El repte de la industrialització del diamant semiconductor

Actualment, els semiconductors de diamant es troben en una etapa crítica de transició de la investigació i el desenvolupament a les aplicacions pràctiques. Tot i que han aconseguit certs resultats d'aplicació en camps com els substrats conductors tèrmics i els detectors de radiació, encara s'enfronten a molts reptes.

 

El creixement dels materials és el repte principal per a la industrialització dels semiconductors de diamant. Les actuals hòsties de silici de 12 polzades han aconseguit aplicacions a gran-escala, que poden reduir significativament el cost unitari dels xips, mentre que la mida dels substrats de cristall únic de diamant és molt inferior a 8 polzades, limitant directament la integració i la producció de xips. Els substrats de mida petita no només no compleixen els requisits de disseny d'alta-densitat dels circuits integrats a gran-escala, sinó que també augmenten la depreciació dels equips, el consum de matèries primeres i altres costos compartits, debilitant la competitivitat dels preus.

 

També hi ha colls d'ampolla en la tecnologia de preparació. La deposició de vapor químic (CVD) és el mètode principal, però la taxa de creixement és només d'uns pocs micròmetres a desenes de micròmetres per hora, cosa que és difícil de satisfer les necessitats de producció eficients de la indústria dels semiconductors. També requereix un control precís de múltiples paràmetres, i els equips i els costos operatius són elevats. Tot i que el mètode d'alta temperatura i alta pressió (HTHP) pot produir diamant, és propens a introduir impureses i defectes i no es pot utilitzar directament en semiconductors. Tanmateix, la qualitat del cristall i la uniformitat del diamant preparat pel mètode CVD encara s'han de millorar.

 

Pel que fa a la tecnologia de dopatge, tant el tipus p-com el tipus n-es troben en un dilema. El dopatge de tipus P-depèn principalment dels àtoms de bor, però l'energia d'ionització del bor és tan alta com 0,37 eV, cosa que dificulta la ionització completament a temperatura ambient i resulta en una concentració de portador extremadament baixa. Si es realitza un dopatge intens per augmentar la concentració, provocarà un augment de l'estrès de la gelosia i dels defectes superficials, intensificarà la recombinació dels forats d'electrons i augmentarà el voltatge i la resistència del dispositiu-.

En teoria, el dopatge de tipus n-pode fer servir àtoms de fòsfor, però el seu radi atòmic és molt més gran que el dels àtoms de carboni, cosa que pot provocar una distorsió severa de la xarxa durant el dopatge. Aquesta distorsió augmenta significativament la probabilitat de dispersió del portador, donant lloc a una forta disminució de la mobilitat. Actualment, encara és difícil obtenir diamants dopats de tipus n-d'alta concentració i alta-qualitat, la qual cosa limita l'aplicació de dispositius relacionats.

 

Tanmateix, alguns experts prediuen que s'espera que els substrats de diamant de 4-polzades assoleixin una producció massiva en els propers 3-5 anys, i s'espera que les seves excel·lents característiques de conductivitat resolguin el problema global de la manca de dispositius eficients de tipus p en semiconductors de banda ampla.

 

En la fabricació de dispositius, els processos tradicionals de semiconductors tenen poca compatibilitat amb el diamant. En el procés de fotolitografia, les característiques superficials del diamant són especials, i la fotoresistència ordinària és difícil d'adherir uniformement, cosa que pot provocar fàcilment una distorsió del patró i línies desiguals; En el procés de gravat, el diamant té una estabilitat química extremadament forta i la majoria dels gravats tradicionals tenen efectes febles, cosa que dificulta controlar amb precisió la profunditat i la forma del gravat.

 

Les propietats superdures del diamant també plantegen reptes per al processament. Els coixinets de poliment de silici i carbur de silici han d'aconseguir una planitud atòmica (rugositat RMS inferior o igual a 0,1 nm), mentre que el diamant té una duresa extremadament alta i les eines de mòlta normals es desgasten ràpidament. Fins i tot amb les moles de diamant, encara hi ha problemes com ara una baixa eficiència i un dany tèrmic fàcil, cosa que dificulta el compliment dels requisits de qualitat de la superfície del "nivell de substrat".