nachricht

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in der heutigen zeit befindet sich die halbleiterindustrie in einer kritischen phase des wandels. der von silizium dominierte halbleiterbereich ist mit engpässen wie hoher leistungsdichte, hoher frequenz, hoher temperatur, hoher strahlung und anderen bedingungen konfrontiert trend, mit gan und sic an der spitze. die entwicklung neuer materialien stellt die kontinuierliche weiterentwicklung von leistungsgeräten in richtung hoher leistung, miniaturisierung, integration und multifunktion dar, aber schlüsselmerkmale wie wärmeableitung und energieeffizienz sind immer noch die branche unerschütterliche verfolgung.

im zeitalter des strebens nach ultimativer leistung und effizienz zeichnet sich still und leise eine von diamanten angeführte chip-revolution ab.

unter diamant versteht man rohdiamanten, die nicht poliert wurden. was ist also der reiz von „diamant“-chips, einem neuen halbleitermaterial, das mittlerweile in aller munde ist? hinter den unendlichen möglichkeiten koexistieren fortschritt und herausforderungen.

was ist der charme von „diamant“-chips?

diamant, bekannt als „die härteste substanz der natur“, ist nicht nur erstaunlich hart, sondern verfügt auch über eine hervorragende wärmeleitfähigkeit, eine extrem hohe elektronenmobilität und mehrere hervorragende leistungsparameter wie hohe druckbeständigkeit, hohe hochfrequenzbeständigkeit, niedrige kosten und hohe temperaturen beständigkeit und andere. hervorragende physikalische eigenschaften.

insbesondere verfügt diamanthalbleiter über materialeigenschaften wie eine extrem große bandlücke (5,45 ev), eine hohe durchbruchfeldstärke (10 mv/cm), eine hohe trägersättigungsdriftgeschwindigkeit, eine hohe wärmeleitfähigkeit (2000 w/m·k) und einen hervorragenden gerätequalitätsfaktor (johnson, keyes, baliga) kann die verwendung von diamantsubstraten hochtemperatur-, hochfrequenz-, hochleistungs- und strahlungsbeständige elektronische geräte entwickeln und technische engpässe wie „selbsterwärmungseffekte“ und „lawinendurchbruch“ überwinden geräte.

darüber hinaus verfügt diamant über hervorragende physikalische eigenschaften, einschließlich einer guten durchlässigkeit und eines guten brechungsindex im optischen bereich, und eignet sich elektrisch für die forschung und entwicklung optoelektronischer geräte. aufgrund seiner isolationseigenschaften und dielektrizitätskonstante kann er in komplexen schaltkreisen eine stabile rolle spielen ; mechanische eigenschaften andererseits sorgen eine hohe festigkeit und verschleißfestigkeit dafür, dass der chip extremen arbeitsbedingungen standhält.

aufgrund dieser eigenschaften weist diamant ein großes potenzial im bereich der chipherstellung auf und wird häufig zur wärmeableitung von elektronischen geräten mit hoher leistungsdichte und hochfrequenz eingesetzt. es spielt eine wichtige rolle bei der entwicklung von 5g/6g-kommunikation, integrierten mikrowellen-/millimeterwellen-schaltkreisen, detektion und sensorik und anderen bereichen. diamanthalbleiter gilt als vielversprechendes neues halbleitermaterial und wird von der industrie als „ultimatives halbleitermaterial“ gefeiert.

durch den einsatz von diamantelektronik werden nicht nur die anforderungen an das wärmemanagement herkömmlicher halbleiter verringert, sondern diese geräte sind auch energieeffizienter und können höheren durchbruchspannungen und rauen umgebungen standhalten.

beispielsweise kann in elektrofahrzeugen diamantbasierte leistungselektronik eine effizientere stromumwandlung erreichen, die batterielebensdauer verlängern und die ladezeit im bereich der telekommunikation verkürzen, insbesondere beim einsatz von 5g- und höherstufigen netzwerken, hochfrequenz- und hochfrequenznetzen die nachfrage nach hochleistungsgeräten wächst von tag zu tag. einkristalline diamantsubstrate bieten das erforderliche wärmemanagement und die frequenzleistung zur unterstützung von kommunikationssystemen der nächsten generation, einschließlich hf-schaltern, verstärkern und sendern in der unterhaltungselektronik. einkristalline diamantsubstrate können kleinere, schnellere und effizientere smartphones, laptops und wearables antreiben gerätekomponenten, wodurch neue produktinnovationen entstehen und die gesamtleistung des unterhaltungselektronikmarktes verbessert wird.

