الماس - نجم المستقبل لأشباه الموصلات

مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا والطلب العالمي المتزايد على أجهزة أشباه الموصلات ذات الأداء العالي والكفاءة العالية ، أصبحت مواد الركيزة شبه الموصلات ، باعتبارها رابطًا تقنيًا رئيسيًا في سلسلة صناعة أشباه الموصلات ، ذات أهمية متزايدة. من بينها ، أصبحت Diamond ، باعتبارها موادًا محتملة من "أشباه الموصلات" من الجيل الرابع محتملاً ، نقطة ساخنة بحثية ومفضلة جديدة في مجال مواد ركيزة أشباه الموصلات بسبب خصائصها المادية والكيميائية الممتازة.

خصائص الماس

الماس هو البلورة الذرية النموذجية والرابطة التساهمية. يظهر التركيب البلوري في الشكل 1 (أ). وهو يتألف من ذرة الكربون الأوسط المرتبطة بالذرات الكربونية الثلاث الأخرى في شكل رابطة تساهمية. الشكل 1 (ب) هو بنية خلية الوحدة ، والتي تعكس الدورية المجهرية والتماثل الهيكلي للماس.

الشكل 1 الماس (أ) بنية بلورية ؛ (ب) بنية خلية الوحدة

الماس هو أصلب مادة في العالم، ويتميز بخصائص فيزيائية وكيميائية فريدة، وخصائص ممتازة في الميكانيكا والكهرباء والبصريات، كما هو موضح في الشكل 2: يتمتع الماس بصلابة عالية جدًا ومقاومة للتآكل، ومناسب لقطع المواد والمسافات البادئة، إلخ. .، ويستعمل بشكل جيد في الأدوات الكاشطة؛ (2) يتمتع الماس بأعلى موصلية حرارية (2200 واط/(م·ك)) بين المواد الطبيعية المعروفة حتى الآن، وهي أكبر بأربع مرات من كربيد السيليكون (SiC)، وأكبر بـ 13 مرة من السيليكون (Si)، وأكبر بـ 43 مرة من زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، وأكبر بـ 4 إلى 5 مرات من النحاس والفضة، ويستخدم في الأجهزة عالية الطاقة. يتميز بخصائص ممتازة مثل معامل التمدد الحراري المنخفض (0.8×10-6-1.5×10^-6K^-1) والمعامل المرنة العالية. إنها مادة تغليف إلكترونية ممتازة مع آفاق جيدة. 

حركة الثقب 4500 سم2·V^-1· ق^-1، وحركة الإلكترون 3800 سم2·V^-1· ق^-1، مما يجعلها قابلة للتطبيق على أجهزة التبديل عالية السرعة؛ قوة مجال الانهيار هي 13MV/cm، والتي يمكن تطبيقها على الأجهزة ذات الجهد العالي؛ يصل رقم الجدارة باليجا إلى 24664، وهو أعلى بكثير من المواد الأخرى (كلما زادت القيمة، زادت إمكانية استخدامها في تبديل الأجهزة). 

الماس متعدد البلورات له تأثير زخرفي. لا يحتوي طلاء الماس على تأثير فلاش فحسب ، بل يحتوي أيضًا على مجموعة متنوعة من الألوان. يتم استخدامه في تصنيع الساعات الراقية ، وطلاءات زخرفية للسلع الفاخرة ، ومباشرة كمنتج أزياء. تتراوح قوة وصلابة الماس 6 مرات و 10 مرات من Corning Glass ، لذلك يتم استخدامها أيضًا في عروض الهاتف المحمول وعدسات الكاميرا.

الشكل 2 خصائص الماس وغيرها من مواد أشباه الموصلات

إعداد الماس

ينقسم نمو الماس بشكل أساسي إلى طريقة HTHP (طريقة درجة الحرارة المرتفعة والضغط العالي) وطريقة الأمراض القلبية الوعائية (طريقة ترسيب البخار الكيميائي). أصبحت طريقة الأمراض القلبية الوعائية هي الطريقة السائدة لإعداد ركائز أشباه الموصلات الماسي بسبب مزاياه مثل مقاومة الضغط العالي ، وتردد الراديو الكبير ، وتكلفة منخفضة ، ومقاومة عالية في درجة الحرارة. تركز طريقتان النمو على التطبيقات المختلفة ، وسوف تظهر علاقة تكميلية لفترة طويلة في المستقبل.

