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nell'era odierna, l'industria dei semiconduttori si trova in un periodo critico di trasformazione. il campo dei semiconduttori dominato dal silicio si trova ad affrontare colli di bottiglia come l'elevata densità di potenza, l'alta frequenza, l'alta temperatura e l'elevata radiazione. la terza generazione di semiconduttori ha seguito questa tendenza. con gan e sic come leader lo sviluppo di nuovi materiali rappresenta il continuo avanzamento dei dispositivi di potenza nella direzione dell'alta potenza, della miniaturizzazione, dell'integrazione e della multifunzionalità, ma caratteristiche chiave come la dissipazione del calore e l'efficienza energetica sono ancora la costante ricerca del settore .

nell'era della ricerca di prestazioni ed efficienza massime, una rivoluzione dei chip guidata dal diamante sta silenziosamente emergendo.

il diamante si riferisce ai diamanti grezzi che non sono stati lucidati. allora, quale nuovo materiale semiconduttore è apparso alla vista di tutti, qual è il fascino dei chip "diamanti"? dietro le infinite possibilità, coesistono progresso e sfide.

qual è il fascino delle fiches "diamante"?

il diamante, noto come "la sostanza più dura in natura", non solo è incredibilmente duro, ma ha anche un'eccellente conduttività termica, mobilità elettronica estremamente elevata, molteplici parametri prestazionali eccellenti come resistenza all'alta pressione, elevata resistenza alle radiofrequenze, basso costo, alta temperatura resistenza e altre proprietà fisiche eccellenti.

nello specifico, il semiconduttore di diamante ha proprietà del materiale come banda proibita ultra ampia (5,45 ev), elevata intensità di campo di rottura (10 mv/cm), elevata velocità di deriva della saturazione del portante, elevata conduttività termica (2000 w/m·k) e eccellente fattore di qualità del dispositivo. (johnson, keyes, baliga), l'uso di substrati di diamante può sviluppare dispositivi elettronici ad alta temperatura, alta frequenza, alta potenza e resistenti alle radiazioni, superando colli di bottiglia tecnici come "effetti di autoriscaldamento" e "rottura a valanga" di dispositivi.

inoltre, il diamante ha eccellenti proprietà fisiche, tra cui una buona trasmissione della luce e un indice di rifrazione nel campo ottico, ed è adatto per la ricerca e lo sviluppo di dispositivi optoelettronici dal punto di vista elettrico, le sue proprietà di isolamento e la costante dielettrica gli consentono di svolgere un ruolo stabile nel complesso circuiti; proprietà meccaniche d'altra parte, l'elevata robustezza e la resistenza all'usura garantiscono che il chip possa resistere a condizioni di lavoro estreme.

queste caratteristiche fanno sì che il diamante mostri un grande potenziale nel campo della produzione di chip e viene spesso utilizzato per la dissipazione del calore di dispositivi elettronici ad alta densità di potenza e ad alta frequenza. svolge un ruolo importante nello sviluppo delle comunicazioni 5g/6g, dei circuiti integrati a microonde/onde millimetriche, del rilevamento e del rilevamento e in altri campi. il semiconduttore diamantato è considerato un nuovo materiale semiconduttore promettente ed è acclamato dall'industria come il "materiale semiconduttore per eccellenza".

utilizzando l'elettronica diamantata, non solo vengono alleviate le esigenze di gestione termica dei semiconduttori tradizionali, ma questi dispositivi sono più efficienti dal punto di vista energetico e possono resistere a tensioni di rottura più elevate e ambienti difficili.

ad esempio, nei veicoli elettrici, l’elettronica di potenza a base di diamante può ottenere una conversione di potenza più efficiente, prolungare la durata della batteria e ridurre i tempi di ricarica nel campo delle telecomunicazioni, in particolare nell’implementazione di reti 5g e di livello superiore, ad alta frequenza e la domanda di dispositivi ad alta potenza cresce di giorno in giorno. i substrati di diamante a cristallo singolo forniscono la gestione termica e le prestazioni di frequenza necessarie per supportare i sistemi di comunicazione di prossima generazione, inclusi interruttori rf, amplificatori e trasmettitori; nell'elettronica di consumo, i substrati di diamante a cristallo singolo possono pilotare smartphone, laptop e dispositivi indossabili più piccoli, più veloci e più efficienti componenti dei dispositivi, apportando così innovazione di nuovi prodotti e migliorando le prestazioni complessive del mercato dell'elettronica di consumo.

