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 특성

다이아몬드는 전형적인 원자 결정 및 공유 결합 결정입니다. 결정 구조는도 1 (a)에 도시되어있다. 그것은 공유 결합의 형태로 다른 3 개의 탄소 원자에 결합 된 중간 탄소 원자로 구성된다. 그림 1 (b)는 다이아몬드의 현미경 주기성 및 구조적 대칭을 반영하는 단위 셀 구조입니다.

도 1 다이아몬드 (A) 결정 구조; (b) 단위 세포 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 천연 물질 중에서 가장 높은 열전도율 (2200W/(m · k))를 가지며, 실리콘 카바이드 (SIC)보다 4 배, 실리콘 (SI)보다 13 배, 갈륨 아르 세 나이드 (GAA), 구리와은보다 4 ~ 5 배 더 큰 고출력 장치에서 사용됩니다. 낮은 열 팽창 계수 (0.8 × 10-6-1.5 × 10과 같은 우수한 특성이 있습니다.^-6K^-1) 및 높은 탄성 계수. 좋은 전망을 가진 훌륭한 전자 포장재입니다. 

구멍 이동성은 4500 cm2 · v입니다^-1·에스^-1전자 이동성은 3800 cm2 · v입니다^-1·에스^-1, 이는 고속 스위칭 장치에 적용 할 수있게합니다. 분해 전계 강도는 13MV/cm이며, 이는 고전압 장치에 적용될 수 있습니다. 공로의 발리가 수치는 24664로 높으며, 이는 다른 재료보다 훨씬 높습니다 (값이 클수록 스위칭 장치에 사용할 가능성이 커). 

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 주로 HTHP 방법 (고온 및 고압 방법)으로 나뉩니다.CVD법(화학기상증착법). CVD 방법은 고압 저항, 큰 무선 주파수, 저렴한 비용 및 고온 저항과 같은 장점으로 인해 다이아몬드 반도체 기판을 제조하는 주류 방법이되었습니다. 두 가지 성장 방법은 다른 응용 분야에 중점을두고 앞으로 오랫동안 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 입자에는 특정 불순물과 결함이 포함되어 있는 경우가 많으며 질소 첨가로 인해 일반적으로 노란색을 띠게 됩니다. 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) 뜨거운 필라멘트 화학 증기 증착

HFCVD의 기본 원리는 진공 챔버에서 고온 금속 와이어와 반응 가스를 충돌하여 다양한 활성 "하전되지 않은"그룹을 생성하는 것입니다. 생성 된 탄소 원자는 기질 물질 상에 증착되어 나노 디아몬드를 형성한다. 이 장비는 운영하기 간단하고 성장 비용이 낮고 널리 사용되며 산업 생산을 쉽게 달성하기가 쉽습니다. 열 분해 효율이 낮고 필라멘트 및 전극으로부터의 심각한 금속 원자 오염으로 인해 HFCVD는 일반적으로 입자 경계에서 대량의 SP2 상 탄소 불순물을 함유하는 다결정 다이아몬드 필름을 준비하는 데만 사용되므로 일반적으로 회색 블랙입니다. .

그림 5 (a) HFCVD 장비 다이어그램, (b) 진공 챔버 구조 다이어그램

(2) 마이크로파 혈장 화학 증기 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

최초의 인공 다이아몬드가 1963 년에 성공적으로 개발 된 이래 60 년이 넘는 개발 후, 우리 나라는 세계에서 가장 큰 인공 다이아몬드 생산량을 가진 국가가되어 세계의 90% 이상을 차지했습니다. 그러나 중국의 다이아몬드는 주로 연마 연삭, 광학, 하수 처리 및 기타 분야와 같은 저가형 및 중형 응용 시장에 집중되어 있습니다. 국내 다이아몬드의 개발은 크지 만 강하지는 않으며 고급 장비 및 전자 등급 재료와 같은 많은 분야에서 불리합니다. 

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.

전 세계의 연구원들은 광전자 장치에 다이아몬드의 적용을 실현하고 다기능 재료로서 다이아몬드에 대한 사람들의 기대를 충족시키기 위해 다이아몬드의 성장, 도핑 및 장치 조립에 대한 심층적 인 연구를 수행했습니다. 그러나 다이아몬드의 밴드 갭은 5.4 eV만큼 높다. P- 타입 전도도는 붕소 도핑에 의해 달성 될 수 있지만, N- 타입 전도도를 얻는 것은 매우 어렵다. 여러 나라의 연구자들은 격자에서 탄소 원자를 대체하는 형태로 질소, 인 및 황과 같은 불순물을 단결정 또는 다결정 다이아몬드로 도핑했습니다. 그러나, 심각한 공여자 에너지 수준 또는 불순물의 이온화에 어려움이 있기 때문에, 우수한 N 형 전도도는 얻지 못해서 다이아몬드 기반 전자 장치의 연구 및 적용을 크게 제한한다. 

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 가격은 다이아몬드의 개발을 제한합니다. 실리콘 가격과 비교하여 실리콘 카바이드의 가격은 실리콘의 가격이 30-40 배이며, 질화 갈륨의 가격은 실리콘보다 650-1300 배이며, 합성 다이아몬드 재료의 가격은 실리콘의 대략 10,000 배입니다. 가격이 너무 높으면 다이아몬드의 개발 및 적용이 제한됩니다. 비용을 줄이는 방법은 개발 딜레마를 깨뜨리는 획기적인 점입니다.

시야

다이아몬드 반도체는 현재 개발에 어려움에 직면하고 있지만, 차세대 고전력, 고주파, 고온 및 저전력 손실 전자 장치를 준비하는 데 가장 유망한 재료로 여겨지고 있습니다. 현재, 가장 인기있는 반도체는 실리콘 카바이드에 의해 점유됩니다. 실리콘 카바이드는 다이아몬드의 구조를 가지고 있지만 원자의 절반은 탄소입니다. 따라서 다이아몬드의 절반으로 간주 될 수 있습니다. 실리콘 카바이드는 실리콘 크리스탈 시대에서 다이아몬드 반도체 시대로의 전환 생성물이어야합니다.

"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.

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