ความท้าทายของการพัฒนาอุตสาหกรรมของเซมิคอนดักเตอร์เพชร

ปัจจุบัน เซมิคอนดักเตอร์เพชรอยู่ในขั้นตอนสำคัญของการเปลี่ยนจากการวิจัยและพัฒนาไปสู่การใช้งานจริง แม้ว่าพวกเขาจะประสบความสำเร็จในการใช้งานบางอย่างในด้านต่างๆ เช่น พื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและเครื่องตรวจจับรังสี แต่ก็ยังเผชิญกับความท้าทายมากมาย

 

การเติบโตของวัสดุถือเป็นความท้าทายหลักสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์เพชร เวเฟอร์ซิลิคอนกระแสหลักขนาด 12 นิ้วในปัจจุบันประสบความสำเร็จในการใช้งานขนาดใหญ่- ซึ่งสามารถลดต้นทุนต่อหน่วยของชิปได้อย่างมาก ในขณะที่ขนาดของซับสเตรตผลึกเดี่ยวแบบเพชรนั้นเล็กกว่า 8 นิ้วมาก ซึ่งจำกัดการบูรณาการและการผลิตชิปโดยตรง วัสดุพิมพ์ขนาดเล็กไม่เพียงแต่ไม่สามารถตอบสนอง-ข้อกำหนดเค้าโครงที่มีความหนาแน่นสูงของวงจรรวมขนาดใหญ่- แต่ยังทำให้อุปกรณ์เสื่อมราคา การใช้วัตถุดิบ และต้นทุนที่ใช้ร่วมกันอื่นๆ ส่งผลให้ความสามารถในการแข่งขันด้านราคาลดลง

 

นอกจากนี้ยังมีปัญหาคอขวดในเทคโนโลยีการเตรียมการ การสะสมไอสารเคมี (CVD) เป็นวิธีการหลัก แต่อัตราการเติบโตเพียงไม่กี่ไมโครเมตรถึงสิบไมโครเมตรต่อชั่วโมง ซึ่งเป็นเรื่องยากที่จะตอบสนองความต้องการการผลิตที่มีประสิทธิภาพของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ นอกจากนี้ยังต้องมีการควบคุมพารามิเตอร์หลายตัวอย่างแม่นยำ และอุปกรณ์และต้นทุนการดำเนินงานก็สูง แม้ว่าวิธีอุณหภูมิสูงและความดันสูง (HTHP) จะสามารถผลิตเพชรได้ แต่ก็มีแนวโน้มที่จะก่อให้เกิดสิ่งเจือปนและข้อบกพร่อง และไม่สามารถใช้ในเซมิคอนดักเตอร์โดยตรงได้ อย่างไรก็ตาม คุณภาพผลึกและความสม่ำเสมอของเพชรที่เตรียมด้วยวิธี CVD ยังคงต้องได้รับการปรับปรุง

 

ในแง่ของเทคโนโลยีการใช้สารกระตุ้น ทั้งประเภท p- และประเภท n- ต่างก็ตกอยู่ในภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก การโด๊ปประเภท P- ส่วนใหญ่อาศัยอะตอมของโบรอน แต่พลังงานไอออไนเซชันของโบรอนสูงถึง 0.37eV ซึ่งทำให้ยากต่อการแตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์ที่อุณหภูมิห้อง และส่งผลให้ความเข้มข้นของพาหะต่ำมาก หากใช้สารต้องห้ามในปริมาณมากเพื่อเพิ่มความเข้มข้น จะทำให้เกิดความเครียดของแลตทิซและข้อบกพร่องของพื้นผิวเพิ่มขึ้น เพิ่มการรวมตัวของรูอิเล็กตรอนให้เข้มข้นขึ้น และเพิ่ม-การเปิดแรงดันไฟฟ้าและความต้านทานของอุปกรณ์

ตามทฤษฎีแล้ว การเติมแบบ n- สามารถใช้อะตอมฟอสฟอรัสได้ แต่รัศมีอะตอมของพวกมันนั้นใหญ่กว่ารัศมีของอะตอมคาร์บอนมาก ซึ่งอาจทำให้เกิดการบิดเบือนของโครงตาข่ายอย่างรุนแรงในระหว่างการเติม การบิดเบือนนี้เพิ่มความน่าจะเป็นของการกระจัดกระจายของพาหะอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้ความคล่องตัวลดลงอย่างมาก ในปัจจุบัน ยังคงเป็นเรื่องยากที่จะได้เพชรเจือชนิด-คุณภาพสูงที่มีความเข้มข้นสูงและ- ซึ่งจำกัดการใช้งานของอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง

 

อย่างไรก็ตาม ผู้เชี่ยวชาญบางคนคาดการณ์ว่าซับสเตรตเพชรขนาด 4- นิ้วคาดว่าจะได้รับการผลิตจำนวนมากในอีก 3-5 ปีข้างหน้า และคาดว่าลักษณะการนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมของซับสเตรตดังกล่าวจะช่วยแก้ปัญหาทั่วโลกเกี่ยวกับการขาดแคลนอุปกรณ์ประเภท p ที่มีประสิทธิภาพในเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้าง

 

ในการผลิตอุปกรณ์ กระบวนการเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมมีความเข้ากันได้ไม่ดีกับเพชร ในกระบวนการโฟโตลิโทกราฟี ลักษณะพื้นผิวของเพชรมีความพิเศษ และโฟโตรีซิสต์ธรรมดานั้นยากต่อการยึดติดอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งสามารถนำไปสู่การบิดเบี้ยวของรูปแบบและเส้นที่ไม่สม่ำเสมอได้ง่าย ในกระบวนการกัดเพชร เพชรมีความคงตัวทางเคมีสูง และการกัดแบบเดิมส่วนใหญ่มีผลกระทบน้อย ทำให้ควบคุมความลึกและรูปร่างของการกัดอย่างแม่นยำได้ยาก

 

คุณสมบัติความแข็งยิ่งยวดของเพชรยังก่อให้เกิดความท้าทายในการแปรรูปอีกด้วย แผ่นขัดซิลิคอนและซิลิคอนคาร์ไบด์จำเป็นต้องมีความเรียบระดับอะตอม (ความหยาบ RMS น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.1 นาโนเมตร) ในขณะที่เพชรมีความแข็งสูงมาก และเครื่องมือเจียรธรรมดาจะสึกหรออย่างรวดเร็ว แม้จะมีล้อเจียรเพชร แต่ก็ยังมีปัญหาเช่นประสิทธิภาพต่ำและความเสียหายจากความร้อนได้ง่าย ทำให้ยากต่อการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านคุณภาพพื้นผิว "ระดับพื้นผิว"