secondo i dati dell’organizzazione di ricerche di mercato virtuemarket, il mercato globale dei substrati per semiconduttori di diamante varrà 151 milioni di dollari nel 2023 e le dimensioni del mercato dovrebbero raggiungere i 342 milioni di dollari entro la fine del 2030. il tasso di crescita annuale composto previsto per il periodo 2024-2030 è del 12,3%. tra questi, spinto dalla crescente domanda da parte delle industrie elettroniche e dei semiconduttori in paesi come cina, giappone e corea del sud, si prevede che la regione asia-pacifico dominerà il mercato dei substrati per semiconduttori di diamante e si prevede che rappresenterà oltre il 40% della quota di entrate globali entro il 2023.

spinto dai suoi vantaggi caratteristici e dalle ampie prospettive, il diamante ha mostrato un grande potenziale e valore in molti anelli della catena industriale dei semiconduttori. dai dissipatori di calore, al packaging, alla lavorazione micro-nano, agli elettrodi bdd e alle applicazioni della tecnologia quantistica, il diamante sta gradualmente penetrando in varie aree chiave dell’industria dei semiconduttori, promuovendo l’innovazione tecnologica e l’aggiornamento industriale.

dissipatore di calore e dissipazione del calore:il diamante è diventato la prima scelta per la dissipazione del calore ad alta potenza grazie alle sue eccellenti proprietà di conduttività termica e isolamento. la conduttività termica del dissipatore di calore a cristallo singolo di diamante è cinque volte quella del rame e dell'argento. nei laser a semiconduttore, i dissipatori di calore in diamante possono migliorare significativamente la dissipazione del calore, ridurre la resistenza termica, aumentare la potenza di uscita e prolungare la durata.

questa caratteristica fa sì che il diamante abbia anche ampie prospettive di applicazione nei moduli igbt ad alta potenza nei veicoli a nuova energia, nel controllo industriale e in altri campi, contribuendo a ottenere una dissipazione del calore più efficiente e una maggiore densità di potenza.

attualmente, il materiale di dissipazione del calore comunemente utilizzato nei laser a semiconduttore ad alta potenza è il dissipatore di calore in nitruro di alluminio, che viene sinterizzato sul dissipatore di calore in rame come dissipatore di calore di transizione. tuttavia, quando la conduttività termica deve essere compresa tra 1.000 e 2.000 w/m·k, il diamante è attualmente la prima scelta o addirittura l'unico materiale opzionale per il dissipatore di calore. esistono due forme principali di diamante utilizzate come materiali dissipatori di calore, vale a dire la pellicola di diamante e il composito di diamante con rame, alluminio e altri metalli.

substrato per l'imballaggio dei semiconduttori:il substrato è un anello chiave nella conduzione del calore nel confezionamento di chip nudi. la ceramica al2o3 è attualmente il substrato ceramico più prodotto e ampiamente utilizzato, tuttavia, a causa del suo coefficiente di dilatazione termica (7,2×10^-6/℃) e la costante dielettrica (9,7) sono relativamente elevati rispetto al cristallo singolo di si e la conduttività termica (15-35 w/ (m·k)) non è ancora sufficientemente elevata, con il risultato che i substrati ceramici al2o3 non sono adatti per le alte frequenze , applicazioni su larga scala utilizzato nei circuiti di potenza e vlsi.

pertanto, con lo sviluppo della tecnologia microelettronica, le caratteristiche di assemblaggio ad alta densità e miniaturizzazione sono diventate sempre più evidenti, la densità del flusso di calore dei componenti sta diventando sempre più grande e i requisiti per nuovi materiali di substrato stanno diventando sempre più alti. lo sviluppo di materiali per substrati con elevata conduttività termica e prestazioni migliori è diventata una tendenza generale. successivamente, sono entrati gradualmente nel mercato materiali di substrato ceramico ad alta conduttività termica aln, si3n4, sic, diamante, ecc.

