Elmas Yarı İletkenin Sanayileşmesinin Zorlukları

Şu anda elmas yarı iletkenler, araştırma ve geliştirmeden pratik uygulamalara geçişin kritik bir aşamasındadır. Her ne kadar termal iletken alt tabakalar ve radyasyon dedektörleri gibi alanlarda belirli uygulama sonuçları elde etmiş olsalar da hala birçok zorlukla karşı karşıyadırlar.

 

Elmas yarı iletkenlerin sanayileşmesindeki temel zorluk malzeme büyümesidir. Mevcut ana akım 12 inçlik silikon plakalar, çiplerin birim maliyetini önemli ölçüde azaltabilen büyük-ölçekli uygulamalara ulaşmışken, elmas tek kristal alt tabakaların boyutu 8 inçten çok daha küçüktür ve bu da çip entegrasyonunu ve üretimini doğrudan sınırlamaktadır. Küçük boyutlu alt tabakalar yalnızca büyük-ölçekli entegre devrelerin yüksek-yoğunluklu düzen gereksinimlerini karşılamakta başarısız olmakla kalmaz, aynı zamanda ekipman amortismanını, ham madde tüketimini ve diğer paylaşılan maliyetleri artırarak fiyat rekabetçiliğini zayıflatır.

 

Hazırlama teknolojisinde de darboğazlar var. Kimyasal buhar biriktirme (CVD) ana yöntemdir, ancak büyüme hızı saatte yalnızca birkaç mikrometre ila onlarca mikrometre arasındadır ve bu, yarı iletken endüstrisinin verimli üretim ihtiyaçlarını karşılamak zordur. Aynı zamanda birden fazla parametrenin hassas kontrolünü gerektirir ve ekipman ve işletme maliyetleri yüksektir. Yüksek sıcaklık ve yüksek basınç yöntemi (HTHP) elmas üretebilmesine rağmen, safsızlıklara ve kusurlara neden olma eğilimindedir ve yarı iletkenlerde doğrudan kullanılamaz. Ancak CVD yöntemiyle hazırlanan elmasın kristal kalitesi ve tekdüzeliğinin hala iyileştirilmesi gerekmektedir.

 

Doping teknolojisi açısından hem p-tipi hem de n-tipi bir ikilem içindedir. P-tipi katkılama temel olarak bor atomlarına dayanır, ancak borun iyonlaşma enerjisi 0,37eV kadar yüksektir, bu da oda sıcaklığında tamamen iyonlaşmayı zorlaştırır ve son derece düşük taşıyıcı konsantrasyonuna neden olur. Konsantrasyonu arttırmak için ağır katkılama yapılırsa, bu, kafes geriliminin ve yüzey kusurlarının artmasına yol açacak, elektron deliği rekombinasyonunu yoğunlaştıracak ve cihazın açılma voltajını ve açık direncini artıracaktır.

Teorik olarak, n-tipi katkılamada fosfor atomları kullanılabilir, ancak bunların atom yarıçapı karbon atomlarınınkinden çok daha büyüktür ve bu da katkılama sırasında ciddi kafes bozulmasına neden olabilir. Bu bozulma, taşıyıcı saçılma olasılığını önemli ölçüde artırarak hareketlilikte keskin bir düşüşe yol açar. Şu anda, yüksek konsantrasyonlu ve yüksek-kaliteli, n{-tipi katkılı elmas elde etmek hâlâ zordur, bu da ilgili cihazların uygulamasını sınırlar.

 

Ancak bazı uzmanlar, 4-inçlik elmas alt tabakaların önümüzdeki 3-5 yıl içinde seri üretime geçmesinin beklendiğini ve bunların mükemmel iletkenlik özelliklerinin, geniş bant aralıklı yarı iletkenlerde verimli p-tipi cihazların eksikliğinden kaynaklanan küresel sorunu çözmesinin beklendiğini tahmin ediyor.

 

Cihaz imalatında geleneksel yarı iletken süreçlerin elmasla uyumu zayıftır. Fotolitografi işleminde, elmasın yüzey özellikleri özeldir ve sıradan fotorezistin eşit şekilde yapıştırılması zordur, bu da kolayca desen bozulmasına ve düzensiz çizgilere yol açabilir; Aşındırma işleminde, elmas son derece güçlü bir kimyasal stabiliteye sahiptir ve çoğu geleneksel aşındırıcının zayıf etkileri vardır, bu da aşındırma derinliğini ve şeklini doğru şekilde kontrol etmeyi zorlaştırır.

 

Elmasın süper sert özellikleri aynı zamanda işleme açısından da zorluklar yaratır. Silisyum ve silisyum karbür parlatma pedlerinin atomik seviyede düzlüğe (pürüzlülük RMS 0,1 nm'den az veya eşit) ulaşması gerekirken, elmas son derece yüksek sertliğe sahiptir ve sıradan taşlama takımları hızla aşınır. Elmas taşlama disklerinde bile düşük verimlilik ve kolay termal hasar gibi sorunlar mevcut olup bu durum "alt katman seviyesi" yüzey kalitesi gerekliliklerinin karşılanmasını zorlaştırmaktadır.