تتمثل طريقة درجة الحرارة المرتفعة والضغط العالي (HTHP) في صنع عمود أساسي من الجرافيت عن طريق خلط مسحوق الجرافيت ومسحوق المحفز المعدني والمواد المضافة بالنسب المحددة في صيغة المادة الخام، ثم التحبيب والضغط الثابت وتقليل الفراغ والفحص والوزن وغيرها من العمليات. يتم بعد ذلك تجميع العمود الأساسي من الجرافيت مع الكتلة المركبة والأجزاء المساعدة وغيرها من وسائط نقل الضغط المختومة لتشكيل كتلة اصطناعية يمكن استخدامها لتجميع بلورات الماس المفردة. بعد ذلك يتم وضعه في مكبس علوي سداسي الجوانب للتسخين والضغط ويبقى ثابتاً لفترة طويلة. بعد اكتمال نمو البلورة، يتم إيقاف الحرارة وتحرير الضغط، ويتم إزالة وسط نقل الضغط المختوم للحصول على العمود الاصطناعي، والذي يتم بعد ذلك تنقيته وفرزه للحصول على بلورات الماس المفردة.

الشكل 3: مخطط هيكلي للضغط العلوي ذو الجوانب الستة

نظرًا لاستخدام المحفزات المعدنية ، غالبًا ما تحتوي جزيئات الماس التي يتم تحضيرها بواسطة طريقة HTHP الصناعية على شوائب وعيوب معينة ، وبسبب إضافة النيتروجين ، عادة ما يكون لها لون أصفر. بعد ترقية التكنولوجيا ، يمكن لدرجات الحرارة المرتفعة والضغط العالي للماس استخدام طريقة التدرج درجة الحرارة لإنتاج بلورات مفردة ذات جودة عالية الجسيمات ، مع إدراك تحول من الدرجة الكاشطة الصناعية الماس إلى درجة الأحجار الكريمة.

الشكل 4 الشكل الماسي

يعد ترسيب البخار الكيميائي (CVD) الطريقة الأكثر شيوعًا لتصنيع أفلام الماس. وتشمل الطرق الرئيسية ترسيب البخار الكيميائي للخيوط الساخنة (HFCVD) وترسب البخار الكيميائي للبلازما الميكروويف (MPCVD).

(1) ترسب بخار كيميائي للخيوط الساخنة

المبدأ الأساسي لـ HFCVD هو تصادم غاز التفاعل باستخدام سلك معدني عالي الحرارة في غرفة فراغ لتوليد مجموعة متنوعة من المجموعات "غير المشحونة" النشطة للغاية. يتم إيداع ذرات الكربون الناتجة على مادة الركيزة لتشكيل النانودياموند. الجهاز سهل التشغيل ، ويحتوي على تكلفة نمو منخفضة ، ويستخدم على نطاق واسع ، ويسهل تحقيق الإنتاج الصناعي. نظرًا لانخفاض كفاءة التحلل الحراري وتلوث الذرة المعدنية الخطيرة من الشعيرة والإلكترود ، عادة ما يتم استخدام HFCVD فقط لإعداد أفلام الماس متعدد البلورات التي تحتوي .

الشكل 5: (أ) مخطط معدات HFCVD، (ب) مخطط هيكل غرفة الفراغ

(2) ترسيب البخار الكيميائي لبلازما الميكروويف

تستخدم طريقة MPCVD مصدر Magnetron أو Solid-State لإنشاء الموجات الميكرووية ذات التردد المحدد ، والتي يتم تغذيتها في غرفة التفاعل من خلال دليل الموجة ، وتشكيل موجات دائمة مستقرة فوق الركيزة وفقًا للأبعاد الهندسية الخاصة لغرفة التفاعل. 

يقوم المجال الكهرومغناطيسي عالي التركيز بتكسير غازات التفاعل الميثان والهيدروجين هنا لتشكيل كرة بلازما مستقرة. سوف تتنوى المجموعات الذرية الغنية بالإلكترونات والأيونات والنشطة وتنمو على الركيزة عند درجة الحرارة والضغط المناسبين، مما يتسبب في نمو متجانس ببطء. بالمقارنة مع HFCVD، فإنه يتجنب تلوث طبقة الماس الناتجة عن تبخر الأسلاك المعدنية الساخنة ويزيد من نقاء طبقة الماس النانوية. ويمكن استخدام المزيد من غازات التفاعل في العملية مقارنة بمركبات HFCVD، كما أن بلورات الماس المفردة المترسبة أنقى من الماس الطبيعي. لذلك، يمكن تحضير النوافذ متعددة الكريستالات الماسية ذات الدرجة الضوئية، والبلورات المفردة الماسية ذات الدرجة الإلكترونية، وما إلى ذلك.

الشكل 6 الهيكل الداخلي لـ MPCVD

تطور ومعضلة الماس

منذ أن تم تطوير أول ألماس صناعي بنجاح في عام 1963، وبعد أكثر من 60 عامًا من التطوير، أصبحت بلدي الدولة التي لديها أكبر إنتاج للماس الاصطناعي في العالم، وهو ما يمثل أكثر من 90٪ من العالم. ومع ذلك، يتركز الماس الصيني بشكل رئيسي في أسواق التطبيقات المنخفضة والمتوسطة، مثل طحن المواد الكاشطة والبصريات ومعالجة مياه الصرف الصحي وغيرها من المجالات. إن تطوير الماس المحلي كبير ولكنه ليس قويا، وهو في وضع غير مؤات في العديد من المجالات مثل المعدات المتطورة والمواد الإلكترونية. 

