Investigación y aplicación de materiales semiconductores de diamante

Autores:
Wang Guangzu, Instituto de Investigación de Abrasivos y Rectificado de Zhengzhou.

1. Introducción

El diamante se ha aplicado ampliamente en diversos campos debido a sus extraordinarias propiedades físicas y químicas. Como semiconductor indirecto de banda prohibida, el diamante posee una banda prohibida de aproximadamente 5,2 eV, una conductividad térmica extremadamente alta de hasta 22 W/(cm-K) y movilidades de electrones y huecos a temperatura ambiente de 4.500 cm²/(V-s) y 3.380 cm²/(V-s), respectivamente, valores significativamente superiores a los de los materiales semiconductores de tercera generación, como el GaN y el SiC. Por consiguiente, el diamante presenta un gran potencial para aplicaciones en dispositivos electrónicos de alta temperatura yalta potencia, así como en dispositivos de microondas de alta frecuencia y alta potencia.

Además, el diamante presenta una energía de enlace excitónica de hasta 80 meV, lo que permite una fuerte emisión de excitones libres a temperatura ambiente, con una longitud de onda de emisión de aproximadamente 235 nm. Esto convierte al diamante en un candidato prometedor para la fabricación de diodos emisores de luz ultravioleta profunda de alta potencia (LED DUV). El diamante también desempeña un papel importante en el desarrollo de detectores de partículas de alta energía, ultravioleta extremo (EUV) y ultravioleta profundo (DUV).

Aunque el crecimiento de los materiales semiconductores de diamante y la fabricación de dispositivos relacionados siguen planteando importantes retos, es previsible que los materiales y dispositivos semiconductores basados en el diamante puedan impulsar importantes avances tecnológicos en un futuro próximo. Por tanto, el diamante encierra un enorme potencial en el campo de la fabricación de dispositivos semiconductores de potencia.

En la actualidad, la aplicación de semiconductores de diamante en nuevos materiales, dispositivos y tecnologías está experimentando un rápido desarrollo. En todo el mundo se están dedicando intensos esfuerzos de investigación a los semiconductores de diamante, y la innovación continua está ampliando sus perspectivas de aplicación en múltiples industrias. Para acelerar los avances en tecnologías clave como las obleas de diamante de alta calidad y gran superficie, investigadores y expertos industriales de múltiples disciplinas colaboran activamente. Existe la creencia generalizada de que, con el tiempo,los materiales de diamante energético saldrán del laboratorio y se comercializarán.

2. Tecnología de corte por láser para semiconductores de diamante

Tras años de investigación y desarrollo continuados, los semiconductores de diamante están avanzando gradualmente hacia las aplicaciones prácticas. Sin embargo, al tratarse de un material duro y quebradizo, el diamante sigue siendo extremadamente difícil de mecanizar. En la actualidad, los métodos de corte habituales son el corte por chorro de agua, el mecanizado por descarga eléctrica (EDM) y el corte por láser.

El corte por láser es una técnica de mecanizado de precisión capaz de procesar casi todos los materiales. Su principio consiste en enfocar un rayo láser de alta potencia sobre la pieza de trabajo, provocando la rápida fusión, vaporización, ablación o ignición del material irradiado. Simultáneamente, el material fundido es expulsado por un chorro de gas coaxial de alta velocidad, con lo que se consigue la separación del material.

A pesar del gran atractivo del diamante para la industria de los semiconductores, su aplicación se ha visto limitada por la falta de tecnologías de corte eficaces. En la actualidad, las obleas de diamante aún deben sintetizarse individualmente, lo que supone elevados costes de fabricación y limita su adopción industrial a gran escala.

Según la información publicada por la Universidad de Chiba (Japón), un equipo de investigación dirigido por el profesor Hirofumi Hidai, de la Escuela de Postgrado, ha logrado un gran avance en este campo. El equipo ha desarrollado una novedosa técnica de corte por láser que emplea irradiación láser pulsada para cortar diamante en láminas finas, allanando el camino para la próxima generación de materiales semiconductores. Esta técnica permite un corte preciso a lo largo de planos cristalográficos óptimos, produciendo obleas de diamante con superficies lisas.