nach angaben des marktforschungsunternehmens virtuemarket wird der weltweite markt für diamant-halbleitersubstrate im jahr 2023 einen wert von 151 millionen us-dollar haben und die marktgröße bis ende 2030 voraussichtlich 342 millionen us-dollar erreichen. die prognostizierte durchschnittliche jährliche wachstumsrate im zeitraum 2024–2030 beträgt 12,3 %. unter ihnen dürfte der asiatisch-pazifische raum aufgrund der wachsenden nachfrage aus der elektronik- und halbleiterindustrie in ländern wie china, japan und südkorea den markt für diamanthalbleitersubstrate dominieren und voraussichtlich mehr als 40 % ausmachen. des weltweiten umsatzanteils bis 2023.

aufgrund seiner charakteristischen vorteile und breiten perspektiven hat diamant in vielen gliedern der halbleiterindustrie ein großes potenzial und einen großen wert gezeigt. von kühlkörpern, verpackungen und mikro-nano-verarbeitung bis hin zu bdd-elektroden und quantentechnologieanwendungen dringt diamant nach und nach in verschiedene schlüsselbereiche der halbleiterindustrie ein und fördert technologische innovationen und industrielle modernisierung.

kühlkörper und wärmeableitung:diamant ist aufgrund seiner hervorragenden wärmeleitfähigkeit und isolationseigenschaften zur ersten wahl für hochleistungs-wärmeableitung geworden. die wärmeleitfähigkeit von diamant-einkristall-kühlkörpern ist fünfmal so hoch wie die von kupfer und silber. bei halbleiterlasern können diamant-kühlkörper die wärmeableitung deutlich verbessern, den wärmewiderstand verringern, die ausgangsleistung erhöhen und die lebensdauer verlängern.

aufgrund dieser eigenschaft hat diamant auch breite anwendungsaussichten in hochleistungs-igbt-modulen in fahrzeugen mit neuer energie, in der industriesteuerung und in anderen bereichen und trägt zu einer effizienteren wärmeableitung und einer höheren leistungsdichte bei.

derzeit ist das in hochleistungshalbleiterlasern üblicherweise verwendete wärmeableitungsmaterial ein aluminiumnitrid-kühlkörper, der als übergangskühlkörper auf den kupferkühlkörper gesintert wird. wenn jedoch eine wärmeleitfähigkeit zwischen 1000 und 2000 w/m·k gefordert wird, ist diamant derzeit die erste wahl oder sogar das einzige optionale kühlkörpermaterial. es gibt zwei hauptformen von diamant, die als kühlkörpermaterialien verwendet werden: diamantfilm und verbunddiamant mit kupfer, aluminium und anderen metallen.

halbleiterverpackungssubstrat:das substrat ist ein wichtiges glied bei der wärmeleitung in bare-chip-gehäusen. al2o3-keramik ist derzeit das am häufigsten hergestellte und am weitesten verbreitete keramiksubstrat. aufgrund seines wärmeausdehnungskoeffizienten (7,2×10^-6/℃) und dielektrizitätskonstante (9,7) sind im vergleich zu si-einkristallen relativ hoch, und die wärmeleitfähigkeit (15–35 w/(m·k)) ist immer noch nicht hoch genug, was dazu führt, dass das al2o3-keramiksubstrat für hochtemperaturanwendungen ungeeignet ist. wird in leistungs- und vlsi-schaltungen verwendet.

daher werden mit der entwicklung der mikroelektroniktechnologie die eigenschaften einer hochdichten montage und miniaturisierung immer offensichtlicher, die wärmeflussdichte von komponenten wird immer größer und die anforderungen an neue substratmaterialien werden immer höher. die entwicklung von substratmaterialien mit hoher wärmeleitfähigkeit und besserer leistung ist zu einem allgemeinen trend geworden. anschließend kamen nach und nach keramische substratmaterialien mit hoher wärmeleitfähigkeit wie aln, si3n4, sic, diamant usw. auf den markt.

unter ihnen ist diamant aufgrund seiner hohen wärmeleitfähigkeit, seines niedrigen wärmeausdehnungskoeffizienten und seiner guten stabilität nach und nach in den mittelpunkt der neuen generation von verpackungssubstratmaterialien gerückt. durch die verbindung von diamantpartikeln mit hochwärmeleitenden metallmatrizen wie ag, cu und al zeigte das hergestellte diamant-/metallmatrix-verbundmaterial zunächst sein großes potenzial im bereich der elektronischen verpackung.

