हीरा - अर्धचालकों का भविष्य का सितारा

विज्ञान और प्रौद्योगिकी के तेजी से विकास और उच्च प्रदर्शन और उच्च दक्षता वाले अर्धचालक उपकरणों की बढ़ती वैश्विक मांग के साथ, अर्धचालक उद्योग श्रृंखला में एक प्रमुख तकनीकी कड़ी के रूप में अर्धचालक सब्सट्रेट सामग्री तेजी से महत्वपूर्ण होती जा रही है। उनमें से, संभावित चौथी पीढ़ी के "अल्टीमेट सेमीकंडक्टर" सामग्री के रूप में हीरा, अपने उत्कृष्ट भौतिक और रासायनिक गुणों के कारण धीरे-धीरे एक अनुसंधान हॉटस्पॉट और सेमीकंडक्टर सब्सट्रेट सामग्री के क्षेत्र में एक नया बाजार पसंदीदा बन रहा है।

हीरे के गुण

हीरा एक विशिष्ट परमाणु क्रिस्टल और सहसंयोजक बंधन क्रिस्टल है। क्रिस्टल संरचना चित्र 1(ए) में दिखाई गई है। इसमें मध्य कार्बन परमाणु सहसंयोजक बंधन के रूप में अन्य तीन कार्बन परमाणुओं से जुड़ा होता है। चित्र 1(बी) इकाई कोशिका संरचना है, जो हीरे की सूक्ष्म आवधिकता और संरचनात्मक समरूपता को दर्शाता है।

चित्र 1 हीरा (ए) क्रिस्टल संरचना; (बी) इकाई कोशिका संरचना

अद्वितीय भौतिक और रासायनिक गुणों और यांत्रिकी, बिजली और प्रकाशिकी में उत्कृष्ट गुणों के साथ हीरा दुनिया का सबसे कठोर पदार्थ है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है: हीरे में अति उच्च कठोरता और पहनने का प्रतिरोध है, जो सामग्री और इंडेंटर्स आदि को काटने के लिए उपयुक्त है। ., और अपघर्षक उपकरणों में अच्छी तरह से उपयोग किया जाता है; (2) आज तक ज्ञात प्राकृतिक पदार्थों में हीरे की तापीय चालकता सबसे अधिक (2200W/(m·K)) है, जो सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) से 4 गुना अधिक, सिलिकॉन (Si) से 13 गुना अधिक, सिलिकॉन (Si) से 43 गुना अधिक है। गैलियम आर्सेनाइड (GaAs), और तांबे और चांदी से 4 से 5 गुना अधिक, और उच्च शक्ति वाले उपकरणों में उपयोग किया जाता है। इसमें कम तापीय विस्तार गुणांक (0.8×10-6-1.5×10) जैसे उत्कृष्ट गुण हैं^-6K^-1) और उच्च लोचदार मापांक। यह अच्छी संभावनाओं वाली एक उत्कृष्ट इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग सामग्री है। 

छेद की गतिशीलता 4500 सेमी2·वी है^-1·एस^-1, और इलेक्ट्रॉन गतिशीलता 3800 सेमी2·V है^-1·एस^-1, जो इसे उच्च गति स्विचिंग उपकरणों पर लागू करता है; ब्रेकडाउन फ़ील्ड की ताकत 13MV/cm है, जिसे उच्च-वोल्टेज उपकरणों पर लागू किया जा सकता है; बालिगा की योग्यता का आंकड़ा 24664 तक है, जो अन्य सामग्रियों की तुलना में बहुत अधिक है (मूल्य जितना बड़ा होगा, स्विचिंग उपकरणों में उपयोग की संभावना उतनी ही अधिक होगी)। 

पॉलीक्रिस्टलाइन हीरे का सजावटी प्रभाव भी होता है। हीरे की कोटिंग में न केवल फ्लैश प्रभाव होता है बल्कि इसमें विभिन्न प्रकार के रंग भी होते हैं। इसका उपयोग उच्च-स्तरीय घड़ियों, विलासिता के सामानों के लिए सजावटी कोटिंग्स और सीधे एक फैशन उत्पाद के रूप में किया जाता है। हीरे की ताकत और कठोरता कॉर्निंग ग्लास की तुलना में 6 गुना और 10 गुना होती है, इसलिए इसका उपयोग मोबाइल फोन डिस्प्ले और कैमरा लेंस में भी किया जाता है।

