다이아몬드 - 반도체의 미래 별

과학기술의 급속한 발전과 고성능, 고효율 반도체 소자에 대한 세계적인 수요가 증가함에 따라, 반도체 산업 사슬의 핵심 기술 연결고리로서 반도체 기판 소재가 점점 더 중요해지고 있습니다. 그 중 잠재적인 4세대 '궁극의 반도체' 소재인 다이아몬드는 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인해 반도체 기판 소재 분야에서 점차 연구 핫스팟이자 새로운 시장 선호도가 높아지고 있습니다.

다이아몬드의 성질

다이아몬드는 전형적인 원자 결정이자 공유 결합 결정입니다. 결정 구조는 그림 1(a)에 나와 있습니다. 이는 공유 결합의 형태로 다른 세 개의 탄소 원자에 결합된 중간 탄소 원자로 구성됩니다. 그림 1(b)는 다이아몬드의 미세한 주기성과 구조적 대칭성을 반영한 단위 셀 구조이다.

그림 1 다이아몬드 (a) 결정 구조; (b) 단위 셀 구조

다이아몬드는 그림 2와 같이 독특한 물리적, 화학적 특성과 역학, 전기 및 광학 분야에서 탁월한 특성을 지닌 세계에서 가장 단단한 재료입니다. 다이아몬드는 매우 높은 경도와 내마모성을 가지며 재료 절단 및 압입기 등에 적합합니다. ., 연마 도구에 잘 사용됩니다. (2) 다이아몬드는 현재까지 알려진 천연물질 중 열전도율(2200W/(m·K))이 가장 높아 탄화규소(SiC)보다 4배, 실리콘(Si)보다 13배, 규소(Si)보다 43배 높다. 갈륨비소(GaAs)는 구리, 은에 비해 4~5배 더 크고, 고전력 소자에 사용됩니다. 낮은 열팽창계수(0.8×10-6-1.5×10) 등 우수한 특성을 가지고 있습니다.^-6K^-1) 및 높은 탄성률. 전망이 좋은 우수한 전자 포장재입니다. 

정공 이동도는 4500cm2·V입니다.^-1·에스^-1이고, 전자 이동도는 3800 cm2·V이다.^-1·에스^-1, 이는 고속 스위칭 장치에 적용 가능합니다. 항복 전계 강도는 13MV/cm로 고전압 장치에 적용할 수 있습니다. Baliga의 성능 지수는 24664로 다른 재료보다 훨씬 높습니다(값이 클수록 스위칭 장치에 사용할 가능성이 커짐). 

다결정 다이아몬드에는 장식 효과도 있습니다. 다이아몬드 코팅은 플래시 효과뿐만 아니라 다양한 색상을 가지고 있습니다. 고급 시계 제조, 명품 장식 코팅, 패션 제품으로 직접 사용됩니다. 다이아몬드의 강도와 경도는 코닝 글라스의 6배, 10배에 달해 휴대폰 디스플레이, 카메라 렌즈에도 사용된다.

그림 2 다이아몬드 및 기타 반도체 재료의 특성

다이아몬드의 준비

다이아몬드 성장은 크게 HTHP법(고온고압법)과CVD법(화학기상증착법). CVD법은 높은 내압성, 큰 무선 주파수, 저렴한 비용, 높은 온도 저항성 등의 장점으로 인해 다이아몬드 반도체 기판을 제조하는 주류 방법이 되었습니다. 두 가지 성장 방법은 서로 다른 응용 분야에 초점을 맞추고 있으며 앞으로도 오랫동안 상호 보완적인 관계를 보여줄 것입니다.

고온고압공법(HTHP)은 흑연분말, 금속촉매분말 및 첨가제를 원료배합에 규정된 비율로 혼합한 후 과립화, 정적압착, 진공감압, 검사, 칭량을 거쳐 흑연코어컬럼을 만드는 방법이다. 및 기타 프로세스. 그런 다음 흑연 코어 컬럼은 복합 블록, 보조 부품 및 기타 밀봉된 압력 전달 매체와 조립되어 다이아몬드 단결정을 합성하는 데 사용할 수 있는 합성 블록을 형성합니다. 그 후 6면 탑프레스에 넣어 가열, 가압하여 장시간 일정하게 유지합니다. 결정 성장이 완료된 후 열을 멈추고 압력을 해제하고 밀봉된 압력 전달 매체를 제거하여 합성 컬럼을 얻은 다음 정제 및 분류하여 다이아몬드 단결정을 얻습니다.

