Fortschritte bei der mikrowellenplasmagestützten chemischen Gasphasenabscheidung für die Herstellung großformatiger Diamant-Einkristalle

Einführung in Diamant als Halbleitermaterial

Bedeutung von großformatigen einkristallinen Diamanten

Großformatige einkristalline Diamanten bergen ein immenses Potenzial für die Revolutionierung der nächsten Generation von Leistungselektronik und optoelektronischen Geräten. Diese Materialien bieten außergewöhnliche Eigenschaften wie eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine breite Bandlücke und eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit, was sie ideal für Anwendungen macht, die eine hohe Effizienz und Zuverlässigkeit erfordern. Die Herstellung hochwertiger, großflächiger einkristalliner Diamantsubstrate stellt jedoch nach wie vor eine große Herausforderung dar.

Die Nachfrage nach größeren Diamantsubstraten wird durch den Bedarf an höherer Leistung und Integrationsdichte in elektronischen Geräten angetrieben. Trotz Fortschritten bei Techniken wie der plasmachemischen Abscheidung aus der Gasphase (Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition, MPCVD) ist das Erreichen eines gleichmäßigen Wachstums über große Flächen mit minimalen Defekten immer noch ein Forschungsgebiet. Zu den Haupthindernissen gehören die Kontrolle der Versetzungsdichte, die Beherrschung der thermischen Spannungen und die Sicherstellung der Homogenität auf dem Substrat.

Darüber hinaus ist die Skalierbarkeit dieser Verfahren für industrielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Die derzeitigen Methoden, wie das Wachstum von Einzeldiamanten und das Spleißwachstum, sind zwar vielversprechend, stoßen aber bei der Herstellung von Diamanten im Zollmaßstab mit der erforderlichen Qualität an ihre Grenzen. Heterogenes epitaktisches Wachstum ist zwar einfacher zu skalieren, führt aber aufgrund von Gitter- und thermischen Fehlanpassungen an das Substrat zu höheren Versetzungsdichten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass großformatige einkristalline Diamanten zwar verschiedene Industriezweige verändern werden, dass jedoch erhebliche technologische Fortschritte erforderlich sind, um die derzeitigen Einschränkungen bei ihrer Herstellung zu überwinden.

Technische Lösungen für die Herstellung großformatiger Diamanten

Züchtung von Einzeldiamanten

Einkristalline Diamantzüchtungsverfahren sind dafür bekannt, dass sie qualitativ hochwertige Kristalle mit einer geringen Versetzungsdichte erzeugen. Diese Verfahren stoßen jedoch auf erhebliche Hindernisse, wenn es darum geht, Diamanten in Zollabmessungen herzustellen. Der komplizierte Prozess erfordert eine genaue Kontrolle von Faktoren wie Temperatur, Druck und das Vorhandensein von Verunreinigungen wie Stickstoff.

Die ersten synthetischen Diamanten in Edelsteinqualität wurden in den frühen 1970er Jahren hergestellt, wobei zunächst Steine mit einer Größe von etwa 5 mm produziert wurden. Bei diesen ersten Erfolgen wurde eine Pyrophyllit-Röhre mit Diamantfragmenten geimpft, und der Wachstumsprozess wurde sorgfältig kontrolliert, um die für eine hochwertige Kristallbildung erforderliche Stabilität zu gewährleisten. Im Laufe der Zeit wurden Fortschritte erzielt, wie z. B. der Ersatz von Graphit durch Diamantsplitter zur Verbesserung der Formkontrolle, aber die grundlegenden Herausforderungen bleiben bestehen.

Eines der Hauptprobleme ist der Zielkonflikt zwischen Wachstumsrate und Kristallqualität. Die Zugabe von Stickstoff kann zwar den Wachstumsprozess beschleunigen, führt aber zu Verunreinigungen, die die Reinheit des Diamanten beeinträchtigen, insbesondere bei Anwendungen, die Materialien in elektronischer Qualität erfordern. Umgekehrt können niedrigere Wachstumstemperaturen und ein geringerer Methangehalt die Kristallqualität verbessern, indem Versetzungen minimiert und die Oberflächeneigenschaften verbessert werden, aber diese Parameter verringern die Wachstumsrate erheblich.