चित्र 2 हीरे और अन्य अर्धचालक पदार्थों के गुण

हीरे की तैयारी

हीरे की वृद्धि को मुख्य रूप से HTHP विधि (उच्च तापमान और उच्च दबाव विधि) और में विभाजित किया गया हैसीवीडी विधि (रासायनिक वाष्प जमाव विधि). उच्च दबाव प्रतिरोध, बड़ी रेडियो फ्रीक्वेंसी, कम लागत और उच्च तापमान प्रतिरोध जैसे फायदों के कारण सीवीडी विधि डायमंड सेमीकंडक्टर सब्सट्रेट तैयार करने की मुख्यधारा विधि बन गई है। दो विकास विधियां विभिन्न अनुप्रयोगों पर ध्यान केंद्रित करती हैं, और वे भविष्य में लंबे समय तक एक पूरक संबंध दिखाएंगी।

उच्च तापमान और उच्च दबाव विधि (एचटीएचपी) में कच्चे माल के फार्मूले द्वारा निर्दिष्ट अनुपात में ग्रेफाइट पाउडर, धातु उत्प्रेरक पाउडर और एडिटिव्स को मिलाकर एक ग्रेफाइट कोर कॉलम बनाना है, और फिर दानेदार बनाना, स्थिर दबाव, वैक्यूम कटौती, निरीक्षण, वजन करना है। और अन्य प्रक्रियाएँ। फिर ग्रेफाइट कोर कॉलम को एक सिंथेटिक ब्लॉक बनाने के लिए मिश्रित ब्लॉक, सहायक भागों और अन्य सीलबंद दबाव ट्रांसमिशन मीडिया के साथ इकट्ठा किया जाता है जिसका उपयोग हीरे के एकल क्रिस्टल को संश्लेषित करने के लिए किया जा सकता है। उसके बाद, इसे गर्म करने और दबाव डालने के लिए छह-तरफा शीर्ष प्रेस में रखा जाता है और लंबे समय तक स्थिर रखा जाता है। क्रिस्टल की वृद्धि पूरी होने के बाद, गर्मी बंद हो जाती है और दबाव जारी हो जाता है, और सिंथेटिक कॉलम प्राप्त करने के लिए सीलबंद दबाव संचरण माध्यम को हटा दिया जाता है, जिसे फिर हीरे के एकल क्रिस्टल प्राप्त करने के लिए शुद्ध और सॉर्ट किया जाता है।

चित्र 3 छह-तरफा शीर्ष प्रेस का संरचना आरेख

धातु उत्प्रेरक के उपयोग के कारण, औद्योगिक HTHP विधि द्वारा तैयार किए गए हीरे के कणों में अक्सर कुछ अशुद्धियाँ और दोष होते हैं, और नाइट्रोजन के अतिरिक्त होने के कारण, उनमें आमतौर पर पीला रंग होता है। प्रौद्योगिकी उन्नयन के बाद, हीरे की उच्च तापमान और उच्च दबाव की तैयारी, बड़े कण उच्च गुणवत्ता वाले हीरे के एकल क्रिस्टल का उत्पादन करने के लिए तापमान ढाल विधि का उपयोग कर सकती है, जिससे हीरे के औद्योगिक अपघर्षक ग्रेड को रत्न ग्रेड में परिवर्तन का एहसास होता है।

चित्र 4 हीरे की आकृति विज्ञान

हीरे की फिल्मों को संश्लेषित करने के लिए रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) सबसे लोकप्रिय तरीका है। मुख्य विधियों में गर्म फिलामेंट रासायनिक वाष्प जमाव (एचएफसीवीडी) और शामिल हैंमाइक्रोवेव प्लाज्मा रासायनिक वाष्प जमाव (एमपीसीवीडी).

(1) गर्म फिलामेंट रासायनिक वाष्प जमाव

एचएफसीवीडी का मूल सिद्धांत विभिन्न प्रकार के अत्यधिक सक्रिय "अनचार्ज" समूहों को उत्पन्न करने के लिए एक निर्वात कक्ष में उच्च तापमान वाले धातु के तार के साथ प्रतिक्रिया गैस को टकराना है। उत्पन्न कार्बन परमाणुओं को नैनोडायमंड्स बनाने के लिए सब्सट्रेट सामग्री पर जमा किया जाता है। उपकरण को संचालित करना आसान है, इसकी विकास लागत कम है, व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, और औद्योगिक उत्पादन हासिल करना आसान है। कम थर्मल अपघटन दक्षता और फिलामेंट और इलेक्ट्रोड से गंभीर धातु परमाणु संदूषण के कारण, एचएफसीवीडी का उपयोग आमतौर पर केवल पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड फिल्म तैयार करने के लिए किया जाता है जिसमें अनाज सीमा पर बड़ी मात्रा में एसपी 2 चरण कार्बन अशुद्धियां होती हैं, इसलिए यह आम तौर पर ग्रे-काला होता है .

