگ‌تر از اتم‌های کربن است که می‌تواند باعث اعوجاج شدید شبکه در طول دوپینگ شود. این اعوجاج احتمال پراکندگی حامل را به طور قابل توجهی افزایش می دهد و منجر به کاهش شدید تحرک می شود. در حال حاضر، دستیابی به الماس با غلظت بالا و{3}}ن-نوع دوپ شده با کیفیت بالا، که کاربرد دستگاه های مرتبط را محدود می کند، هنوز دشوار است.

 

با این حال، برخی کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که انتظار می‌رود زیرلایه‌های الماس 4 اینچی در 3 تا 5 سال آینده به تولید انبوه برسند و انتظار می‌رود ویژگی‌های رسانایی عالی آنها مشکل جهانی کمبود دستگاه‌های کارآمد از نوع p را در نیمه‌هادی‌های باند گپ گسترده حل کند.

 

در ساخت دستگاه، فرآیندهای نیمه هادی سنتی سازگاری ضعیفی با الماس دارند. در فرآیند فوتولیتوگرافی، ویژگی‌های سطحی الماس خاص است و چسبندگی نوری معمولی دشوار است که به راحتی می‌تواند منجر به اعوجاج الگو و خطوط ناهموار شود. در فرآیند حکاکی، الماس پایداری شیمیایی بسیار قوی دارد و اکثر اچ های سنتی اثرات ضعیفی دارند و کنترل دقیق عمق و شکل اچ را دشوار می کند.

 

خواص فوق سخت الماس نیز چالش هایی را برای پردازش ایجاد می کند. پدهای پولیش سیلیکون و کاربید سیلیکون باید به سطح اتمی صافی دست یابند (زبری RMS کمتر یا مساوی 0.1 نانومتر)، در حالی که الماس سختی بسیار بالایی دارد و ابزارهای آسیاب معمولی به سرعت فرسوده می شوند. حتی در مورد چرخ‌های الماسی تراش، مشکلاتی مانند راندمان پایین و آسیب حرارتی آسان وجود دارد که برآوردن الزامات کیفیت سطح "سطح زیرلایه" را دشوار می‌کند.