Trotz dieser Fortschritte bleibt es eine ständige Herausforderung, das ideale Gleichgewicht zwischen hoher Wachstumsrate, geringer Versetzungsdichte und einer ebenen Oberfläche zu erreichen. Das Streben nach Diamanten im Inch-Maßstab treibt die Forschung und Entwicklung weiter voran, wobei sich die laufenden Bemühungen auf die Optimierung dieser Parameter konzentrieren, um das volle Potenzial von Einzel-Diamanten-Züchtungstechniken zu erschließen.

Spleiß-Wachstumsverfahren

Die Spleißtechnik stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Herstellung großer Diamanten dar und ermöglicht die schnelle Herstellung großer Kristalle. Diese Methode ist jedoch nicht unproblematisch, insbesondere im Hinblick auf die Bildung von Versetzungen und den Aufbau von Spannungen an den Spleißstellen.

Versetzungen, d. h. Liniendefekte in der Kristallstruktur, treten häufig an den Grenzflächen auf, an denen verschiedene Diamantsegmente miteinander verbunden werden. Diese Defekte können die mechanischen und elektronischen Eigenschaften des Diamanten stark beeinträchtigen, was seine Einsatzmöglichkeiten in Hochleistungsgeräten einschränkt. Außerdem können die an diesen Verbindungsstellen entstehenden Spannungen zur Bildung von Rissen oder anderen strukturellen Anomalien führen, was die Qualität des Diamanten weiter verschlechtert.

Um diese Probleme zu entschärfen, erforschen die Forscher verschiedene Strategien, wie z. B. die Optimierung der Ausrichtungs- und Bindungsprozesse beim Spleißen. Außerdem werden fortschrittliche Charakterisierungstechniken wie hochauflösende Mikroskopie und Röntgenbeugung eingesetzt, um die strukturelle Integrität des Diamanten an den Spleißstellen zu überwachen und zu analysieren. Diese Bemühungen zielen darauf ab, die Gesamtqualität und Zuverlässigkeit von großformatigen Diamanten zu verbessern, die durch das Spleißverfahren hergestellt werden, und ebnen den Weg für eine breitere Anwendung in modernen Halbleiteranwendungen.

Heterogenes epitaktisches Wachstum

Das heterogene epitaktische Wachstum von Diamant bietet einen vielversprechenden Weg zur Herstellung großformatiger Diamant-Wafer und weist Parallelen zu den Fortschritten bei anderen Halbleitern auf. Bei dieser Technik werden Diamantschichten auf unterschiedlichen Substraten abgeschieden, was ein Schwerpunkt früherer Forschungsbemühungen gewesen ist. Im Jahr 1996 gelang es Ohtsuka et al., eine heteroepitaktische Diamantschicht auf einem Ir(001)/MgO(001)-Substrat abzuscheiden, was einen wichtigen Meilenstein darstellte. Seitdem hat sich die Technologie weiterentwickelt, wobei einkristalline Iridiumschichten auf verschiedenen Oxiden wie Al₂O₃, SrTiO₃ und MgO gewachsen sind.

Die Haftung von Diamant/Ir-Schichten auf diesen Substraten stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da die Wärmeausdehnungskoeffizienten stark voneinander abweichen. Bauer und Kollegen berechneten 2005 die thermischen Spannungen, die durch die Abkühlung nach der Abscheidung bei 700 °C entstehen, und ermittelten Druckspannungswerte von -4,05 GPa auf Al₂O₃, -6,44 GPa auf SrTiO₃ und -8,3 GPa auf MgO. Im Gegensatz dazu wies Silizium mit -0,68 GPa die geringste Spannung auf. Darüber hinaus haben sich Yttriumoxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid-Filme (YSZ) als optimale Schicht für die Abscheidung von einkristallinen (100) orientierten Ir-Pufferschichten erwiesen, was zu einer vielversprechenden heteroepitaktischen Filmkombination führt: Silizium/YSZ/Ir/Diamant.

Trotz dieser Fortschritte führen die inhärenten Gitter- und thermischen Fehlanpassungen an das Substrat zu einer höheren Versetzungsdichte, die weiterhin ein kritisches Problem darstellt. Diese Versetzungsdichte ist eine Folge der beträchtlichen Unterschiede in den Gitterkonstanten und Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Diamant und den Substratmaterialien. Heterogenes epitaktisches Wachstum erleichtert zwar die Herstellung großformatiger Diamanten, erfordert aber auch kontinuierliche Forschung, um diese strukturellen Defekte zu mildern und die Qualität der entstehenden Diamantschichten zu verbessern.