obwohl es schwierig ist, einen einzelnen diamanten zu verpackungsmaterialien zu verarbeiten und die kosten hoch sind, ist seine wärmeleitfähigkeit dutzende oder sogar hundertfache besser als die anderer keramiksubstratmaterialien, was viele große hersteller dazu veranlasst hat, in die forschung zu investieren. insbesondere angesichts der steigenden nachfrage nach rechenleistung bieten diamantverpackungssubstrate innovative lösungen für das wärmeableitungsproblem von hochleistungschips und unterstützen die schnelle entwicklung von branchen wie ki und rechenzentren.

mikro-nano-verarbeitung:halbleitermaterialien der dritten generation wie siliziumkarbid und galliumnitrid sind schwierig zu verarbeiten und ihre produkte sind aufgrund ihrer superharten eigenschaften zu einem leistungsstarken werkzeug für die verarbeitung geworden.

diamantwerkzeuge spielen beispielsweise eine schlüsselrolle beim schneiden, schleifen und polieren von siliziumkarbidkristallen. darüber hinaus besteht mit der verbreitung von 5g, dem internet der dinge und anderen technologien ein steigender bedarf an präzisionsbearbeitungswerkzeugen und mikropulverprodukten für die präzisionsbearbeitung von metallen, keramik und spröden werkstoffen materialien, die den technologischen fortschritt und die industrielle modernisierung der branche fördern.

darüber hinaus bietet diamant vorteile in vielen bereichen wie optischen fenstern, bdd-elektroden und quantentechnologie und gilt als starker konkurrent für zukünftige halbleitermaterialien.

die industrialisierung von „diamant“-chips schreitet weiter voran

derzeit intensiviert die welt die forschung und entwicklung von diamant im halbleiterbereich.

element six gewinnt uwbgs-projekt

kürzlich leitet element six ein schlüsselprojekt in den vereinigten staaten – die entwicklung von ultrabreitband-hochleistungshalbleitern unter verwendung von einkristall-diamantsubstraten (sc). das projekt ist teil des ultra-wide bandgap semiconductor (uwbgs)-programms der us-amerikanischen defense advanced research projects agency (darpa), das darauf abzielt, fortschrittliche halbleitertechnologien der nächsten generation für verteidigungs- und kommerzielle anwendungen zu entwickeln und deren leistung und effizienz zu durchbrechen grenzen von halbleitern.

obwohl die vorbereiteten großformatigen diamantwafer in kühlkörpern und optischen feldern verwendet werden können, gibt es bei der kommerziellen anwendung im bereich der halbleiter in elektronischer qualität viele schwierigkeiten. beispielsweise müssen die technischen probleme der synthese, des ablösens sowie des schleifens und polierens großer einkristalldiamanten noch weiter gelöst werden.

zu diesem zweck hat element six strategische partnerschaften mit mehreren wichtigen akteuren der halbleiterindustrie aufgebaut, darunter hiqute diamond aus frankreich, orbray und raytheon aus japan sowie die universitäten stanford und princeton in den usa. diese kooperationen, die fachwissen in der kristallversetzungstechnik, der hochfrequenz-galliumnitrid-technologie sowie der oberflächen- und volumenbearbeitung von materialien integrieren, sind von entscheidender bedeutung für die weiterentwicklung der halbleitertechnologie mit ultrabreiter bandlücke.

berichten zufolge ist element six eine tochtergesellschaft des diamantenunternehmens de beers mit hauptsitz in london, england. es ist führend in der synthese von einkristallinem diamant und polykristallinem diamant und verfügt über umfangreiche erfahrung in der chemischen gasphasenabscheidungstechnologie (cvd). .

der beitrag von element six zum uwbgs-programm wird die expertise des unternehmens in der großflächigen cvd-synthese von polykristallinem diamant und hochwertiger einkristalldiamant (sc) nutzen, um 4-zoll-sc-diamantsubstrate in gerätequalität zu ermöglichen.

sc-diamantsubstrate sind der schlüssel zur realisierung fortschrittlicher elektronischer produkte, darunter hochleistungs-hochfrequenzschalter, radar- und kommunikationsverstärker, hochspannungs-leistungsschalter, hochtemperatur-elektronik für extreme umgebungen, leds und laser im tiefen uv-bereich, und unterstützen ein vermögen von mehreren milliarden dollar-system-markt.