tra questi, il diamante è gradualmente diventato il fulcro della nuova generazione di materiali per substrati di imballaggio grazie alla sua elevata conduttività termica, al basso coefficiente di dilatazione termica e alla buona stabilità. combinando particelle di diamante con matrici metalliche altamente termicamente conduttive come ag, cu e al, il materiale composito a matrice diamante/metallo preparato ha inizialmente mostrato il suo grande potenziale nel campo dell'imballaggio elettronico.

sebbene sia difficile trasformare un singolo diamante in materiali da imballaggio e il costo sia elevato, la sua conduttività termica è decine o addirittura centinaia di volte migliore rispetto ad altri materiali di substrato ceramico, il che ha portato molti importanti produttori a investire nella ricerca. soprattutto con l’aumento della domanda di potenza di calcolo, i substrati di imballaggio diamantati forniscono soluzioni innovative al problema della dissipazione del calore dei chip ad alte prestazioni, aiutando il rapido sviluppo di settori come l’intelligenza artificiale e i data center.

elaborazione micro-nano:i materiali semiconduttori di terza generazione come il carburo di silicio e il nitruro di gallio sono difficili da lavorare. la polvere di diamante e i suoi prodotti sono diventati un potente strumento di lavorazione grazie alle loro proprietà super dure.

ad esempio, gli utensili diamantati svolgono un ruolo chiave nel taglio, nella molatura e nella lucidatura dei cristalli di carburo di silicio. inoltre, con la diffusione del 5g, dell’internet delle cose e di altre tecnologie, l’industria dell’elettronica di consumo ha una crescente domanda di lavorazioni di precisione. gli utensili da taglio diamantati e i prodotti in micropolvere forniscono soluzioni di trattamento superficiale di precisione di alta qualità per metalli, ceramica e fragili materiali, promuovendo il progresso tecnologico e l'ammodernamento industriale del settore.

inoltre, il diamante presenta vantaggi in molti campi come le finestre ottiche, gli elettrodi bdd e la tecnologia quantistica ed è considerato un forte concorrente per i futuri materiali semiconduttori.

l'industrializzazione dei chip "diamanti" continua a fare progressi

attualmente, il mondo sta intensificando la ricerca e lo sviluppo dei diamanti nel campo dei semiconduttori.

element six vince il progetto uwbgs

recentemente, element six sta guidando un progetto chiave negli stati uniti: lo sviluppo di semiconduttori ad alta potenza a banda ultralarga utilizzando substrati di diamante a cristallo singolo (sc). il progetto fa parte del programma ultra-wide bandgap semiconductor (uwbgs) guidato dalla darpa (defence advanced research projects agency) degli stati uniti, che mira a sviluppare la prossima generazione di tecnologie avanzate di semiconduttori per applicazioni commerciali e di difesa e a superare le prestazioni e limiti di efficienza dei semiconduttori.

sebbene i wafer diamantati di grandi dimensioni preparati possano essere utilizzati nei dissipatori di calore e nei campi ottici, esistono molte difficoltà nell'applicazione commerciale nel campo dei semiconduttori di livello elettronico. ad esempio, i problemi tecnici di sintesi, pelatura, molatura e lucidatura del diamante monocristallino di grandi dimensioni devono ancora essere ulteriormente risolti.

a tal fine, element six ha stabilito partnership strategiche con diversi attori chiave nel settore dei semiconduttori, tra cui la francese hiqute diamond, la giapponese orbray, raytheon e le università statunitensi di stanford e princeton. queste collaborazioni, che integrano competenze nell’ingegneria della dislocazione dei cristalli, nella tecnologia del nitruro di gallio a radiofrequenza e nell’elaborazione della superficie e del volume dei materiali, sono fondamentali per far avanzare lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori con bandgap ultra ampio.