Highlights aus Forschung und Entwicklung

Laterales epitaktisches Überwachsen (LEO)

Lateral Epitaxial Overgrowth (LEO) ist eine bahnbrechende Technik auf dem Gebiet der einkristallinen Diamantsynthese, die insbesondere darauf abzielt, die mit dem Wachstum großer Diamanten verbundenen Einschränkungen zu überwinden. Bei dieser Methode, die von Forschern der Shandong-Universität demonstriert wurde, werden mehrere Impfkristalle strategisch zu einem zusammenhängenden Ganzen verbunden. Auf diese Weise erleichtert LEO nicht nur die Schaffung größerer Diamantstrukturen, sondern verringert auch die Versetzungsdichte und die Spannungskonzentrationen, die typischerweise an den Verbindungsstellen der gespleißten Kristalle auftreten.

Die Innovation hinter LEO liegt in der Fähigkeit, die inhärenten Eigenschaften von Diamantkristallen zu nutzen, um seitlich zu wachsen und so die Gesamtgröße des Kristalls zu vergrößern, ohne dass eine zusätzliche Impfung erforderlich ist. Dieser Ansatz ist besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit der chemischen Gasphasenabscheidung mittels Mikrowellenplasma (MPCVD), wo die kontrollierte Umgebung eine präzise Steuerung der Wachstumsparameter ermöglicht. Das Ergebnis ist ein gleichmäßigerer und strukturell robusterer Diamant, der für Anwendungen in der Leistungselektronik und Optoelektronik der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung ist.

Darüber hinaus ist das Potenzial von LEO, die Versetzungsdichte erheblich zu reduzieren, ein Beweis für die Wirksamkeit des Verfahrens bei der Bewältigung einer der größten Herausforderungen bei der Diamantsynthese. Diese Reduzierung der Versetzungen erhöht nicht nur die mechanische Integrität des Diamanten, sondern verbessert auch seine optischen und elektrischen Eigenschaften, was ihn zu einem überlegenen Material für die Herstellung von Hochleistungsgeräten macht.

LEO stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Herstellung von großformatigen, qualitativ hochwertigen einkristallinen Diamanten dar und bietet eine vielversprechende Lösung für die komplizierten Herausforderungen der Diamantenzüchtung und positioniert sich als Eckpfeiler für die Zukunft der Halbleitermaterialien.

Heterogene epitaktische Züchtung - Errungenschaften

Das SCHRECK-Team an der Universität Augsburg hat auf dem Gebiet des heterogenen epitaktischen Wachstums bedeutende Fortschritte erzielt, insbesondere im Bereich der Präparation großformatiger einkristalliner Diamanten. Ihr bisher bemerkenswertester Erfolg ist die erfolgreiche Züchtung eines Diamanten mit einem Durchmesser von 92 mm, eine Leistung, die das Potenzial dieser Technik zur Herstellung großer Diamantkristalle unterstreicht. Diese Leistung ist nicht nur eine Demonstration technischen Könnens, sondern auch ein Beweis für die Skalierbarkeit heterogener epitaktischer Wachstumsmethoden.

Die Züchtung eines so großen Diamantkristalls ist besonders bemerkenswert, wenn man bedenkt, welche Herausforderungen mit dem heterogenen epitaktischen Wachstum verbunden sind, vor allem die höhere Versetzungsdichte aufgrund von Gitter- und thermischen Fehlanpassungen an das Substrat. Der Erfolg des SCHRECK-Teams deutet darauf hin, dass diese Herausforderungen durch eine sorgfältige Optimierung der Wachstumsparameter und der Substratauswahl entschärft werden können, wodurch der Weg für die Herstellung noch größerer und hochwertigerer Diamanten geebnet wird.

Darüber hinaus hat dieser Fortschritt weitreichende Auswirkungen auf die Halbleiterindustrie, in der großformatige einkristalline Diamanten aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften in der Leistungs- und Optoelektronik sehr gefragt sind. Die Fähigkeit, solche Diamanten durchgängig zu produzieren, könnte die Herstellung von Geräten der nächsten Generation revolutionieren und eine höhere Leistung und Zuverlässigkeit bieten.