element six ist in der lage, hochwertige einkristalline diamantwafer mit einer hochgeordneten kristallstruktur herzustellen. derzeit werden sc-diamantsubstrate im überwachungssystem des cern large hadron collider verwendet und haben zur entdeckung des higgs-boson-teilchens beigetragen. element six arbeitet mit abb, dem führenden anbieter von hochleistungshalbleitern, zusammen, um die erste hochspannungs-massendiamant-schottky-diode zu realisieren. darüber hinaus hat element six kürzlich den bau und die inbetriebnahme einer modernen cvd-anlage in portland, oregon, abgeschlossen, die seine kerntechnologie nutzt und mit erneuerbarer energie betrieben wird.

was den polykristallinen diamanten betrifft, so haben die polykristallinen diamantwafer von element six einen durchmesser von über 4 zoll und werden häufig in optischen fenstern in der euv-lithographie und wärmemanagementanwendungen in si- und gan-halbleiterbauelementen mit hoher leistungsdichte eingesetzt.

darüber hinaus arbeitete element six im hinblick auf hochspannungsgeräte mit dem schweizer unternehmen abb zusammen, um die erste hochspannungs-massendiamant-schottky-diode zu realisieren, was das potenzial diamantbasierter halbleiter für eine veränderung des bereichs der leistungselektronik demonstriert.

gleichzeitig erweitert element six mit seinen partnern seine kernkompetenzen in der diamanttechnologie. durch gegenseitige lizenzierung von geistigem eigentum und ausrüstung mit orbray japan. orbray hat eine technologie zur herstellung einkristalliner diamantsubstrate mit einem durchmesser von 55 millimetern (ca. 2 zoll) etabliert, der größer ist als herkömmliche substrate. dabei wird die cvd-technologie (chemische gasphasenabscheidung) von element six, mit der diamanten mit einem durchmesser von bis zu 150 millimetern (ca. 6 zoll) abgeschieden werden können, mit der expertise von orbray kombiniert. ziel ist es, eine fertigungstechnologie für einkristalline diamantsubstrate mit großem durchmesser für leistungshalbleiter und kommunikationshalbleiter der nächsten generation mit hervorragenden spannungsfestigkeits- und wärmeableitungseigenschaften zu etablieren, den produktionsumfang von einkristallinen diamantwafern zu erweitern und einen größeren anteil einzunehmen im ultra-wide-bandgap-halbleitermarkt einen großen marktanteil.

darüber hinaus hat element six kürzlich den bau und die inbetriebnahme einer modernen cvd-anlage in portland, oregon, abgeschlossen, die mit erneuerbarer energie betrieben wird und in der lage ist, hochwertige einkristall-diamantsubstrate in massenproduktion herzustellen.

es sollte betont werden, dass diamant in zwei arten unterteilt wird: einkristallin und polykristallin. polykristalliner diamant wird im allgemeinen in kühlkörpern, infrarot- und mikrowellenfenstern, verschleißfesten beschichtungen usw. verwendet. allerdings kann er die hervorragenden elektrischen eigenschaften von diamant nicht wirklich nutzen. dies liegt daran, dass darin korngrenzen vorhanden sind, die träger verursachen mobilität und ladung die sammeleffizienz ist stark reduziert, was die leistung der damit hergestellten elektronischen geräte erheblich beeinträchtigt. einkristalldiamant stellt keine solchen bedenken dar und wird im allgemeinen in schlüsselbereichen wie detektoren und leistungsgeräten verwendet.

seit vielen jahren werden synthetische diamanten, die mithilfe der hochdruck- und hochtemperaturtechnologie (hpht) hergestellt werden, häufig in schleifanwendungen eingesetzt, wobei sie sich die extrem hohe härte und extreme verschleißfestigkeit des diamanten zunutze machen. in den letzten 20 jahren wurden neue diamantbildungsmethoden auf basis der chemischen gasphasenabscheidung (cvd) kommerzialisiert, die die herstellung von ein- und polykristallinem diamant zu geringeren kosten ermöglichen. diese neuen synthesemethoden ermöglichen die volle ausnutzung der optischen, thermischen, elektrochemischen, chemischen und elektronischen eigenschaften von diamant.

huawei-layout-diamant

im november 2023 meldeten huawei und das harbin institute of technology gemeinsam ein patent „eine hybrid-bonding-methode für dreidimensionale integrierte chips auf basis von silizium und diamant“ an diamant. bindungsmethode.