è stato riferito che element six è una filiale della società di diamanti de beers, con sede a londra, inghilterra. è leader nella sintesi di diamante monocristallino e diamante policristallino e ha una vasta esperienza nella tecnologia di deposizione chimica da fase vapore (cvd). .

il contributo di element six al programma uwbgs sfrutterà l'esperienza dell'azienda nella sintesi di diamanti policristallini cvd di grandi dimensioni e di diamanti sc di alta qualità per consentire substrati di diamanti sc da 4 pollici per dispositivi.

i substrati di diamante sc sono fondamentali per realizzare prodotti elettronici avanzati, tra cui interruttori a radiofrequenza ad alta potenza, amplificatori radar e di comunicazione, interruttori di alimentazione ad alta tensione, componenti elettronici ad alta temperatura per ambienti estremi, led e laser a raggi uv profondi, che supportano un'industria multimiliardaria mercato del sistema del dollaro.

element six è in grado di produrre wafer di diamante monocristallino di alta qualità con una struttura cristallina altamente ordinata. attualmente, i substrati di diamante sc sono stati utilizzati nel sistema di monitoraggio del large hadron collider del cern e hanno contribuito alla scoperta della particella del bosone di higgs. element six ha collaborato con abb, leader nel settore dei semiconduttori ad alta potenza, per realizzare il primo diodo schottky a diamante sfuso ad alta tensione. inoltre, element six ha recentemente completato la costruzione e la messa in servizio di un impianto cvd avanzato a portland, oregon, che sfrutta la sua tecnologia di base ed è alimentato da energia rinnovabile.

in termini di diamante policristallino, i wafer di diamante policristallino di element six hanno un diametro di oltre 4 pollici e sono ampiamente utilizzati nelle finestre ottiche nella litografia euv e nelle applicazioni di gestione termica nei dispositivi semiconduttori si e gan ad alta densità.

inoltre, in termini di dispositivi ad alta tensione, element six ha collaborato con la società svizzera abb per realizzare il primo diodo schottky a diamante sfuso ad alta tensione, dimostrando il potenziale dei semiconduttori a base di diamante nel cambiare il campo dell'elettronica di potenza.

allo stesso tempo, element six sta espandendo le sue capacità principali nella tecnologia dei diamanti con i suoi partner. attraverso la concessione di licenze incrociate di proprietà intellettuale e attrezzature con orbray japan. orbray ha sviluppato una tecnologia per produrre substrati di diamante monocristallino con un diametro di 55 millimetri (circa 2 pollici), che è più grande dei substrati tradizionali. ciò combinerà la tecnologia cvd (deposizione chimica in fase vapore) di element six, che può depositare diamanti fino a 150 millimetri (circa 6 pollici) di diametro, con l’esperienza di orbray. il suo obiettivo è stabilire una tecnologia di produzione per substrati di diamante monocristallino di grande diametro per semiconduttori di potenza e semiconduttori di comunicazione di prossima generazione con eccellenti proprietà di resistenza alla tensione e di dissipazione del calore, espandere la scala di produzione di wafer di diamante monocristallino e occupare una quota maggiore nel mercato dei semiconduttori con bandgap ultra ampio.

inoltre, element six ha recentemente completato la costruzione e la messa in servizio di un impianto cvd avanzato a portland, oregon, alimentato da energia rinnovabile e in grado di produrre in serie substrati di diamante monocristallino di alta qualità.

va sottolineato che il diamante si divide in due tipologie: monocristallino e policristallino. il diamante policristallino viene generalmente utilizzato nei dissipatori di calore, nelle finestre a infrarossi e a microonde, nei rivestimenti resistenti all'usura, ecc. tuttavia, non può esercitare realmente le eccellenti proprietà elettriche del diamante. ciò è dovuto alla presenza di bordi di grano al suo interno, che causeranno il trasporto mobilità e carica l'efficienza di raccolta è notevolmente ridotta, inibendo gravemente le prestazioni dei dispositivi elettronici da esso preparati. il diamante monocristallino non presenta tali problemi e viene generalmente utilizzato in aree chiave come rilevatori e dispositivi di alimentazione;

per molti anni, i diamanti sintetici prodotti utilizzando la tecnologia ad alta pressione e alta temperatura (hpht) sono stati ampiamente utilizzati nelle applicazioni di rettifica, sfruttando appieno la durezza estremamente elevata e l’estrema resistenza all’usura del diamante. negli ultimi 20 anni sono stati commercializzati nuovi metodi di formazione del diamante basati sulla deposizione chimica da fase vapore (cvd), che consentono la produzione di diamanti singoli e policristallini a un costo inferiore. questi nuovi metodi sintetici consentono il pieno sfruttamento delle proprietà ottiche, termiche, elettrochimiche, chimiche ed elettroniche del diamante.