चित्र 5 (ए) एचएफसीवीडी उपकरण आरेख, (बी) वैक्यूम चैम्बर संरचना आरेख

(2) माइक्रोवेव प्लाज्मा रासायनिक वाष्प जमाव

एमपीसीवीडी विधि विशिष्ट आवृत्ति के माइक्रोवेव उत्पन्न करने के लिए मैग्नेट्रोन या ठोस-अवस्था स्रोत का उपयोग करती है, जो वेवगाइड के माध्यम से प्रतिक्रिया कक्ष में प्रवेश करती है, और प्रतिक्रिया कक्ष के विशेष ज्यामितीय आयामों के अनुसार सब्सट्रेट के ऊपर स्थिर खड़ी तरंगें बनाती है। 

अत्यधिक केंद्रित विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र यहां प्रतिक्रिया गैसों मीथेन और हाइड्रोजन को तोड़कर एक स्थिर प्लाज्मा बॉल बनाता है। इलेक्ट्रॉन-समृद्ध, आयन-समृद्ध और सक्रिय परमाणु समूह उचित तापमान और दबाव पर सब्सट्रेट पर न्यूक्लियेट और विकसित होंगे, जिससे होमोएपिटैक्सियल विकास धीरे-धीरे होगा। एचएफसीवीडी की तुलना में, यह गर्म धातु के तार के वाष्पीकरण के कारण हीरे की फिल्म के संदूषण से बचाता है और नैनोडायमंड फिल्म की शुद्धता को बढ़ाता है। इस प्रक्रिया में एचएफसीवीडी की तुलना में अधिक प्रतिक्रिया गैसों का उपयोग किया जा सकता है, और जमा किए गए हीरे के एकल क्रिस्टल प्राकृतिक हीरे की तुलना में अधिक शुद्ध होते हैं। इसलिए, ऑप्टिकल-ग्रेड डायमंड पॉलीक्रिस्टलाइन विंडो, इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड डायमंड सिंगल क्रिस्टल आदि तैयार किए जा सकते हैं।

चित्र 6 एमपीसीवीडी की आंतरिक संरचना

हीरे का विकास एवं दुविधा

चूंकि पहला कृत्रिम हीरा 1963 में सफलतापूर्वक विकसित किया गया था, 60 से अधिक वर्षों के विकास के बाद, मेरा देश दुनिया में कृत्रिम हीरे का सबसे बड़ा उत्पादन करने वाला देश बन गया है, जो दुनिया का 90% से अधिक उत्पादन करता है। हालाँकि, चीन के हीरे मुख्य रूप से निम्न-अंत और मध्यम-अंत अनुप्रयोग बाजारों, जैसे अपघर्षक पीसने, प्रकाशिकी, सीवेज उपचार और अन्य क्षेत्रों में केंद्रित हैं। घरेलू हीरों का विकास बड़ा है, लेकिन मजबूत नहीं है, और यह उच्च-स्तरीय उपकरण और इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड सामग्री जैसे कई क्षेत्रों में नुकसान में है। 

सीवीडी हीरे के क्षेत्र में शैक्षणिक उपलब्धियों के मामले में, संयुक्त राज्य अमेरिका, जापान और यूरोप में अनुसंधान अग्रणी स्थिति में है, और मेरे देश में अपेक्षाकृत कम मूल शोध हैं। "13वीं पंचवर्षीय योजना" के प्रमुख अनुसंधान और विकास के समर्थन से, घरेलू स्प्लिस्ड एपिटैक्सियल बड़े आकार के हीरे के एकल क्रिस्टल ने दुनिया की प्रथम श्रेणी की स्थिति में छलांग लगा दी है। विषम एपिटैक्सियल एकल क्रिस्टल के संदर्भ में, आकार और गुणवत्ता में अभी भी एक बड़ा अंतर है, जिसे "14वीं पंचवर्षीय योजना" में पार किया जा सकता है।