konkret nutzt es die cu/sio2-hybrid-bonding-technologie, um siliziumbasierte und diamantbasierte substratmaterialien dreidimensional zu integrieren. durch die kombination beider hofft huawei, die unterschiedlichen vorteile von siliziumbasierten halbleitern und diamanten voll ausnutzen zu können.

im patentbuch heißt es: „da die integrationsdichte weiter zunimmt und die strukturgröße immer kleiner wird, steht das wärmemanagement elektronischer chips vor großen herausforderungen. die wärmeansammlung im inneren des chips lässt sich nur schwer auf den oberflächenkühlkörper des gehäuses übertragen.“ dies führt zu einem plötzlichen anstieg der internen sperrschichttemperatur, was die leistung, stabilität und lebensdauer des chips ernsthaft gefährdet. „dieses patent nutzt die hohe wärmeableitung von diamant und möchte wärmeableitungskanäle für dreidimensional integriertes silizium bereitstellen.“ -basierte geräte zur verbesserung der zuverlässigkeit des geräts.

im märz dieses jahres arbeitete das team von professor yu daquan von der universität xiamen mit dem huawei-team zusammen, um eine diamant-niedertemperatur-verbindungstechnologie auf basis einer reaktiven nanometallschicht zu entwickeln und dabei erfolgreich ein polykristallines diamantsubstrat auf der rückseite einer 2,5d-glasadapterplatte zu integrieren verpackungschip, und der thermische testchip (ttv) wird verwendet, um seine wärmeableitungseigenschaften zu untersuchen.

diamantgießerei,

kultivierung des weltweit ersten einkristall-diamantwafers

auch diamond foundry, ein von ingenieuren des mit, der stanford university und der princeton university gegründetes unternehmen, hat fortschritte bei diamantsplittern gemacht.

es wird davon ausgegangen, dass das unternehmen hofft, mit einkristallinen diamantwafern die thermischen herausforderungen zu lösen, die künstliche intelligenz, cloud-computing-chips, leistungselektronik für elektrofahrzeuge und chips für drahtlose kommunikation einschränken.

im oktober 2023 kultivierte diamond foundry den weltweit ersten einkristallinen diamantwafer. nach konkreten angaben hat dieser diamantwafer einen durchmesser von 100 mm und ein gewicht von 100 karat. diamond foundry kann jetzt diamantwafer mit einer länge und breite von 4 zoll und einer dicke von weniger als 3 mm in einem reaktor züchten. diese wafer können zusammen mit siliziumchips verwendet werden, um die von den chips erzeugte wärme schnell zu leiten und abzugeben.

diamond foundry hat eine technologie entwickelt, die diamanten in jeden chip implantiert. durch die direkte atomare bindung von diamant werden halbleiterchips auf diamant-wafer-substrate geklebt, um thermische engpässe zu beseitigen, die ihre leistung einschränken.

vergleich der hitzebedingungen

(quelle: diamond foundry)

der vorteil dieser lösung besteht darin, dass der chip mit mindestens der doppelten nenngeschwindigkeit laufen kann. die ingenieure von diamond foundry sagen, dass die verwendung dieser methode auf einem der leistungsstärksten ki-chips von nvidia unter experimentellen bedingungen seine nenngeschwindigkeit sogar verdreifachen kann.

diamond foundry gab zuvor bekannt, dass es hofft, nach 2023 einzelne diamantwafer einzuführen und hinter jedem chip einen diamanten zu platzieren. man geht davon aus, dass diamanten etwa im jahr 2033 in halbleitern eingesetzt werden.

advent diamond: diamant-phosphor-dotierte technologie

auch advent diamond in den usa ist ein solches start-up-unternehmen, das sich der massenproduktion von diamant-halbleitermaterialien verschrieben hat. im april dieses jahres gab advent diamond fortschritte in diesem bereich bekannt.

eine der kerninnovationen von advent diamond ist die fähigkeit, einkristallinen phosphordotierten diamanten auf bevorzugten substraten zu züchten, und es ist das einzige unternehmen in den vereinigten staaten, das über diese fähigkeit verfügt. die dotierung mit phosphor ist besonders wichtig, da sie halbleiter vom n-typ in diamant erzeugt, einem schlüsselelement bei der entwicklung elektronischer geräte. darüber hinaus hat advent diamond einen meilenstein bei der großflächigen züchtung bordotierter diamantschichten erreicht und damit die potenziellen anwendungen diamantbasierter elektronik erweitert.