diamante del layout huawei

nel novembre 2023, huawei e l'harbin institute of technology hanno presentato domanda congiunta per un brevetto "un metodo di legame ibrido per chip integrati tridimensionali basati su silicio e diamante". diamante.

nello specifico, utilizza la tecnologia di legame ibrido cu/sio2 per integrare tridimensionalmente materiali di substrato a base di silicio e diamante. huawei spera di sfruttare appieno i diversi vantaggi dei semiconduttori e dei diamanti a base di silicio attraverso la combinazione dei due.

menzionato nel libro dei brevetti, "poiché la densità di integrazione continua ad aumentare e le dimensioni delle funzionalità continuano a ridursi, la gestione termica dei chip elettronici deve affrontare grandi sfide. l'accumulo di calore all'interno del chip è difficile da trasferire al dissipatore di calore superficiale del pacchetto , causando un aumento improvviso della temperatura della giunzione interna, mettendo seriamente a rischio le prestazioni, la stabilità e la durata del chip. "questo brevetto sfrutta l'elevata dissipazione del calore del diamante e mira a fornire canali di dissipazione del calore per il silicio integrato tridimensionale dispositivi basati su pc per migliorare l'affidabilità del dispositivo.

nel marzo di quest'anno, il team del professor yu daquan dell'università di xiamen ha collaborato con il team huawei per sviluppare una tecnologia di incollaggio del diamante a bassa temperatura basata su uno strato di nanometalli reattivi, integrando con successo un substrato di diamante policristallino sul retro di una piastra adattatrice in vetro 2.5d. chip confezionato e il chip di test termico (ttv) viene utilizzato per studiare le sue caratteristiche di dissipazione del calore.

fonderia di diamanti,

coltivazione del primo wafer di diamante a cristallo singolo al mondo

anche la diamond foundry, una società fondata da ingegneri del mit, della stanford university e della princeton university, ha fatto progressi nel campo dei trucioli di diamante.

resta inteso che la società spera di utilizzare wafer di diamante monocristallino per risolvere le sfide termiche che limitano l'intelligenza artificiale, i chip di cloud computing, l'elettronica di potenza dei veicoli elettrici e i chip di comunicazione wireless.

nell'ottobre 2023, la diamond foundry ha coltivato il primo wafer di diamante monocristallino al mondo. secondo dati specifici, questo wafer di diamante ha un diametro di 100 mm e un peso di 100 carati. la diamond foundry ora può coltivare wafer di diamante lunghi 4 pollici e larghi e spessi meno di 3 mm in un reattore. questi wafer possono essere utilizzati insieme a chip di silicio per condurre e rilasciare rapidamente il calore generato dai chip.

diamond foundry ha sviluppato una tecnologia che impianta diamanti in ogni chip. legando atomicamente direttamente il diamante, i chip semiconduttori sono legati ai substrati dei wafer di diamante per eliminare i colli di bottiglia termici che ne limitano le prestazioni.

confronto delle condizioni di calore

(fonte: fonderia di diamanti)

il vantaggio di questa soluzione è che consente al chip di funzionare almeno al doppio della velocità nominale. gli ingegneri della diamond foundry affermano che l'utilizzo di questo metodo su uno dei chip ai più potenti di nvidia può addirittura triplicare la sua velocità nominale in condizioni sperimentali.

la diamond foundry ha rivelato in precedenza che spera di introdurre wafer a diamante singolo dopo il 2023 e di posizionare un diamante dietro ogni chip; si prevede che introdurrà il diamante nei semiconduttori intorno al 2033;

advent diamond: tecnologia del diamante drogato con fosforo

anche advent diamond negli stati uniti è una start-up impegnata nella produzione di massa di materiali semiconduttori diamantati. nell'aprile di quest'anno, advent diamond ha annunciato progressi in questo settore.

una delle innovazioni principali di advent diamond è la capacità di coltivare diamante drogato con fosforo monocristallino su substrati preferiti, ed è l'unica azienda negli stati uniti con questa capacità. il drogaggio del fosforo è particolarmente significativo perché crea semiconduttori di tipo n nel diamante, un elemento chiave nello sviluppo di dispositivi elettronici. inoltre, advent diamond ha raggiunto una pietra miliare nella crescita di strati di diamante drogati con boro su vaste aree, espandendo le potenziali applicazioni dell'elettronica a base di diamante.

