ダイヤモンド - 半導体の将来のスター

科学技術の急速な発展と高性能、高効率の半導体デバイスに対する世界的な需要の高まりに伴い、半導体産業チェーンにおける重要な技術的リンクとしての半導体基板材料の重要性がますます高まっています。中でもダイヤモンドは、第4世代の「究極の半導体」材料の可能性として、その優れた物理的および化学的特性により、徐々に研究のホットスポットとなり、半導体基板材料の分野で新たな市場の人気者となりつつある。

ダイヤモンドの性質

ダイヤモンドは代表的な原子結晶および共有結合結晶です。結晶構造を図 1(a) に示します。それは、共有結合の形で他の 3 つの炭素原子に結合した中央の炭素原子から構成されます。図1(b)は単位格子構造であり、ダイヤモンドの微視的な周期性と構造の対称性を反映しています。

図1ダイヤモンド（a）結晶構造。 （b）単位細胞構造

ダイヤモンドは、図2に示すように、ユニークな物理的および化学的特性、および機械系、電気、光学系の優れた特性を備えた世界で最も硬い材料です。ダイヤモンドには、材料やインデンテが切断するのに適した超高硬度と耐摩耗性があります。 。、および研磨ツールでよく使用されています。 （2）ダイヤモンドは、これまで知られている天然物質の中で最も高い熱伝導率（2200W/（M・K））を持っています。これは、炭化シリコン（SIC）の4倍、シリコン（SI）の13倍、43倍大きいガリウムアルセニド（GAAS）、および銅および銀の4〜5倍で、高出力デバイスで使用されています。低熱膨張係数（0.8×10-6-1.5×10などの優れた特性があります^-6K^-1) と高い弾性率。将来性のある優れた電子パッケージ材料です。 

正孔移動度は4500cm2・V^-1・s^-1、そして電子移動度は3800 cm2・vです^-1・s^-1これにより、高速スイッチング デバイスに適用可能になります。破壊電界強度は13MV/cmであり、高電圧デバイスに適用できます。 Baliga の性能指数は 24664 と高く、他の材料よりもはるかに高くなります (値が大きいほど、スイッチング デバイスで使用できる可能性が高くなります)。 

多結晶ダイヤモンドには装飾効果もあります。ダイヤモンドコーティングはフラッシュ効果だけでなく、多彩なカラーバリエーションも魅力です。高級時計の製造、高級品の装飾コーティング、そして直接ファッション製品として使用されています。ダイヤモンドはコーニングガラスの6倍、10倍の強度と硬度を持ち、携帯電話のディスプレイやカメラのレンズなどにも使用されています。

図2 ダイヤモンドおよびその他の半導体材料の特性

ダイヤモンドの準備

ダイヤモンドの成長は大きく分けてHTHP法（高温高圧法）とCVD法（化学気相成長法）。 CVD法は、高耐圧、高周波、低コスト、高温耐性などの利点から、ダイヤモンド半導体基板の作製方法として主流となっている。 2 つの成長方法は異なる用途に焦点を当てており、将来的には長期にわたって補完的な関係を示すことになります。

高温高圧法（HTHP）とは、黒鉛粉末、金属触媒粉末、添加剤を原料配合で指定された割合で混合し、造粒、静圧、減圧、検査、秤量して黒鉛コアカラムを作製する方法です。およびその他のプロセス。次に、グラファイトコアカラムを複合ブロック、補助部品、その他の密閉された圧力伝達媒体と組み立てて、ダイヤモンド単結晶の合成に使用できる合成ブロックを形成します。その後、六面トッププレスに入れて加熱加圧し、長時間一定に保ちます。結晶育成終了後、加熱を止めて圧力を開放し、封入された圧力伝達媒体を除去して合成カラムを得、これを精製、選別してダイヤモンド単結晶を得る。

図3 6面トッププレスの構造図

金属触媒の使用により、産業用HTHP法で調製されたダイヤモンド粒子にはしばしば特定の不純物と欠陥が含まれており、窒素の添加により、通常は黄色の色合いがあります。テクノロジーのアップグレード後、ダイヤモンドの高温と高圧調製により、温度勾配法を使用して、ダイヤモンド産業の研磨グレードのGEMグレードへの変換を実現し、大型粒子高品質のダイヤモンド単結晶を生成できます。

図4ダイヤモンド形態

化学蒸気堆積（CVD）は、ダイヤモンドフィルムを合成するための最も一般的な方法です。主な方法には、高温フィラメント化学蒸気堆積（HFCVD）とマイクロ波プラズマ化学蒸着 (MPCVD).