Las propiedades de los materiales cristalinos, incluido el diamante, varían con la orientación cristalográfica. Un plano cristalino es un plano imaginario que contiene átomos dentro de la red cristalina. Aunque el diamante puede hendirse con relativa facilidad a lo largo de determinados planos, el corte suele inducir la propagación de grietas a lo largo de los planos de hendidura. Por ejemplo, el corte a lo largo del plano {111} es relativamente fácil, mientras que el corte a lo largo del plano {100} es mucho más difícil porque las grietas tienden a propagarse a lo largo de los planos de clivaje {111}, lo que provoca una pérdida de material.

Para suprimir la propagación de grietas, los investigadores desarrollaron una innovadora técnica de procesamiento del diamante. En lugar de cortar directamente la rejilla de la oblea, se enfocan rayos láser de pulso corto en una estrecha región cónica dentro del material. El profesor Hidai explicó que la irradiación láser focalizada transforma el diamante en carbono amorfo con una densidad inferior a la del diamante. Las líneas reticulares de baja densidad resultantes actúan como vías de fractura predefinidas dentro de la estructura del diamante.

Tras este tratamiento, las obleas de diamante con geometrías regulares pueden separarse fácilmente, proporcionando sustratos bien preparados para los procesos de fabricación posteriores. En conjunto, esta tecnología representa un paso decisivo hacia el establecimiento del diamante como material semiconductor de nueva generación. Como subrayó el profesor Hidai, la capacidad de fabricar obleas de diamante de alta calidad a bajo coste es indispensable para la fabricación de dispositivos semiconductores de diamante, y esta investigación acerca considerablemente ese objetivo.

3. Aplicaciones en la industria de los semiconductores de diamante

3.1 Dispositivos electrónicos de alta potencia

Como material semiconductor, el diamante presenta una elevada energía de fonones ópticos, las mayores movilidades de electrones y huecos conocidas y la mayor conductividad térmica de todos los semiconductores conocidos. Estas propiedades permiten al diamante satisfacer las futuras demandas de alta potencia, campos eléctricos intensos y resistencia a la radiación, lo que lo convierte en un material ideal para dispositivos semiconductores de potencia.

En los últimos años, los semiconductores de diamante han atraído una gran atención como candidatos para la próxima generación de dispositivos electrónicos de alta frecuencia y alta potencia. Aunque se ha demostrado el impresionante rendimiento de los dispositivos, la vida útil de los dispositivos de potencia basados en diamante sigue estando muy por debajo de las expectativas debido a las limitaciones técnicas actuales, lo que deja un margen sustancial para nuevas mejoras.

3.2 Detectores de partículas de alta energía y del ultravioleta profundo

Los semiconductores de diamante poseen una amplia banda prohibida de 5,47 eV. En el campo de la optoelectrónica del ultravioleta profundo, el diamante ofrece ventajas inherentes a los detectores que funcionan en condiciones extremas, debido a su amplia banda prohibida, su tolerancia a las altas temperaturas y su resistencia a la radiación.

Los detectores de diamante se caracterizan por su pequeño tamaño, su gran dureza a la radiación y su rápida velocidad de respuesta, lo que los hace especialmente ventajosos para la detección de la radiación nuclear. Sin embargo, la aplicación a gran escala de los detectores de diamante sigue estando limitada por la disponibilidad de materiales de diamante monocristalino de alta calidad, ya que el rendimiento de la detección es muy sensible a las impurezas y defectos internos.

3.3 Materiales de sustrato

Con el rápido avance de la tecnología electrónica, los materiales semiconductores siguen evolucionando, mientras que los circuitos integrados progresan hacia una mayor escala, una mayor densidad de integración y una mayor potencia de salida. Las estadísticas indican que más del 55% de los fallos de los dispositivos electrónicos se deben a temperaturas excesivas. Si el calor no se puede disipar eficazmente, el sobrecalentamiento localizado puede degradar el rendimiento o incluso llevar al dispositivo al agotamiento. En consecuencia, el desarrollo de tecnologías avanzadas de gestión térmica se ha convertido en un requisito urgente para garantizar la fiabilidad y estabilidad de los dispositivos.

