Алмаз давно рассматривается в качестве полупроводникового материала с исключительными физическими и электрическими свойствами, которые значительно превзойдут традиционные полупроводники, включая перспективные карбид кремния и нитрид галлия. Но на пути исследователей встало так много препятствий, что коммерциализация алмазных элементов и чипов была отодвинута куда-то в будущее, пока вопросом не занялась компания Advent Diamond…
Источник изображений: Advent Diamond
Сообщается, что американская компания Advent Diamond сумела добиться решающего перелома в продвижении алмазов в полупроводниковую промышленность. Она сумела развить целый спектр техпроцессов по выращиванию искусственных алмазов, по их подготовке к обработке, включая легирование, а также разработала защищённые патентами технологии по обработке, травлению и металлизации алмазных заготовок с последующим контролем качества вплоть до определения электрических и физических параметров полученных продуктов.
Важнейшим элементом головоломки «алмаз как полупроводник» стала технология легирования слоёв алмаза фосфором. Фосфор считается единственной относительно мелкой легирующей добавкой n-типа в алмазе, которая позволит выпускать алмазные транзисторы и диоды с электронной проводимостью. С дырочной проводимостью или проводимостью p-типа у алмаза особых проблем не было. А с появлением слоёв для изготовления n-переходов алмаз превращается в полноценный и универсальный полупроводниковый материал.
В целом алмаз обладает таким набором свойств, которые совершенно недоступны для традиционных полупроводников. Во-первых, это физические свойства алмаза, наиболее ценным из которых для чипов станет впечатляющая теплопроводность. Алмаз может сам себе быть радиатором, а это дорогого стоит. Алмазный чип выдержит такой поток плотности мощности, который выведет из строя любой другой чип. Подобное качество крайне востребовано в зарядках электромобилей, мощность которых неуклонно растёт, в возобновляемой энергетике, в космосе, авиации и много где ещё.
Другим несомненно выдающимся качеством алмазных полупроводников считается рекордно широкая запрещённая зона, что делает этот материал уникальным с точки зрения частотных характеристик, а это, в первую очередь, мощные радарные системы и датчики альфа-частиц, ультрафиолетового и рентгеновского излучения и протонов. Наконец, высокая стабильность квантовых свойств алмазов обещает им достойное место в сфере квантовых компьютеров. И такие квантовые материалы у компании Advent Diamond тоже есть.
Радиочастотный диод Advent Diamond из алмаза
Но есть и проблемы. Сегодня алмазные пластины для изготовления полупроводников выпускаются диаметром 1 и 2 дюйма. Переход к 4-дюймовым пластинам предпринимается, но пока неубедительно. Это не может сделать алмазные диоды и транзисторы дешёвыми, хотя военные охотно платят за такой товар. К примеру, компания Advent Diamond производит алмазные радиочастотные диоды для защиты трактов приёмников с плотностью тока свыше 1 кА/см2. Это идеальное решение для радиолокационных систем, заменить которое крайне сложно. Особенно если учесть, что алмазный диод будет нормально работать при температуре до 400 °C.
Всю эту красоту портит другой факт. Пока при производстве алмазных заготовок возникает чрезвычайно много дефектов. Так, компания говорит о плотности дефектов 108/см2. При такой плотности дефектов говорить о нормальном коммерческом производстве комплектующих сильно преждевременно. В компании Advent Diamond считают, что для коммерциализации техпроцессов, связанных с алмазными полупроводниками, плотность дефектов должна быть снижена до 103/см2. У компании есть наработки, которые помогут стремиться к такому результату, но быстрым он точно не будет.