l'esperienza di advent diamond si estende oltre la crescita dei materiali per includere capacità complete di progettazione, produzione e caratterizzazione dei componenti. ciò include processi avanzati per camere bianche come incisione, fotolitografia e metallizzazione, nonché una suite completa di tecniche di caratterizzazione come microscopia, ellissometria e misurazioni elettriche. advent diamond ha affermato di aver utilizzato questa tecnologia di crescita all'avanguardia per sviluppare uno strato di diamante intrinseco con una concentrazione di impurità estremamente bassa, garantendo i più alti standard di qualità e prestazioni dei materiali diamantati di grado semiconduttore.

resta inteso che advent diamond attualmente dispone di wafer diamantati intarsiati da 1-2 pollici e sta lavorando duramente per espandere la dimensione del wafer a 4 pollici. tuttavia, la densità dei difetti rimane un problema critico, poiché la maggior parte dei wafer presenta circa 108 difetti/cm² o più, che devono essere ridotti a 103 difetti/cm² per ottenere le prestazioni previste.

azienda francese diamfab:

raggiungere wafer diamantati da 4 pollici nel 2025

inoltre, anche diamfab, una start-up di diamanti semiconduttori con sede in francia, lavora costantemente per la tecnologia dei chip di diamante.

diamfab è uno spin-off dell'institut néel, laboratorio del centro nazionale francese per la ricerca scientifica (cnrs), ed è il risultato di 30 anni di ricerca e sviluppo sulla crescita dei diamanti sintetici. il progetto diamfab è stato inizialmente incubato presso satt linksium nelle alpi di grenoble, azienda fondata nel marzo 2019 da gauthier chicot e khaled driche, due dottorandi in nanoelettronica e ricercatori riconosciuti nel campo dei diamanti semiconduttori.

diamfab ha affermato che per soddisfare le esigenze dei mercati dei semiconduttori e dei componenti di potenza nei settori automobilistico, delle energie rinnovabili e quantistico, la società ha sviluppato tecnologie innovative nel campo dell'epitassia e del drogaggio del diamante sintetico e detiene quattro brevetti in sottili strati di diamante, crescita e drogaggio e progettazione di componenti elettronici di diamante.

nel marzo di quest'anno la società ha annunciato di aver ricevuto un primo finanziamento di 8,7 milioni di euro. questo round di finanziamento consentirà a diamfab di creare una linea di produzione pilota, preindustrializzare la sua tecnologia e accelerarne lo sviluppo per soddisfare la crescente domanda di semiconduttori di diamante.

diamfab ha richiesto un brevetto per condensatori interamente in diamante e sta collaborando con aziende leader nel settore. gauthier chicot, ceo di diamfab, ha dichiarato: “tra gli altri parametri abbiamo raggiunto i nostri obiettivi: oltre 1000 a/cm²elevata densità di corrente e campo elettrico di rottura superiore a 7,7 mv/cm. si tratta di parametri chiave per le prestazioni future dei dispositivi e sono già superiori a quelli forniti dai materiali esistenti come il sic per i dispositivi elettronici di potenza. inoltre, abbiamo una chiara tabella di marcia per abilitare i wafer da 4 pollici entro il 2025 come fattore chiave per la produzione di massa. "

il giappone sviluppa pienamente l’industria dei chip di diamante

a giudicare dai risultati della ricerca annunciati, l’esplorazione industriale giapponese dei trucioli di diamante è più completa.

a partire dal 2022, il giappone ha prodotto wafer di diamante con purezza che può essere utilizzato in progetti di calcolo quantistico; all’inizio del 2023, un professore dell’università giapponese di saga e il produttore giapponese di componenti di precisione orbray hanno collaborato per sviluppare un semiconduttore di potenza fatto di diamante può funzionare a 1 cm² 875 megawatt di elettricità. tra i semiconduttori di diamante, il valore della potenza di uscita è il più alto al mondo; nell'agosto dello stesso anno, il gruppo di ricerca dell'università di chiba in giappone ha proposto una nuova tecnologia laser in grado di muoversi lungo il cristallo ottimale; diamanti tagliati senza sforzo.