그림 3 6면 탑프레스의 구조도

금속 촉매의 사용으로 인해 산업용 HTHP 방법으로 제조된 다이아몬드 입자는 종종 특정 불순물과 결함을 포함하고 있으며 질소 첨가로 인해 일반적으로 노란색을 띠고 있습니다. 기술 업그레이드 후 다이아몬드의 고온 고압 준비는 온도 구배 방법을 사용하여 큰 입자의 고품질 다이아몬드 단결정을 생산할 수 있으며 다이아몬드 공업용 연마 등급을 보석 등급으로 변환하는 것을 실현합니다.

그림 4 다이아몬드 형태

화학 기상 증착(CVD)은 다이아몬드 필름을 합성하는 가장 널리 사용되는 방법입니다. 대표적인 방법으로는 HFCVD(Hot Filament Chemical Vapor Deposition)와마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착(MPCVD).

(1) 열간 필라멘트 화학 기상 증착

HFCVD의 기본 원리는 진공 챔버에서 반응 가스를 고온 금속 와이어와 충돌시켜 다양한 고활성 "비전하" 그룹을 생성하는 것입니다. 생성된 탄소 원자는 기판 소재에 증착되어 나노 다이아몬드를 형성합니다. 장비는 조작이 간단하고 성장 비용이 낮으며 널리 사용되며 산업 생산이 용이합니다. 열분해 효율이 낮고 필라멘트와 전극의 금속 원자 오염이 심각하기 때문에 HFCVD는 일반적으로 결정립계에 sp2 상 탄소 불순물이 다량 포함된 다결정 다이아몬드 필름을 제조하는 데에만 사용되므로 일반적으로 회색-검정색을 띕니다. .

그림 5 (a) HFCVD 장비도, (b) 진공챔버 구조도

(2) 마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착

MPCVD 방법은 마그네트론 또는 고체 소스를 사용하여 특정 주파수의 마이크로파를 생성합니다. 이 마이크로파는 도파관을 통해 반응 챔버로 공급되고 반응 챔버의 특별한 기하학적 치수에 따라 기판 위에 안정적인 정재파를 형성합니다. 

고도로 집중된 전자기장은 여기에서 반응 가스인 메탄과 수소를 분해하여 안정적인 플라즈마 볼을 형성합니다. 전자가 풍부하고 이온이 풍부하며 활성 원자 그룹은 적절한 온도와 압력에서 기판에서 핵을 생성하고 성장하여 호모에피택셜 성장을 천천히 유발합니다. HFCVD와 비교하여 뜨거운 금속 와이어 증발로 인한 다이아몬드 필름의 오염을 방지하고 나노 다이아몬드 필름의 순도를 높입니다. HFCVD보다 더 많은 반응 가스를 공정에 사용할 수 있으며, 증착된 다이아몬드 단결정은 천연 다이아몬드보다 더 순수합니다. 따라서 광학급 다이아몬드 다결정 창, 전자급 다이아몬드 단결정 등을 제조할 수 있다.

그림 6 MPCVD의 내부 구조

다이아몬드의 발전과 딜레마

1963년 최초의 인공다이아몬드 개발에 성공한 이래, 60여년의 개발 끝에 우리나라는 세계 최대의 인공다이아몬드 생산량을 자랑하는 나라가 되었으며, 세계 생산량의 90% 이상을 차지하게 되었습니다. 그러나 중국의 다이아몬드는 연마 연삭, 광학, 하수 처리 및 기타 분야와 같은 중저가 응용 시장에 주로 집중되어 있습니다. 국산 다이아몬드의 발전은 규모는 크지만 강세는 아니며 고급 장비, 전자급 재료 등 많은 분야에서 열세에 처해 있다. 