ومن حيث الإنجازات الأكاديمية في مجال الماس CVD، فإن الأبحاث في الولايات المتحدة واليابان وأوروبا تحتل مكانة رائدة، وهناك عدد قليل نسبيًا من الأبحاث الأصلية في بلدي. بدعم من البحث والتطوير الرئيسيين لـ "الخطة الخمسية الثالثة عشرة"، قفزت بلورات الماس المفردة كبيرة الحجم المحلية المقسمة إلى مكانة من الدرجة الأولى في العالم. فيما يتعلق بالبلورات الفوقية المفردة غير المتجانسة، لا تزال هناك فجوة كبيرة في الحجم والجودة، والتي يمكن تجاوزها في "الخطة الخمسية الرابعة عشرة".

أجرى باحثون من جميع أنحاء العالم أبحاثًا متعمقة حول النمو والتنشر وتجميع الأجهزة من الماس من أجل تحقيق تطبيق الماس في الأجهزة الإلكترونية الضوئية وتلبية توقعات الناس للماس كمواد متعددة الوظائف. ومع ذلك ، فإن فجوة الفرقة من الماس تصل إلى 5.4 فولت. يمكن تحقيق الموصلية من النوع P عن طريق تعاطي المنشطات البورون ، ولكن من الصعب للغاية الحصول على الموصلية من النوع N. الباحثون من مختلف البلدان لديهم شوائب مخدرة مثل النيتروجين والفوسفور والكبريت في الماس البلوري أو متعدد البلورات في شكل استبدال ذرات الكربون في الشبكة. ومع ذلك ، نظرًا لمستوى طاقة المانحين العميق أو صعوبة في تأين الشوائب ، لم يتم الحصول على الموصلية الجيدة من النوع N ، مما يحد بشكل كبير من البحث وتطبيق الأجهزة الإلكترونية القائمة على الماس. 

في الوقت نفسه ، يصعب التحضير بكميات كبيرة مثل رقائق السيليكون الكريستالية ، وهي صعوبة أخرى في تطوير أجهزة أشباه الموصلات القائمة على الماس. تُظهر المشكلتان أعلاه أن نظرية المنشطات شبه الموصل وتطوير الأجهزة من الصعب حل مشاكل المنشطات وتجميع الجهاز من نوع N. من الضروري البحث عن أساليب المنشطات الأخرى ودستور المنشطات ، أو حتى تطوير مبادئ المنشطات وتطوير الأجهزة الجديدة.

ارتفاع الأسعار بشكل مفرط أيضا الحد من تطوير الماس. بالمقارنة مع سعر السيليكون ، فإن سعر كربيد السيليكون هو 30-40 مرة من السيليكون ، ويبلغ سعر نيتريد غاليوم 650-1300 ضعف سعر السيليكون ، وسعر مواد الماس الاصطناعية حوالي 10000 مرة من السيليكون. ارتفاع السعر يحد من تطوير وتطبيق الماس. كيفية تقليل التكاليف هي نقطة اختراق لكسر معضلة التطوير.

التوقعات

على الرغم من أن أشباه الموصلات الماسي تواجه حاليًا صعوبات في التطوير ، إلا أنها لا تزال تعتبر أكثر المواد الواعدة لإعداد الجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة وعالية التردد ودرجات الحرارة العالية وفقدان الطاقة المنخفضة. حاليًا ، تشغل أهم أشباه الموصلات كربيد السيليكون. يحتوي كربيد السيليكون على هيكل الماس ، لكن نصف ذراتها من الكربون. لذلك ، يمكن اعتباره نصف الماس. يجب أن يكون كربيد السيليكون منتجًا انتقاليًا من عصر البلورة السيليكون إلى عصر أشباه الموصلات الماسي.

إن عبارة "الماس" إلى الأبد ، وقد جعلت ماس ​​واحد إلى الأبد "اسم De Beers الشهير حتى يومنا هذا. بالنسبة إلى أشباه الموصلات الماسية ، قد يتطلب إنشاء نوع آخر من المجد استكشافًا دائم ومستمرًا.

VeTek Semiconductor هي شركة صينية محترفة لتصنيعطلاء كربيد تانتالوم, طلاء كربيد السيليكونمنتجات GAN ،الجرافيت الخاص, السيراميك سيليكون كربيدوسيراميك أشباه الموصلات الأخرى. تلتزم شركة VeTek Semiconductor بتوفير حلول متقدمة لمختلف منتجات الطلاء لصناعة أشباه الموصلات.

إذا كانت لديك أي استفسارات أو كنت بحاجة إلى تفاصيل إضافية، فلا تتردد في الاتصال بنا.

Mob/Whatsapp: +86-180 6922 0752

البريد الإلكتروني: anny@veteksemi.com