die expertise von advent diamond geht über das materialwachstum hinaus und umfasst umfassende komponentendesign-, fertigungs- und charakterisierungsfähigkeiten. dazu gehören fortschrittliche reinraumprozesse wie ätzen, fotolithographie und metallisierung sowie eine umfassende reihe von charakterisierungstechniken wie mikroskopie, ellipsometrie und elektrische messungen. advent diamond gab an, diese hochmoderne wachstumstechnologie genutzt zu haben, um eine intrinsische diamantschicht mit extrem geringer verunreinigungskonzentration zu entwickeln, die die höchsten qualitäts- und leistungsstandards von diamantmaterialien in halbleiterqualität gewährleistet.

es wird davon ausgegangen, dass advent diamond derzeit über 1 bis 2 zoll große eingelegte diamantscheiben verfügt und hart daran arbeitet, die scheibengröße auf 4 zoll zu erweitern. allerdings bleibt die defektdichte ein kritisches problem, da die meisten wafer etwa 108 defekte/cm² oder mehr aufweisen, die auf 103 defekte/cm² reduziert werden müssen, um die erwartete leistung zu erzielen.

französisches unternehmen diamfab:

erreichen von 4-zoll-diamantwafern im jahr 2025

darüber hinaus arbeitet diamfab, ein in frankreich ansässiges halbleiter-diamant-startup-unternehmen, kontinuierlich an der diamantchip-technologie.

diamfab ist ein spin-off des institut néel, einem labor des französischen nationalen zentrums für wissenschaftliche forschung (cnrs), und das ergebnis von 30 jahren forschung und entwicklung zum wachstum synthetischer diamanten. das diamfab-projekt wurde ursprünglich bei satt linksium in den grenoble-alpen ins leben gerufen, einem unternehmen, das im märz 2019 von gauthier chicot und khaled driche, zwei doktoranden in nanoelektronik und anerkannten forschern auf dem gebiet der halbleiterdiamanten, gegründet wurde.

diamfab sagte, dass das unternehmen bahnbrechende technologien auf dem gebiet der epitaxie und dotierung von synthetischem diamant entwickelt hat und vier patente besitzt, um den anforderungen der halbleiter- und leistungskomponentenmärkte in der automobil-, erneuerbaren energie- und quantenindustrie gerecht zu werden beim wachstum und der dotierung dünner diamantschichten sowie beim design elektronischer diamantkomponenten.

im märz dieses jahres gab das unternehmen bekannt, dass es eine erstfinanzierung in höhe von 8,7 millionen euro erhalten hat. diese finanzierungsrunde wird es diamfab ermöglichen, eine pilotproduktionslinie aufzubauen, seine technologie vorindustriell zu machen und seine entwicklung zu beschleunigen, um der wachsenden nachfrage nach diamanthalbleitern gerecht zu werden.

diamfab hat ein patent für volldiamantkondensatoren angemeldet und arbeitet mit führenden unternehmen auf diesem gebiet zusammen. gauthier chicot, ceo von diamfab, sagte: „neben anderen parametern haben wir unsere ziele erreicht: mehr als 1000 a/cm.“²hohe stromdichte und elektrisches durchschlagsfeld größer als 7,7 mv/cm. dies sind schlüsselparameter für die zukünftige geräteleistung und übertreffen bereits heute die parameter, die bestehende materialien wie sic für leistungselektronikgeräte bieten. darüber hinaus haben wir einen klaren fahrplan, um bis 2025 4-zoll-wafer als schlüsselfaktor für die massenproduktion zu ermöglichen. "

japan entwickelt die diamantsplitterindustrie vollständig

den veröffentlichten forschungsergebnissen nach zu urteilen, ist die industrielle exploration von diamantsplittern in japan umfassender.

ab 2022 produziert japan diamantwafer mit einer reinheit, die in quantencomputerprojekten verwendet werden können. anfang 2023 arbeiteten ein professor an der japanischen saga-universität und der japanische präzisionsteilehersteller orbray zusammen, um einen leistungshalbleiter aus diamant zu entwickeln unter den diamanthalbleitern ist der ausgangsleistungswert der höchste der welt. im august desselben jahres schlug das forschungsteam der chiba-universität in japan eine neue lasertechnologie vor, die sich entlang des optimalen kristalls bewegen kann „flugzeug“. „mühelos geschliffene“ diamanten.

schneidmethode des forschungsteams der universität chiba

ein laserbasiertes schneidverfahren, das diamanten sauber schneidet, ohne sie zu beschädigen. die forscher sagen, dass die neue technologie die ausbreitung unerwünschter risse beim laserschneiden verhindert, indem sie kurze laserimpulse auf ein schmales, sich verjüngendes volumen im material fokussiert.