metodo di taglio del gruppo di ricerca dell'università di chiba

un processo di taglio basato sul laser che taglia i diamanti in modo pulito senza danneggiarli. i ricercatori affermano che la nuova tecnologia previene la propagazione di crepe indesiderate durante il taglio laser concentrando brevi impulsi laser su un volume stretto e affusolato all'interno del materiale.

l’università di chiba ha affermato che la nuova tecnologia proposta potrebbe essere un passo fondamentale per trasformare i diamanti in “materiali semiconduttori adatti a tecnologie più efficienti in futuro”. il professor hidai ha affermato che il taglio dei diamanti con i laser "consente la produzione di wafer di alta qualità a basso costo" ed è essenziale per la produzione di dispositivi semiconduttori di diamante.

azienda americana akhan

akhan è specializzata nella produzione in laboratorio di materiali diamantati sintetici di grado elettronico già nell'agosto 2021, akhan ha annunciato lo sviluppo del primo wafer da 300 mm che combina il silicio cmos con un substrato di diamante, raggiungendo una pietra miliare.

intorno al 2013, akhan ha ottenuto una licenza esclusiva per l'applicazione di semiconduttori di diamante per l'innovativa tecnologia di deposizione di diamanti a bassa temperatura sviluppata dall'argonne national laboratory del dipartimento dell'energia degli stati uniti. questa tecnologia può depositare nanodiamanti su una varietà di materiali di substrato del wafer a temperature fino a 400 gradi celsius. la combinazione della tecnologia del diamante a bassa temperatura di argonne e del processo miraj diamond di akhan rompe la barriera nell'industria dei semiconduttori che limitava l'uso di pellicole di diamante al drogaggio di tipo p.

successivamente, akhan ha annunciato la sua piattaforma miraj diamond, che ha sviluppato un nuovo processo brevettato in cui i materiali diamantati di tipo n vengono creati su silicio con proprietà precedentemente non dimostrate.

come menzionato nel precedente articolo del semiconductor industry observer "diamond chips, coming soon for commercial use", adam khan, fondatore e ceo di akhan, ha fondato una nuova società, diamond quanta, nel gennaio di quest'anno per concentrarsi sul campo dei semiconduttori con il scopo di utilizzare le eccellenti proprietà del diamante fornire soluzioni avanzate per l'elettronica di potenza e dispositivi fotonici quantistici.

nel maggio di quest’anno, diamond quanta ha annunciato che il suo “quadro unificato dei diamanti” favorisce un vero e proprio doping sostitutivo. questa tecnologia innovativa integra perfettamente nuovi elementi nella struttura del diamante, conferendogli nuove proprietà senza danneggiarne l'integrità cristallina.

di conseguenza, il diamante è stato trasformato in un semiconduttore ad alte prestazioni in grado di supportare portatori di carica negativi (tipo n) e positivi (tipo p). questo livello di mobilità indica che il reticolo del diamante è molto pulito e ordinato e che i centri di scattering sono effettivamente passivati ​​a causa della riuscita implementazione di una strategia di co-doping che mitiga gli effetti dei difetti di trasporto dei portatori. inoltre, il processo di drogaggio affina la struttura esistente del diamante correggendo le dislocazioni, aumentando così la conduttività del materiale. questi progressi non solo preservano, ma migliorano anche la struttura del diamante, evitando insidie ​​​​comuni come una significativa distorsione del reticolo o l’introduzione di stati trappola che tipicamente riducono la mobilità.

"l'avvio di diamond quanta e lo sviluppo di questo processo di doping avanzato era necessario. industrie come quella elettronica, automobilistica, aerospaziale, energetica, ecc. sono alla ricerca di una tecnologia dei semiconduttori in grado di gestire le crescenti richieste determinate dalle richieste in continua evoluzione dei loro espansione tecnologica, pressione", ha detto adam khan. "la nostra tecnologia è molto più di un semplice materiale alternativo per le industrie che cercano di migliorare l'efficienza dei semiconduttori; stiamo introducendo un materiale completamente nuovo che ridefinirà gli standard di prestazioni, durata ed efficienza e supporterà perfettamente i carichi di lavoro sempre più pesanti dell'era moderna. un ruolo fondamentale nel fornire energia al carico”.

