El desafío de la industrialización de los semiconductores de diamante.

Actualmente, los semiconductores de diamante se encuentran en una etapa crítica de transición de la investigación y el desarrollo a las aplicaciones prácticas. Aunque han logrado ciertos resultados de aplicación en campos como los sustratos conductores térmicos y los detectores de radiación, todavía enfrentan muchos desafíos.

 

El crecimiento material es el principal desafío para la industrialización de los semiconductores de diamante. Las actuales obleas de silicio de 12 pulgadas han logrado aplicaciones a gran-escala, lo que puede reducir significativamente el costo unitario de los chips, mientras que el tamaño de los sustratos de monocristal de diamante es mucho menor que 8 pulgadas, lo que limita directamente la integración y producción de chips. Los sustratos de tamaño pequeño no solo no cumplen con los requisitos de diseño de alta-densidad de los circuitos integrados de gran-escala, sino que también aumentan la depreciación de los equipos, el consumo de materias primas y otros costos compartidos, lo que debilita la competitividad de los precios.

 

También existen obstáculos en la tecnología de preparación. La deposición química de vapor (CVD) es el método principal, pero la tasa de crecimiento es de sólo unos pocos micrómetros a decenas de micrómetros por hora, lo que es difícil de satisfacer las necesidades de producción eficiente de la industria de semiconductores. También requiere un control preciso de múltiples parámetros y los costos operativos y de equipo son altos. Aunque el método de alta temperatura y alta presión (HTHP) puede producir diamantes, es propenso a introducir impurezas y defectos y no puede usarse directamente en semiconductores. Sin embargo, aún es necesario mejorar la calidad del cristal y la uniformidad del diamante preparado mediante el método CVD.

 

En términos de tecnología antidopaje, tanto el tipo p-como el tipo n-se encuentran en un dilema. El dopaje de tipo P- se basa principalmente en átomos de boro, pero la energía de ionización del boro es tan alta como 0,37 eV, lo que dificulta la ionización completa a temperatura ambiente y da como resultado una concentración de portador extremadamente baja. Si se lleva a cabo un dopaje intenso para aumentar la concentración, se producirá un aumento de la tensión de la red y de defectos superficiales, se intensificará la recombinación de los huecos de electrones y se incrementará el voltaje de encendido y la resistencia de encendido del dispositivo.

En teoría, el dopaje de tipo n- puede utilizar átomos de fósforo, pero su radio atómico es mucho mayor que el de los átomos de carbono, lo que puede causar una grave distorsión de la red durante el dopaje. Esta distorsión aumenta significativamente la probabilidad de dispersión de la portadora, lo que provoca una fuerte disminución de la movilidad. Actualmente, todavía es difícil obtener diamantes dopados de tipo n-de alta concentración y alta-calidad, lo que limita la aplicación de dispositivos relacionados.

 

Sin embargo, algunos expertos predicen que se espera que los sustratos de diamante de 4-pulgadas alcancen una producción en masa en los próximos 3 a 5 años, y se espera que sus excelentes características de conductividad resuelvan el problema global de la falta de dispositivos eficientes de tipo p en semiconductores de banda ancha.

 

En la fabricación de dispositivos, los procesos tradicionales de semiconductores tienen poca compatibilidad con el diamante. En el proceso de fotolitografía, las características de la superficie del diamante son especiales y el fotoprotector ordinario es difícil de adherir uniformemente, lo que puede provocar fácilmente distorsiones del patrón y líneas desiguales; En el proceso de grabado, el diamante tiene una estabilidad química extremadamente fuerte y la mayoría de los grabadores tradicionales tienen efectos débiles, lo que dificulta el control preciso de la profundidad y la forma del grabado.

 

Las propiedades superduras del diamante también plantean desafíos para el procesamiento. Las almohadillas de pulido de silicio y carburo de silicio deben alcanzar una planitud a nivel atómico (rugosidad RMS menor o igual a 0,1 nm), mientras que el diamante tiene una dureza extremadamente alta y las herramientas de pulido comunes se desgastan rápidamente. Incluso con las muelas abrasivas de diamante, todavía existen problemas como la baja eficiencia y el fácil daño térmico, lo que dificulta cumplir con los requisitos de calidad de la superficie "a nivel del sustrato".