die chiba-universität sagte, die neu vorgeschlagene technologie könne ein wichtiger schritt bei der umwandlung von diamanten in „halbleitermaterialien sein, die für effizientere technologien in der zukunft geeignet sind“. professor hidai sagte, das schneiden von diamanten mit lasern „ermöglicht die herstellung hochwertiger wafer zu niedrigen kosten“ und sei für die herstellung von diamant-halbleiterbauelementen unerlässlich.

amerikanisches unternehmen akhan

akhan ist auf die laborherstellung synthetischer diamantmaterialien in elektronikqualität spezialisiert. bereits im august 2021 kündigte akhan die entwicklung des ersten 300-mm-wafers an, der cmos-silizium mit einem diamantsubstrat kombiniert.

etwa im jahr 2013 erhielt akhan eine exklusive diamant-halbleiter-anwendungslizenz für die bahnbrechende niedertemperatur-diamantabscheidungstechnologie, die vom argonne national laboratory des us-energieministeriums entwickelt wurde. mit dieser technologie können nanodiamanten bei temperaturen von bis zu 400 grad celsius auf einer vielzahl von wafer-substratmaterialien abgeschieden werden. die kombination der niedertemperatur-diamanttechnologie von argonne und dem miraj diamond-prozess von akhan durchbricht die barriere in der halbleiterindustrie, die die verwendung von diamantfilmen auf p-typ-dotierung beschränkte.

anschließend kündigte akhan seine miraj diamond-plattform an, die ein patentiertes neues verfahren entwickelte, bei dem n-typ-diamantmaterialien auf silizium mit bisher unbewiesenen eigenschaften hergestellt werden.

wie im vorherigen artikel des semiconductor industry observer „diamond chips, coming soon for commercial use“ erwähnt, gründete adam khan, der gründer und ceo von akhan, im januar dieses jahres ein neues unternehmen, diamond quanta, um sich auf den halbleiterbereich zu konzentrieren ziel ist es, die hervorragenden eigenschaften von diamant zu nutzen und fortschrittliche lösungen für leistungselektronik und quantenphotonische geräte bereitzustellen.

im mai dieses jahres gab diamond quanta bekannt, dass sein „einheitliches diamanten-rahmenwerk“ einem echten ersatzdoping förderlich sei. diese innovative technologie integriert neue elemente nahtlos in die struktur des diamanten und verleiht ihm neue eigenschaften, ohne die kristallintegrität zu beeinträchtigen.

dadurch wurde diamant in einen hochleistungshalbleiter umgewandelt, der negative (n-typ) und positive (p-typ) ladungsträger unterstützen kann. dieses maß an mobilität weist darauf hin, dass das diamantgitter sehr sauber und geordnet ist und dass die streuzentren aufgrund der erfolgreichen implementierung einer co-dotierungsstrategie, die die auswirkungen von ladungsträgertransportdefekten abschwächt, effektiv passiviert sind. darüber hinaus verfeinert der dotierungsprozess die vorhandene diamantstruktur durch die korrektur von versetzungen und erhöht so die leitfähigkeit des materials. diese fortschritte bewahren nicht nur die diamantstruktur, sondern verbessern sie auch und vermeiden so häufige fallstricke wie erhebliche gitterverzerrungen oder die einführung von fallenzuständen, die typischerweise die mobilität verringern.

„die gründung von diamond quanta und die entwicklung dieses fortschrittlichen dotierungsprozesses waren notwendig. branchen wie elektronik, automobil, luft- und raumfahrt, energie usw. waren auf der suche nach einer halbleitertechnologie, die den steigenden anforderungen gerecht wird, die durch die sich ständig ändernden anforderungen ihrer unternehmen entstehen druck auf die technologieexpansion“, sagte adam khan. „unsere technologie ist mehr als nur ein alternatives material für branchen, die die halbleitereffizienz verbessern möchten. wir führen ein völlig neues material ein, das die standards für leistung, haltbarkeit und effizienz neu definiert und die zunehmend höheren arbeitsbelastungen der moderne nahtlos unterstützt.“ eine wesentliche rolle bei der stromversorgung der last.“

koreanisches team: reduzierung der diamantfilmkosten

im april dieses jahres veröffentlichte das materialwissenschaftsteam des korea institute of basic science einen artikel in der zeitschrift nature, in dem es die erfolgreiche synthese von diamant bei normalem atmosphärendruck und 1025 °c ankündigte. diese herstellungsmethode soll eine kostengünstige möglichkeit bieten zur herstellung von diamantfilmen.