El diamante, el material con la conductividad térmica más alta de la naturaleza, ha atraído una gran atención como material de sustrato capaz de lograr una disipación del calor casi perfecta en dispositivos de alta potencia. Ampliar el tamaño del cristal de los sustratos de diamante CVD y lograr un crecimiento a alta velocidad del diamante monocristalino son requisitos previos para producir materiales semiconductores de diamante de gran superficie y alta calidad.

En la actualidad, se utilizan tres métodos principales para preparar diamantes monocristalinos de gran superficie mediante MPCVD: el método decrecimientorepetido, el método de crecimiento tridimensional y el método de crecimiento en mosaico.

Método de crecimiento repetido:
Durante el crecimiento, la muestra se retira periódicamente para pulir y limpiar la superficie de crecimiento, tras lo cual se reanuda el crecimiento. Este ciclo se repite varias veces para conseguir un mayor grosor del diamante. El pulido de la superficie elimina el amontonamiento de escalones y las regiones policristalinas, lo que garantiza la calidad del crecimiento posterior. Aunque este método permite un crecimiento vertical sustancial, ofrece una expansión lateral limitada y, por tanto, es ineficaz para ampliar significativamente el área cristalina.

Método de crecimiento tridimensional:
Este método combina el crecimiento repetido. En primer lugar, el diamante se cultiva hasta un determinado grosor en la superficie (100), se pule y, a continuación, se procede al crecimiento en la superficie (010). Este proceso se repite para obtener cristales únicos de gran superficie. Sin embargo, las frecuentes interrupciones tienden a degradar la calidad del cristal, y la repetición del crecimiento y el tratamiento de la superficie dan lugar a una baja eficiencia y un alto coste.

Método de crecimiento en mosaico:
En este método, se colocan en mosaico varios sustratos de diamante cuadrados de tamaño, grosor y orientación cristalográfica idénticos, y a continuación se produce el crecimiento epitaxial de un cristal único de gran superficie. El requisito clave es la alineación precisa de las orientaciones cristalinas; incluso pequeñas desviaciones pueden afectar gravemente a la calidad epitaxial. En comparación con los otros dos métodos, el crecimiento en mosaico ofrece claras ventajas en la producción de diamante monocristalino de gran superficie con una calidad relativamente alta (excepto en las interfaces). Sin embargo, sigue siendo difícil conseguir una correspondencia perfecta entre los distintos sustratos, y pueden producirse defectos o grietas en las uniones.

3. Mokuno y sus colaboradores emplearon semillas de diamante monocristalino de 10 mm × 10 men combinación con técnicas de MPCVD y lift-off por implantación iónica, cultivando repetidamente diamante en diferentes facetas. Produjeron con éxito un diamantemonocristalinode 12 × 13 × 3,7 mm³ y 4,65 cts, que superaba con creces el tamaño máximo alcanzable con los métodos HPHT comerciales de la época. Sin embargo, debido a las complejas condiciones de procesamiento, el crecimiento tridimensional no se considera una ruta óptima para la producción de grandes monocristales.

Por el contrario, el método de mosaico proporciona una vía más rápida y práctica para obtener monocristales de gran tamaño (como se muestra en las Figuras 1 y 2). Hideaki Yamada et al. sintetizaron con éxito múltiples placas de diamante monocristalinas de media pulgada mediante técnicas de despegue por implantación iónica, con propiedades cristalinas idénticas a las de los cristales semilla. Se seleccionaron placas de alta calidad y se colocaron en un sustrato de mosaico, seguido de crecimiento epitaxial y repetidos procesos de elevación y deposición, hasta obtener obleas de diamante monocristalino de gran superficie.

Aunque el tamaño actual de las obleas sigue siendo inferior a los requisitos de las aplicaciones de los semiconductores de diamante -generalmente se considera que debe ser de al menos dos pulgadas-, el método de mosaico ofrece una solución eficaz para el crecimiento de monocristales de gran superficie. Con la continua optimización del proceso, se espera que los problemas de calidad superficial derivados de las interfaces de mosaico se resuelvan gradualmente.