दुनिया भर के शोधकर्ताओं ने ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में हीरे के अनुप्रयोग को समझने और एक बहुक्रियाशील सामग्री के रूप में हीरे के लिए लोगों की अपेक्षाओं को पूरा करने के लिए हीरे के विकास, डोपिंग और डिवाइस असेंबली पर गहन शोध किया है। हालाँकि, हीरे का बैंड गैप 5.4 eV जितना ऊँचा है। इसकी पी-प्रकार की चालकता बोरॉन डोपिंग द्वारा प्राप्त की जा सकती है, लेकिन एन-प्रकार की चालकता प्राप्त करना बहुत कठिन है। विभिन्न देशों के शोधकर्ताओं ने जाली में कार्बन परमाणुओं को प्रतिस्थापित करने के लिए नाइट्रोजन, फास्फोरस और सल्फर जैसी अशुद्धियों को एकल क्रिस्टल या पॉलीक्रिस्टलाइन हीरे में मिलाया है। हालाँकि, गहरे दाता ऊर्जा स्तर या अशुद्धियों के आयनीकरण में कठिनाई के कारण, अच्छी एन-प्रकार की चालकता प्राप्त नहीं हुई है, जो हीरे-आधारित इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के अनुसंधान और अनुप्रयोग को बहुत सीमित करती है। 

साथ ही, बड़े क्षेत्र वाले एकल क्रिस्टल हीरे को एकल क्रिस्टल सिलिकॉन वेफर्स की तरह बड़ी मात्रा में तैयार करना मुश्किल होता है, जो हीरा आधारित अर्धचालक उपकरणों के विकास में एक और कठिनाई है। उपरोक्त दो समस्याएं दर्शाती हैं कि मौजूदा सेमीकंडक्टर डोपिंग और डिवाइस विकास सिद्धांत डायमंड एन-टाइप डोपिंग और डिवाइस असेंबली की समस्याओं को हल करना मुश्किल है। अन्य डोपिंग विधियों और डोपेंट की तलाश करना, या यहां तक ​​कि नए डोपिंग और डिवाइस विकास सिद्धांतों को विकसित करना आवश्यक है।

अत्यधिक ऊंची कीमतें भी हीरे के विकास को सीमित करती हैं। सिलिकॉन की कीमत की तुलना में, सिलिकॉन कार्बाइड की कीमत सिलिकॉन की 30-40 गुना है, गैलियम नाइट्राइड की कीमत सिलिकॉन की 650-1300 गुना है, और सिंथेटिक हीरे की सामग्री की कीमत सिलिकॉन की लगभग 10,000 गुना है। बहुत अधिक कीमत हीरों के विकास और अनुप्रयोग को सीमित कर देती है। विकास की दुविधा को तोड़ने के लिए लागत कैसे कम करें यह एक महत्वपूर्ण बिंदु है।

आउटलुक

हालाँकि हीरे के अर्धचालकों को वर्तमान में विकास में कठिनाइयों का सामना करना पड़ रहा है, फिर भी उन्हें अगली पीढ़ी के उच्च-शक्ति, उच्च-आवृत्ति, उच्च-तापमान और कम-शक्ति हानि वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को तैयार करने के लिए सबसे आशाजनक सामग्री माना जाता है। वर्तमान में, सबसे गर्म अर्धचालकों पर सिलिकॉन कार्बाइड का कब्जा है। सिलिकॉन कार्बाइड की संरचना हीरे जैसी होती है, लेकिन इसके आधे परमाणु कार्बन होते हैं। इसलिए, इसे आधा हीरा माना जा सकता है। सिलिकॉन कार्बाइड सिलिकॉन क्रिस्टल युग से डायमंड सेमीकंडक्टर युग तक एक संक्रमणकालीन उत्पाद होना चाहिए।

वाक्यांश "हीरे हमेशा के लिए होते हैं, और एक हीरा हमेशा के लिए रहता है" ने डी बीयर्स का नाम आज तक प्रसिद्ध बना दिया है। हीरे के अर्धचालकों के लिए, एक अन्य प्रकार की महिमा बनाने के लिए स्थायी और निरंतर अन्वेषण की आवश्यकता हो सकती है।

VeTek सेमीकंडक्टर एक पेशेवर चीनी निर्माता हैटैंटलम कार्बाइड कोटिंग, सिलिकॉन कार्बाइड कोटिंग, GaN उत्पाद,विशेष ग्रेफाइट, सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकऔरअन्य सेमीकंडक्टर सिरेमिक. वीटेक सेमीकंडक्टर सेमीकंडक्टर उद्योग के लिए विभिन्न कोटिंग उत्पादों के लिए उन्नत समाधान प्रदान करने के लिए प्रतिबद्ध है।

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