rodney ruoff, der leiter des forschungsteams, sagte, er habe vor einigen jahren festgestellt, dass die synthese von diamant nicht unbedingt extreme bedingungen erfordert. durch die einwirkung von methangas kann graphit entstehen, ein allotrop von diamant. dies inspirierte ruoff, gallium zu untersuchen -haltiges flüssiges gold. erforschung des weges der „entkohlung“ aus kohlenstoffhaltigen gasen zur herstellung von diamant. durch zufall entdeckte ruoffs team, dass winzige diamantkristalle entstanden, wenn elementares siliziummaterial in die reaktionsumgebung eingebracht wurde. basierend auf diesem phänomen verbesserte das experimentalteam die reaktionsvorrichtung, setzte die mischung aus flüssigem gallium, eisen, nickel und silizium einer gemischten atmosphäre aus methan und wasserstoff aus und erhitzte sie auf 1025 °c. dies gelang ihnen erfolgreich, ohne hohen druck anzuwenden und kristallkeime werden produziert. derzeit hat ruoffs team erfolgreich mikrodiamantfilme hergestellt, die aus tausenden von diamantkristallen bestehen.

wenn diese normaldruck-synthesetechnologie in zukunft erfolgreich auf einen größeren maßstab ausgeweitet werden kann, wird sie einen wirtschaftlicheren und einfacheren weg zur herstellung von diamantfilmen eröffnen, was voraussichtlich einen starken schub für die entwicklung von quantencomputern und der energieerzeugung bedeuten wird halbleiter.

nicht nur die oben genannten unternehmen treiben die industrialisierung von „diamant“-chips voran. es gibt auch viele industrieunternehmen, die hier investieren.

verschiedenen trends zufolge widmet die branche diamanthalbleitern immer mehr aufmerksamkeit und es werden ständig vorteilhafte ressourcen gesammelt, was auch die geschwindigkeit von forschung, entwicklung und industrialisierung beschleunigt. dies bedeutet den beginn der ära der „diamant“-waffeln.

insgesamt weisen diamanthalbleiter hervorragende eigenschaften auf, die anderen halbleitermaterialien überlegen sind, wie z. b. hohe wärmeleitfähigkeit, große bandlücke, hohe ladungsträgermobilität, hohe isolierung, optische durchlässigkeit, chemische stabilität und strahlungsbeständigkeit. gegenwärtig bewegt sich die branche weiter in richtung diamant und tritt allmählich in eine transformationsphase der multifunktionalen entwicklung von diamanten ein.

mit der schrittweisen entwicklung großformatiger, hochwertiger, großformatiger und hochflexibler diamantabscheidungstechnologie wird erwartet, dass die entwicklung großformatiger integrierter schaltkreise und integrierter hochgeschwindigkeitsschaltkreise in zukunft einen neuen stand erreichen wird epoche.

schreibe am ende

bereits vor fünfzig oder sechzig jahren begann die wissenschaftliche gemeinschaft mit der erforschung von diamanthalbleitern, doch bis heute werden geräte aus diamanthalbleitern nicht in großem maßstab eingesetzt. einige ingenieure beklagten, dass diamant möglicherweise immer am rande einer praktischen halbleiteranwendung stünde.

zwar hat diamant im halbleiterbereich erhebliche vorteile, aber um eine groß angelegte produktion und anwendung von diamantchips zu erreichen, stehen ihm noch viele herausforderungen und einschränkungen bevor, wie z. b. hohe kosten, schwierige verarbeitung, unausgereifte technologie wie dotierung und begrenzte möglichkeiten anwendungsbereich.

obwohl dieses material noch einen langen weg vor sich hat, hat es seine vitalität und sein anwendungspotenzial in der halbleiterkette bewiesen. wir glauben, dass durch die gemeinsamen anstrengungen aller parteien in zukunft diamantmaterialien mit verschiedenen hervorragenden eigenschaften weiterentwickelt werden, was dem bereich der halbleitermaterialien zu einem entscheidenden schritt verhelfen wird.

natürlich besteht die letztendliche aufgabe neuer materialien nicht darin, traditionelle materialien wie silizium am strand zu tode zu schlagen, sondern als ergänzung zu dienen und eine vollwertige rolle in den bereichen zu spielen, in denen sie gut sind.