हीरा - अर्धचालक को भविष्य तारा

विज्ञान र प्रविधिको द्रुत विकास र उच्च-प्रदर्शन र उच्च-दक्षता सेमीकन्डक्टर उपकरणहरूको लागि बढ्दो विश्वव्यापी मागको साथ, सेमीकन्डक्टर सब्सट्रेट सामग्री, सेमीकन्डक्टर उद्योग श्रृंखलामा एक प्रमुख प्राविधिक लिङ्कको रूपमा, बढ्दो महत्त्वपूर्ण हुँदै गइरहेको छ। तिनीहरूमध्ये, हीरा, एक सम्भावित चौथो पुस्ताको "अन्तिम सेमीकन्डक्टर" सामग्रीको रूपमा, यसको उत्कृष्ट भौतिक र रासायनिक गुणहरूको कारण सेमीकन्डक्टर सब्सट्रेट सामग्रीको क्षेत्रमा बिस्तारै अनुसन्धान हटस्पट र नयाँ बजार मनपर्ने बनिरहेको छ।

हीरा को गुण

हीरा एक विशिष्ट परमाणु क्रिस्टल र सहसंयोजक बन्ड क्रिस्टल हो। क्रिस्टल संरचना चित्र 1(a) मा देखाइएको छ। यसमा एक सहसंयोजक बन्धनको रूपमा अन्य तीन कार्बन परमाणुहरूसँग बाँडिएको मध्य कार्बन परमाणु हुन्छ। चित्र 1(b) एकाइ सेल संरचना हो, जसले माइक्रोस्कोपिक आवधिकता र हीराको संरचनात्मक सममितिलाई प्रतिबिम्बित गर्दछ।

चित्र १ हीरा (क) क्रिस्टल संरचना; (b) इकाई कोशिका संरचना

चित्र 2 मा देखाइए अनुसार अद्वितीय भौतिक र रासायनिक गुणहरू र मेकानिक्स, बिजुली र अप्टिक्समा उत्कृष्ट गुणहरू सहित हीरा संसारको सबैभन्दा कठिन सामग्री हो: हीरामा अति-उच्च कठोरता र पहिरन प्रतिरोध छ, सामग्री र इन्डेन्टरहरू काट्नका लागि उपयुक्त छ। ।, र घर्षण उपकरणहरूमा राम्रोसँग प्रयोग गरिन्छ; (२) हिराको हालसम्म ज्ञात प्राकृतिक पदार्थहरूमध्ये उच्चतम थर्मल चालकता (2200W/(m·K)) छ, जुन सिलिकन कार्बाइड (SiC) भन्दा 4 गुणा ठूलो छ, सिलिकन (Si) भन्दा 13 गुणा ठूलो छ, सिलिकन (Si) भन्दा 43 गुणा ठूलो छ। ग्यालियम आर्सेनाइड (GaAs), र तामा र चाँदी भन्दा 4 देखि 5 गुणा ठूलो, र उच्च शक्ति उपकरणहरूमा प्रयोग गरिन्छ। यसमा उत्कृष्ट गुणहरू छन् जस्तै कम थर्मल विस्तार गुणांक (०.८ × १०-६-१.५ × १०^-६K^-१) र उच्च लोचदार मोड्युलस। यो राम्रो सम्भावनाहरु संग एक उत्कृष्ट इलेक्ट्रोनिक प्याकेजिङ्ग सामाग्री हो। 

प्वाल गतिशीलता 4500 cm2·V छ^-१·s^-१, र इलेक्ट्रोन गतिशीलता 3800 cm2·V छ^-१·s^-१, जसले यसलाई उच्च-गति स्विच गर्ने उपकरणहरूमा लागू हुन्छ; ब्रेकडाउन फिल्ड बल 13MV/सेमी हो, जुन उच्च-भोल्टेज उपकरणहरूमा लागू गर्न सकिन्छ; योग्यताको बालिगा फिगर 24664 को रूपमा उच्च छ, जुन अन्य सामग्रीहरू भन्दा धेरै उच्च छ (जति ठूलो मूल्य, स्विचिङ उपकरणहरूमा प्रयोगको लागि ठूलो सम्भावना)। 