Figura 1: Esquema del proceso de crecimiento tridimensional

Figura 2: Esquema del proceso de crecimiento en mosaico del diamante monocristalino de gran superficie

En la actualidad, el elevado coste de producción del diamante monocristalino sigue limitando su adopción en el mercado. Reducir el coste de producción es esencial para ampliar el valor de mercado del diamante, y la única vía viable es mejorar la eficiencia mediante la producción por lotes. Desde que Asmussen et al. demostraron con éxito el crecimiento simultáneo de casi 100 semillas de diamante mediante MPCVD a 915 MHz, el crecimiento de múltiples semillas a gran escala se ha convertido en uno de los principales focos de investigación. El crecimiento de múltiples obleas se considera ahora una dirección clave para mejorar la eficiencia de la producción.

4. Perspectivas prometedoras para las aplicaciones de semiconductores de diamante

Con la rápida expansión de la industria de semiconductores, aumenta la demanda de materiales de alto rendimiento. Los dispositivos semiconductores de diamante ofrecen propiedades físicas excepcionales, como una alta conductividad térmica, una elevada intensidad del campo eléctrico de ruptura y una alta movilidad de los portadores. Estas ventajas reducen significativamente la pérdida de energía, permiten una rápida disipación del calor y prolongan la vida útil del dispositivo. En concreto, los dispositivos de diamante pueden soportar una potencia de salida 50.000 veces superior y una frecuencia de funcionamiento 1.200 veces superior a la de los dispositivos de silicio, lo que pone de manifiesto su enorme potencial en aplicaciones de semiconductores de potencia.

En la actualidad, los semiconductores de diamante están experimentando un rápido desarrollo en nuevos materiales, dispositivos y tecnologías. Los esfuerzos mundiales de investigación siguen intensificándose, y la innovación en curso está abriendo mayores oportunidades de aplicación en todos los sectores. Para avanzar en tecnologías clave como las obleas de diamante de gran superficie y alta calidad, se está acelerando la colaboración interdisciplinar entre investigadores y expertos de la industria. Se espera que los materiales de diamante potentes pasen pronto de la investigación de laboratorio a las aplicaciones comerciales.

Los semiconductores de diamante no sólo ofrecen una alta velocidad de cálculo, sino también una excepcional resistencia a las altas temperaturas. Las obleas de silicio suelen tolerar temperaturas inferiores a 300 °C y las de arseniuro de galio inferiores a 400 °C, mientras que el diamante puede soportar temperaturas cercanas a 700 °C sin degradarse. Además, el diamante presenta la mayor conductividad térmica de todos los materiales, con velocidades de transferencia de calor aproximadamente 30 veces superiores a las del silicio. Como resultado, los dispositivos semiconductores de diamante de alta potencia pueden funcionar sin sistemas de refrigeración adicionales, lo que convierte al diamante en un material ideal para los circuitos integrados.

El desarrollo a gran escala de semiconductores de diamante puede depender de que la tecnología del silicio se acerque a sus límites físicos. Una vez que las tecnologías basadas en el silicio encuentren cuellos de botella intrínsecos, el rendimiento superior de los semiconductores de diamante obtendrá un reconocimiento generalizado y acelerará su comercialización. En ese momento, el diamante podría dominar el mercado de los semiconductores, dando paso a una nueva "Era del Diamante".

Aunque los semiconductores de diamante aún se enfrentan a numerosos retos, sus perspectivas a largo plazo siguen siendo muy prometedoras. La evolución de los materiales semiconductores comenzó con el germanio, pasó al silicio y puede que a continuación la encabece el carburo de silicio. El SiC comparte una estructura similar con el diamante, pero contiene átomos de silicio, lo que representa "medio diamante". Es probable que sirva de material de transición entre la era del silicio y la de los semiconductores de diamante.

En última instancia, se espera que el diamante se convierta en el principal material semiconductor del futuro. La trayectoria histórica de los materiales semiconductores sigue el Grupo IV de la tabla periódica: del germanio al silicio, al carburo de silicio y, finalmente, al carbono en forma de diamante. Más allá del carbono, no existe ningún elemento superior dentro de este grupo. Una vez que el diamante se convierta en dominante, el sistema de materiales semiconductores podrá alcanzar una estabilidad a largo plazo. Si al final ningún material puede sustituir al diamante, la frase "El diamante es para siempre " puede resultar algo más que una metáfora.