team coreano: ridurre i costi delle pellicole diamantate

nell'aprile di quest'anno, il team di scienza dei materiali del korea institute of basic science ha pubblicato un articolo sulla rivista nature, annunciando il successo della sintesi del diamante a pressione atmosferica standard e 1025°c. si prevede che questo metodo di preparazione creerà un modo economicamente vantaggioso per la produzione di pellicole diamantate.

rodney ruoff, il leader del gruppo di ricerca, ha affermato di aver notato alcuni anni fa che il diamante sintetico non richiede necessariamente condizioni estreme. l'esposizione del gallio liquido al gas metano può generare grafite, un allotropo del diamante. ciò ha ispirato ruoff a indagare sul gallio -contenente oro liquido. ricerca sul percorso di "decarburazione" dai gas contenenti carbonio per produrre diamanti. per coincidenza, il team di ruoff ha scoperto che quando il materiale elementare di silicio veniva introdotto nell'ambiente di reazione, apparivano minuscoli cristalli di diamante. sulla base di questo fenomeno, il team sperimentale ha migliorato il dispositivo di reazione, ha esposto la miscela contenente gallio liquido, ferro, nichel e silicio a un'atmosfera mista di metano e idrogeno e l'ha riscaldata a 1025°c. hanno ottenuto questo risultato con successo senza utilizzare l'alta pressione e vengono prodotti i semi di cristallo. attualmente, il team di ruoff ha preparato con successo pellicole di microdiamanti composte da migliaia di cristalli di diamante.

se in futuro questa tecnologia di sintesi a pressione normale potrà essere estesa con successo su scala più ampia, si aprirà la strada a un modo più economico e semplice per preparare pellicole di diamante, il che dovrebbe fornire un potente impulso allo sviluppo dei computer quantistici e dell’energia. semiconduttori.

non solo le aziende sopra citate stanno promuovendo l'industrializzazione dei chip “diamantati”. sono molte anche le aziende del settore che stanno investendo in questo.

a giudicare dalle varie tendenze, l'industria presta sempre più attenzione ai semiconduttori diamantati e si raccolgono costantemente risorse vantaggiose, il che accelera anche la velocità della ricerca, dello sviluppo e dell'industrializzazione. ciò significa l'inizio dell'era dei wafer "diamanti".

nel complesso, i semiconduttori di diamante hanno proprietà eccellenti che sono superiori ad altri materiali semiconduttori, come elevata conduttività termica, ampio bandgap, elevata mobilità dei portatori, elevato isolamento, trasmittanza ottica, stabilità chimica e resistenza alle radiazioni. attualmente, l’industria si sta muovendo sempre più verso i diamanti ed entra gradualmente in un periodo di trasformazione e di sviluppo multifunzionale dei diamanti.

in futuro, con il graduale sviluppo della tecnologia di deposizione di diamanti di grandi dimensioni, alta qualità, su larga scala e altamente flessibile, si prevede che lo sviluppo di circuiti integrati su larga scala e di circuiti integrati ad alta velocità entrerà in una nuova fase epoca.

scrivi alla fine

già cinquanta o sessanta anni fa la comunità scientifica diede inizio a una mania per la ricerca sui semiconduttori di diamante, ma fino ad oggi i dispositivi realizzati con semiconduttori di diamante non sono stati utilizzati su larga scala. alcuni ingegneri si sono lamentati del fatto che il diamante potrebbe essere sempre al limite dell’uso pratico dei semiconduttori.

è vero che il diamante presenta vantaggi significativi nel campo dei semiconduttori, ma la produzione e l’applicazione su larga scala di chip di diamante devono ancora affrontare molte sfide e limitazioni, come costi elevati, lavorazione difficile, doping e altre tecnologie immature e un ambito di applicazione limitato .

sebbene questo materiale abbia ancora molta strada da fare, ha mostrato vitalità e potenziale applicativo nella catena dei semiconduttori. riteniamo che con la promozione congiunta di tutte le parti, in futuro verranno ulteriormente sviluppati materiali diamantati con varie proprietà eccellenti, aiutando il campo dei materiali semiconduttori a compiere un passo fondamentale.

naturalmente, il ruolo ultimo dei nuovi materiali non è quello di battere a morte sulla spiaggia i materiali tradizionali rappresentati dal silicio, ma di fungere da complemento e svolgere pienamente un ruolo nei campi in cui sono bravi.