Polycrystalline हीरा पनि एक सजावटी प्रभाव छ। डायमण्ड कोटिंगमा फ्ल्याश इफेक्ट मात्र छैन तर विभिन्न रंगहरू पनि छन्। यो उच्च-अन्त घडीहरू, विलासिताका सामानहरूको लागि सजावटी कोटिंग्स, र सीधा फेसन उत्पादनको रूपमा प्रयोग गरिन्छ। हीराको बल र कठोरता कोर्निङ ग्लासको 6 गुणा र 10 गुणा हुन्छ, त्यसैले यो मोबाइल फोनको डिस्प्ले र क्यामेरा लेन्समा पनि प्रयोग गरिन्छ।

चित्र २ हीरा र अन्य अर्धचालक सामग्रीको गुण

हीरा को तयारी

हीरा वृद्धि मुख्यतया HTHP विधि (उच्च तापक्रम र उच्च दबाव विधि) र मा विभाजित छCVD विधि (रासायनिक भाप निक्षेप विधि)। CVD विधि उच्च दबाव प्रतिरोध, ठूलो रेडियो फ्रिक्वेन्सी, कम लागत, र उच्च तापमान प्रतिरोध जस्ता फाइदाहरूको कारण हीरा अर्धचालक सब्सट्रेटहरू तयार गर्नको लागि मुख्यधारा विधि भएको छ। दुई वृद्धि विधिहरू विभिन्न अनुप्रयोगहरूमा केन्द्रित छन्, र तिनीहरूले भविष्यमा लामो समयको लागि पूरक सम्बन्ध देखाउनेछन्।

उच्च तापक्रम र उच्च चाप विधि (HTHP) भनेको कच्चा मालको सूत्रले तोकेको अनुपातमा ग्रेफाइट पाउडर, धातु उत्प्रेरक पाउडर र additives मिसाएर ग्रेफाइट कोर स्तम्भ बनाउनु हो, र त्यसपछि दाने, स्थिर प्रेसिङ, भ्याकुम घटाउने, निरीक्षण, तौल। र अन्य प्रक्रियाहरू। ग्रेफाइट कोर स्तम्भलाई कम्पोजिट ब्लक, सहायक भागहरू र अन्य सिल गरिएको दबाव प्रसारण मिडियासँग सिंथेटिक ब्लक बनाउनको लागि जम्मा गरिन्छ जुन हीरा एकल क्रिस्टलहरू संश्लेषण गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ। त्यस पछि, यसलाई तताउने र दबाबको लागि छ-पक्षीय शीर्ष प्रेसमा राखिन्छ र लामो समयसम्म स्थिर राखिन्छ। क्रिस्टलको वृद्धि पूरा भएपछि, गर्मी रोकिन्छ र दबाब जारी हुन्छ, र सिंथेटिक स्तम्भ प्राप्त गर्न सील गरिएको दबाव प्रसारण माध्यम हटाइन्छ, जुन त्यसपछि शुद्ध हुन्छ र हीरा एकल क्रिस्टल प्राप्त गर्न क्रमबद्ध हुन्छ।

चित्र 3 छ-पक्षीय शीर्ष प्रेसको संरचना रेखाचित्र

धातु उत्प्रेरकहरूको प्रयोगको कारण, औद्योगिक HTHP विधिद्वारा तयार गरिएको हीरा कणहरूमा प्रायः निश्चित अशुद्धता र दोषहरू हुन्छन्, र नाइट्रोजन थपिएको कारण, तिनीहरू सामान्यतया पहेंलो रङ हुन्छन्। टेक्नोलोजी अपग्रेड पछि, हीराको उच्च तापक्रम र उच्च दबाबको तयारीले ठूलो-कण उच्च-गुणस्तरको हीरा एकल क्रिस्टलहरू उत्पादन गर्न तापक्रम ढाँचा विधि प्रयोग गर्न सक्छ, हीरा औद्योगिक घर्षण ग्रेडलाई रत्न ग्रेडमा रूपान्तरण महसुस गर्दै।