（1）高温フィラメント化学蒸気堆積

HFCVDの基本原理は、真空チャンバー内の高温金属ワイヤーと反応ガスを衝突して、さまざまな非常に活性な「非荷電」グループを生成することです。生成された炭素原子は、基質材料に堆積してナノディアモンドを形成します。機器は操作が簡単で、成長コストが低く、広く使用されており、工業生産を簡単に達成できます。熱分解効率が低く、フィラメントと電極からの深刻な金属原子汚染により、HFCVDは通常、粒界で大量のSP2相炭素不純物を含む多結晶ダイヤモンドフィルムの調製にのみ使用されるため、一般的には灰色のブラックです。 。

図5 (a) HFCVD装置図、(b) 真空チャンバー構造図

(2) マイクロ波プラズマ化学気相成長法

MPCVD 法では、マグネトロンまたは固体ソースを使用して特定の周波数のマイクロ波を生成します。マイクロ波は導波管を通じて反応チャンバーに供給され、反応チャンバーの特殊な幾何学的寸法に従って基板上に安定した定在波を形成します。 

高度に集中された電磁場がここで反応ガスのメタンと水素を分解し、安定したプラズマ ボールを形成します。電子が豊富で、イオンが豊富で活性な原子群は、適切な温度と圧力で基板上で核形成および成長し、ホモエピタキシャル成長をゆっくりと引き起こします。 HFCVD と比較して、熱金属ワイヤの蒸発によるダイヤモンド膜の汚染を回避し、ナノダイヤモンド膜の純度を高めます。 HFCVD よりも多くの反応ガスをプロセスで使用でき、堆積されたダイヤモンド単結晶は天然ダイヤモンドよりも純度が高くなります。したがって、光学グレードのダイヤモンド多結晶窓、電子グレードのダイヤモンド単結晶などを作製することができる。

図6 MPCVDの内部構造

ダイヤモンドの発展とジレンマ

最初の人工ダイヤモンドは1963年に60年以上の開発の後に成功裏に開発されて以来、私の国は世界で最大の人工ダイヤモンドを備えた国になり、世界の90％以上を占めています。ただし、中国のダイヤモンドは、主に、研磨粉砕、光学系、下水処理、その他の分野など、ローエンドおよび中端のアプリケーション市場に集中しています。国内のダイヤモンドの開発は大きくなりますが、強くはありません。また、ハイエンドの機器や電子級の材料など、多くの分野では不利です。 

CVDダイヤモンドの分野における学術的成果に関しては、米国、日本、欧州の研究が主導的な地位にあり、我が国では独自の研究は比較的少ないです。 「第13次5カ年計画」の主要な研究開発の支援により、国産の接合エピタキシャル大型ダイヤモンド単結晶は世界一流の地位に躍り出た。不均質エピタキシャル単結晶に関しては、サイズと品質において依然として大きなギャップがあり、「第 14 次 5 か年計画」ではそれを超える可能性がある。

世界中の研究者が、光電子デバイスへのダイヤモンドの応用を実現し、多機能材料としてのダイヤモンドに対する人々の期待に応えるために、ダイヤモンドの成長、ドーピング、デバイス組み立てに関する詳細な研究を行ってきました。しかし、ダイヤモンドのバンドギャップは5.4eVと高い。その p 型導電性はホウ素ドーピングによって実現できますが、n 型導電性を得るのは非常に困難です。さまざまな国の研究者が、格子内の炭素原子を置き換える形で、窒素、リン、硫黄などの不純物を単結晶または多結晶ダイヤモンドにドープしました。しかし、ドナーエネルギー準位が深いことや不純物のイオン化が難しいことにより、良好なn型導電性が得られておらず、ダイヤモンドベースの電子デバイスの研究と応用が大きく制限されています。 

同時に、大エリアの単結晶ダイヤモンドは、単結晶シリコンウェーハのような大量に調製することが困難です。これは、ダイヤモンドベースの半導体デバイスの開発のもう1つの困難です。上記の2つの問題は、既存の半導体ドーピングとデバイス開発理論が、ダイヤモンドN型ドーピングとデバイスアセンブリの問題を解決するのが難しいことを示しています。他のドーピング方法やドーパントを探したり、新しいドーピングとデバイスの開発原則を開発する必要があります。

価格が高すぎるとダイヤモンドの開発も制限されます。シリコンの価格と比較すると、炭化シリコンの価格はシリコンの30～40倍、窒化ガリウムの価格はシリコンの650～1300倍、合成ダイヤモンド材料の価格はシリコンの約1万倍です。価格が高すぎると、ダイヤモンドの開発と応用が制限されます。開発のジレンマを打破するには、いかにコストを削減するかが突破口となります。

見通し

ダイヤモンドの半導体は現在開発の困難に直面していますが、次世代の高出力、高周波、高温、低電力の損失電子デバイスを準備するための最も有望な資料であると依然として考えられています。現在、最もホットな半導体は炭化シリコンで占められています。炭化シリコンにはダイヤモンドの構造がありますが、原子の半分は炭素です。したがって、それはダイヤモンドの半分と見なすことができます。炭化シリコンは、シリコンクリスタル時代からダイヤモンド半導体時代までの移行製品でなければなりません。

「ダイヤモンドは永遠であり、1つのダイヤモンドが永遠に続く」というフレーズは、今日までde Beersの名前を有名にしました。ダイヤモンド半導体の場合、別の種類の栄光を作成するには、永続的かつ継続的な探索が必要になる場合があります。

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