Herausforderungen und Zukunftsaussichten

Verringerung der Versetzungsdichte

Die Verringerung der Versetzungsdichte ist von entscheidender Bedeutung für die Herstellung hochwertiger, großformatiger einkristalliner Diamanten, die für moderne Halbleiteranwendungen unerlässlich sind. Zwei Methoden haben sich dabei als Schlüsselstrategien herauskristallisiert: laterales epitaktisches Wachstum und Versetzungsvernichtung.

Laterales epitaktisches Wachstum (LEO)

Lateral epitaxial overgrowth (LEO) ist ein hochentwickelter Ansatz, bei dem Diamantschichten über bereits vorhandenen Impfkristallen wachsen. Diese von Forschern der Universität Shandong entwickelte Technik ermöglicht die Überbrückung mehrerer Impfkristalle zu einem zusammenhängenden Ganzen. Durch die gezielte Steuerung der Wachstumsbedingungen kann LEO die Versetzungsdichte erheblich reduzieren, indem es die Bildung eines durchgehenden Kristallgitters über größere Flächen ermöglicht. Diese Methode ist besonders wirksam bei der Abschwächung der Auswirkungen von Gitterfehlanpassungen und thermischen Spannungen, die bei Diamantwachstumsprozessen häufig vorkommen.

Techniken der Versetzungsauslöschung

Versetzungsvernichtungstechniken konzentrieren sich auf die Beseitigung von Versetzungen, d. h. von linearen Defekten im Kristallgitter, die die Eigenschaften des Materials beeinträchtigen können. Bei diesen Techniken wird häufig eine äußere Spannung oder Wärme angewendet, um die Bewegung und anschließende Vernichtung von Versetzungen zu bewirken. So kann z. B. die Anwendung eines Hochtemperatur-Glühverfahrens die Wanderung von Versetzungen an die Oberfläche des Kristalls erleichtern, wo sie beseitigt werden können. Darüber hinaus können durch selektives epitaktisches Wachstum Bereiche des Kristalls mit weniger Versetzungen geschaffen werden, was die Gesamtqualität des Diamanten weiter verbessert.

Sowohl das laterale epitaktische Wachstum als auch die Techniken zur Auslöschung von Versetzungen bieten vielversprechende Möglichkeiten zur Überwindung der mit der Versetzungsdichte verbundenen Herausforderungen bei der Herstellung großformatiger einkristalliner Diamanten. Es wird erwartet, dass diese Methoden bei der Entwicklung der nächsten Generation von Halbleitermaterialien eine entscheidende Rolle spielen werden.

Kontrolle von Verunreinigungen

Die Kontrolle von Verunreinigungen wie Stickstoff und Silizium ist ein entscheidender Aspekt bei der Herstellung hochwertiger, großformatiger einkristalliner Diamanten. Die Industrie hat eine kontraintuitive Methode zur Verringerung dieser Verunreinigungen vorgeschlagen: die Zugabe von Sauerstoff zur Wachstumsumgebung. Obwohl dieser Ansatz weit verbreitet ist, sind die zugrunde liegenden Mechanismen noch nicht vollständig geklärt.

Studien deuten darauf hin, dass Sauerstoff mit Stickstoff und Silizium interagiert und flüchtige Verbindungen bildet, die leicht aus der Abscheidungskammer entfernt werden können. Dieser Prozess verringert nicht nur die Konzentration dieser Verunreinigungen im wachsenden Diamant, sondern verbessert auch die Gesamtqualität des Kristalls. Die genauen chemischen Reaktionen und kinetischen Prozesse, die dabei ablaufen, sind jedoch noch Gegenstand laufender Forschungen.

Weitere Forschungsarbeiten sind erforderlich, um die genauen Mechanismen aufzuklären und die Bedingungen für die Sauerstoffzugabe zu optimieren. Das Verständnis dieser Prozesse könnte zu wirksameren Strategien zur Kontrolle von Verunreinigungen führen und letztlich zur Herstellung größerer, hochwertigerer einkristalliner Diamanten beitragen.

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