चित्र 4 हीरा आकार विज्ञान

रासायनिक वाष्प निक्षेप (CVD) हीरा फिल्महरू संश्लेषणको लागि सबैभन्दा लोकप्रिय विधि हो। मुख्य विधिहरूमा तातो फिलामेन्ट रासायनिक वाष्प निक्षेप (HFCVD) र समावेश छमाइक्रोवेव प्लाज्मा रासायनिक वाष्प निक्षेप (MPCVD).

(1) तातो फिलामेन्ट रासायनिक वाष्प निक्षेप

HFCVD को आधारभूत सिद्धान्त भ्याकुम चेम्बरमा उच्च-तापमान धातुको तारसँग प्रतिक्रिया ग्यासलाई टकराउनु हो जसले विभिन्न प्रकारका अत्यधिक सक्रिय "अनचार्ज्ड" समूहहरू उत्पन्न गर्दछ। उत्पन्न कार्बन परमाणुहरू नानोडायमन्डहरू बनाउनको लागि सब्सट्रेट सामग्रीमा जम्मा गरिन्छ। उपकरण सञ्चालन गर्न सरल छ, कम वृद्धि लागत छ, व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ, र औद्योगिक उत्पादन हासिल गर्न सजिलो छ। कम थर्मल विघटन दक्षता र फिलामेन्ट र इलेक्ट्रोडबाट गम्भीर धातु परमाणु प्रदूषणको कारणले, HFCVD सामान्यतया केवल अनाज सीमामा ठूलो मात्रामा sp2 चरण कार्बन अशुद्धता भएको polycrystalline हीरा फिल्महरू तयार गर्न प्रयोग गरिन्छ, त्यसैले यो सामान्यतया खैरो-कालो हुन्छ। ।

चित्र 5 (a) HFCVD उपकरण रेखाचित्र, (b) भ्याकुम चेम्बर संरचना रेखाचित्र

(2) माइक्रोवेव प्लाज्मा रासायनिक वाष्प निक्षेप

MPCVD विधिले विशिष्ट फ्रिक्वेन्सीको माइक्रोवेभहरू उत्पन्न गर्न म्याग्नेट्रोन वा ठोस-राज्य स्रोत प्रयोग गर्दछ, जुन वेभगाइड मार्फत प्रतिक्रिया कक्षमा खुवाइन्छ, र प्रतिक्रिया कक्षको विशेष ज्यामितीय आयामहरू अनुसार सब्सट्रेट माथि स्थिर खडा छालहरू बनाउँदछ। 

अत्यधिक केन्द्रित विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रले प्रतिक्रिया ग्याँसहरू मिथेन र हाइड्रोजनलाई यहाँ तोडेर स्थिर प्लाज्मा बल बनाउँछ। इलेक्ट्रोन-धनी, आयन-धनी, र सक्रिय आणविक समूहहरू उपयुक्त तापक्रम र दबाबमा सब्सट्रेटमा न्यूक्लिट हुनेछन् र बढ्नेछन्, जसले गर्दा होमियोपिटेक्सियल वृद्धि बिस्तारै हुन्छ। HFCVD को तुलनामा, यसले तातो धातुको तार वाष्पीकरणको कारणले गर्दा हीरा फिल्मको प्रदूषणबाट बच्न र नानोडायमन्ड फिल्मको शुद्धता बढाउँछ। HFCVD भन्दा बढी प्रतिक्रिया ग्यासहरू प्रक्रियामा प्रयोग गर्न सकिन्छ, र जम्मा गरिएको हीरा एकल क्रिस्टलहरू प्राकृतिक हीरा भन्दा शुद्ध छन्। त्यसकारण, अप्टिकल-ग्रेड डायमंड पोलिक्रिस्टलाइन विन्डोजहरू, इलेक्ट्रोनिक-ग्रेड हीरा एकल क्रिस्टलहरू, आदि तयार गर्न सकिन्छ।