CVD 다이아몬드 분야의 학문적 성과는 미국, 일본, 유럽의 연구가 선두에 있으며, 우리나라에서는 독창적인 연구가 상대적으로 적습니다. '13차 5개년 계획'의 핵심 연구개발의 지원으로 국산 접합 에피택셜 대형 다이아몬드 단결정이 세계 일류의 위치로 도약했습니다. 이종 에피택시 단결정의 경우 크기와 품질 면에서 여전히 큰 격차가 있어 '14차 5개년 계획'에서는 이를 넘어설 수 있습니다.

다이아몬드를 광전자소자에 적용하는 것을 실현하고 다이아몬드가 다기능 소재로서 기대하는 바에 부응하기 위해 전 세계 연구자들이 다이아몬드의 성장, 도핑, 장치 조립에 대해 심층적인 연구를 진행해 왔습니다. 그러나 다이아몬드의 밴드갭은 5.4eV에 달한다. p형 전도성은 붕소 도핑을 통해 얻을 수 있지만 n형 전도성을 얻는 것은 매우 어렵습니다. 각국의 연구자들은 격자의 탄소원자를 대체하는 형태로 단결정이나 다결정 다이아몬드에 질소, 인, 황 등의 불순물을 도핑해 왔다. 그러나 도너 에너지 준위가 깊거나 불순물 이온화의 어려움으로 인해 우수한 n형 전도성을 얻지 못하여 다이아몬드 기반 전자 장치의 연구 및 응용이 크게 제한됩니다. 

동시에, 대면적 단결정 다이아몬드는 단결정 실리콘 웨이퍼처럼 대량으로 제조하기가 어려우며, 이는 다이아몬드 기반 반도체 소자 개발의 또 다른 어려움이다. 위의 두 가지 문제는 기존의 반도체 도핑 및 소자 개발 이론으로는 다이아몬드 n형 도핑 및 소자 조립의 문제를 해결하기 어렵다는 것을 보여줍니다. 다른 도핑 방법과 도펀트를 모색하거나 새로운 도핑 및 장치 개발 원리도 개발해야 한다.

지나치게 높은 가격도 다이아몬드 개발을 제한합니다. 실리콘 가격과 비교하면 탄화규소 가격은 실리콘 가격의 30~40배, 질화갈륨 가격은 실리콘 가격의 650~1300배, 합성 다이아몬드 소재 가격은 실리콘 가격의 약 10,000배입니다. 가격이 너무 높으면 다이아몬드의 개발과 적용이 제한됩니다. 어떻게 비용을 절감하느냐가 개발 딜레마를 깨는 돌파구입니다.

시야

다이아몬드 반도체는 현재 개발에 어려움을 겪고 있지만 여전히 차세대 고전력, 고주파, 고온, 저전력 손실 전자소자를 준비하는 데 가장 유망한 소재로 꼽힌다. 현재 가장 인기 있는 반도체는 탄화규소가 차지하고 있습니다. 탄화 규소는 다이아몬드 구조를 가지고 있지만 원자의 절반은 탄소입니다. 그러므로 그것은 다이아몬드의 절반이라고 볼 수 있습니다. 탄화규소는 실리콘 결정 시대에서 다이아몬드 반도체 시대로 넘어가는 과도기적 제품이어야 한다.

"다이아몬드는 영원하고, 하나의 다이아몬드는 영원히 지속된다"는 문구는 드비어스의 이름을 오늘날까지 유명하게 만들었습니다. 다이아몬드 반도체의 경우 또 다른 영광을 창조하려면 영구적이고 지속적인 탐구가 필요할 수 있습니다.

VeTek Semiconductor는 중국 전문 제조업체입니다.탄탈륨 카바이드 코팅, 실리콘 카바이드 코팅, GaN 제품,특수흑연, 실리콘 카바이드 세라믹그리고기타 반도체 세라믹. VeTek Semiconductor는 반도체 산업의 다양한 코팅 제품에 대한 고급 솔루션을 제공하기 위해 최선을 다하고 있습니다.

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