चित्र 6 MPCVD को आन्तरिक संरचना

हीराको विकास र दुविधा

1963 मा पहिलो कृत्रिम हीरा सफलतापूर्वक विकसित भएको थियो, 60 भन्दा बढी वर्षको विकास पछि, मेरो देश संसारको 90% भन्दा बढी हिस्सा ओगटेको संसारमा कृत्रिम हीराको सबैभन्दा ठूलो उत्पादन भएको देश भएको छ। यद्यपि, चीनका हीराहरू मुख्यतया कम-अन्त र मध्यम-अन्त अनुप्रयोग बजारहरूमा केन्द्रित छन्, जस्तै घर्षण पीसने, अप्टिक्स, ढल प्रशोधन र अन्य क्षेत्रहरू। घरेलु हीराको विकास ठूलो छ तर बलियो छैन, र यो उच्च-अन्त उपकरण र इलेक्ट्रोनिक-ग्रेड सामग्री जस्ता धेरै क्षेत्रहरूमा एक हानिमा छ। 

CVD हीराको क्षेत्रमा शैक्षिक उपलब्धिहरूको सन्दर्भमा, संयुक्त राज्य अमेरिका, जापान र युरोपमा अनुसन्धान अग्रणी स्थितिमा छ, र मेरो देशमा अपेक्षाकृत थोरै मौलिक अनुसन्धानहरू छन्। "१३औं पञ्चवर्षीय योजना" को प्रमुख अनुसन्धान र विकासको सहयोगमा, घरेलु स्प्लिस्ड एपिटेक्सियल ठूलो आकारको हीरा एकल क्रिस्टलले विश्वको प्रथम श्रेणीको स्थानमा उफ्रिएको छ। विषम एपिटेक्सियल एकल क्रिस्टलको सन्दर्भमा, आकार र गुणस्तरमा अझै ठूलो अन्तर छ, जुन "१४ औं पञ्चवर्षीय योजना" मा पार गर्न सकिन्छ।

विश्वभरका अन्वेषकहरूले अप्टोइलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूमा हीराको प्रयोगलाई महसुस गर्न र बहु-कार्यात्मक सामग्रीको रूपमा हीराको लागि मानिसहरूको अपेक्षाहरू पूरा गर्न हीराको वृद्धि, डोपिङ र उपकरण संयोजनमा गहिरो अनुसन्धान गरेका छन्। यद्यपि, हीराको ब्यान्ड ग्याप 5.4 eV जति उच्च छ। यसको p-प्रकार चालकता बोरोन डोपिङ द्वारा प्राप्त गर्न सकिन्छ, तर यो n-प्रकार चालकता प्राप्त गर्न धेरै गाह्रो छ। विभिन्न देशका अन्वेषकहरूले नाइट्रोजन, फस्फोरस र सल्फर जस्ता अशुद्धतालाई एकल क्रिस्टल वा पोलिक्रिस्टलाइन हीरामा जालीमा कार्बन परमाणुहरू प्रतिस्थापन गर्ने रूपमा डोप गरेका छन्। यद्यपि, गहिरो दाता ऊर्जा स्तर वा अशुद्धताको आयनीकरणमा कठिनाइको कारणले, राम्रो n-प्रकार चालकता प्राप्त भएको छैन, जसले हीरामा आधारित इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूको अनुसन्धान र प्रयोगलाई ठूलो मात्रामा सीमित गर्दछ। 

एकै समयमा, ठूलो-क्षेत्र एकल क्रिस्टल हीरा एकल क्रिस्टल सिलिकन वेफर्स जस्ता ठूलो मात्रामा तयार गर्न गाह्रो छ, जुन हीरा-आधारित अर्धचालक यन्त्रहरूको विकासमा अर्को कठिनाई हो। माथिका दुई समस्याहरूले देखाउँछन् कि अवस्थित अर्धचालक डोपिङ र उपकरण विकास सिद्धान्तले हीरा एन-टाइप डोपिङ र यन्त्र संयोजनको समस्याहरू समाधान गर्न गाह्रो छ। यो अन्य डोपिङ विधिहरू र डोपेन्टहरू खोज्न आवश्यक छ, वा नयाँ डोपिङ र उपकरण विकास सिद्धान्तहरू पनि विकास गर्न आवश्यक छ।

अत्यधिक उच्च मूल्यहरूले पनि हीराको विकासलाई सीमित गर्दछ। सिलिकनको मूल्यसँग तुलना गर्दा, सिलिकन कार्बाइडको मूल्य सिलिकनको भन्दा ३०-४० गुणा, ग्यालियम नाइट्राइडको मूल्य सिलिकनको भन्दा ६५०-१३०० गुणा हुन्छ, र सिंथेटिक हीरा सामग्रीको मूल्य सिलिकनको भन्दा करिब १०,००० गुणा हुन्छ। धेरै उच्च मूल्यले हीराको विकास र प्रयोगलाई सीमित गर्दछ। विकासको दुविधा तोड्नको लागि लागत कसरी घटाउने भन्ने एउटा महत्त्वपूर्ण बिन्दु हो।

आउटलुक

यद्यपि हीरा अर्धचालकहरू हाल विकासमा कठिनाइहरूको सामना गरिरहेका छन्, तिनीहरू अझै पनि उच्च-शक्ति, उच्च-फ्रिक्वेन्सी, उच्च-तापमान र कम-शक्ति गुमाउने इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूको अर्को पुस्ताको तयारीको लागि सबैभन्दा आशाजनक सामग्री मानिन्छ। हाल, सबैभन्दा तातो अर्धचालकहरू सिलिकन कार्बाइडले ओगटेका छन्। सिलिकन कार्बाइडमा हीराको संरचना छ, तर यसको आधा परमाणुहरू कार्बन हुन्। त्यसैले, यसलाई आधा हीरा मान्न सकिन्छ। सिलिकन कार्बाइड सिलिकन क्रिस्टल युगबाट हीरा अर्धचालक युगमा संक्रमणकालीन उत्पादन हुनुपर्छ।

"हीरा सधैंका लागि हुन्छ, र एउटा हीरा सधैंभरि रहन्छ" भन्ने वाक्यांशले डे बियर्सको नाम आजसम्म प्रसिद्ध बनाएको छ। हीरा अर्धचालकहरूको लागि, अर्को प्रकारको महिमा सिर्जना गर्न स्थायी र निरन्तर अन्वेषण आवश्यक पर्दछ।

VeTek सेमीकन्डक्टर एक पेशेवर चिनियाँ निर्माता होट्यान्टलम कार्बाइड कोटिंग, सिलिकन कार्बाइड कोटिंग, GaN उत्पादनहरू,विशेष ग्रेफाइट, सिलिकन कार्बाइड सिरेमिकरअन्य अर्धचालक सिरेमिक। VeTek Semiconductor अर्धचालक उद्योग को लागी विभिन्न कोटिंग उत्पादनहरु को लागी उन्नत समाधान प्रदान गर्न प्रतिबद्ध छ।

यदि तपाइँसँग कुनै सोधपुछ छ वा थप विवरणहरू चाहिन्छ भने, कृपया हामीलाई सम्पर्क गर्न नहिचकिचाउनुहोस्।

Mob/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

इमेल: anny@veteksemi.com