Hacia una tecnología avanzada

Zhengzhou Abrasive Materials and Tools Cutting-edge Research Institute, Wang Guangzu, Central China Diamond Tool Manufacturing Co., Ltd., Wang Yun, Henan Iger Abrasive Materials Co., Ltd., Qin Yu / Artículo

El diamante es un material con excelentes propiedades físicas, químicas y mecánicas. En las últimas décadas, la altísima dureza del diamante y su excelente resistencia al desgaste han sido bien utilizadas en materiales, abrasivos, componentes de automoción y otras formas en los campos de la maquinaria, el petróleo, las herramientas de corte, la industria aeroespacial y el procesamiento de semiconductores, desempeñando un papel sustitutivo. De hecho, el diamante también presenta propiedades extraordinarias en ámbitos como la electrónica, la óptica, la termodinámica y la acústica, pero estos logros aún no se han desarrollado de forma efectiva.

1. La batería de diamante que puede generar energía durante miles de años

El prototipo de la pila nuclear de diamante se remonta a las investigaciones del físico británico Henry Moseley en 1913, quien demostró en un experimento la generación de corriente inducida por radiación. En las décadas de 1950 y 1960, la industria aeroespacial se planteó aplicar las investigaciones de Moseley a las naves espaciales para suministrar energía a largo plazo. Al mismo tiempo, las empresas también investigaban baterías de detección nuclear y receptores inalámbricos para otros campos.

Sin embargo, estas baterías nucleares seguían presentando ciertos problemas de seguridad y conductividad. En este sentido, la aparición de los diamantes sintéticos ofrece una solución prometedora. El diamante es el material más duro que se conoce y puede disponerse o apoyarse en semiconductores mediante equipos especiales. La energía del núcleo de la pila se sustituye por la desintegración β del material nuclear.

La desintegración β es el proceso por el que un átomo nuclear (compuesto de protones y neutrones) libera partículas sobrantes para alcanzar una proporción estable de protones y neutrones, al tiempo que emite muchas partículas β (electrones o positrones de alta energía). Cuando estas partículas β excitan los materiales semiconductores, generan corriente eléctrica, que se convierte en energía eléctrica. Sin embargo, como las partículas β se emiten desde varias direcciones, sólo una pequeña parte de ellas choca con el semiconductor, lo que reduce la cantidad de electricidad generada y la eficiencia.

La batería de diamante utiliza la tecnología de deposición química de vapor (CVD), muy utilizada en la producción de diamantes sintéticos. Los investigadores ajustan el proceso CVD y añaden un diluyente que contiene el isótopo carbono-14 para generar diamantes diluidos. El combustible de resonancia nuclear que contienen, bajo radiación β, puede proporcionar una pila recargable de larga duración.

"Se eligió el carbono-14 como materia prima porque emite radiación de corto alcance, que es rápidamente absorbida por cualquier material sólido", explicó el profesor Neil Fox. El equipo de Bristol declaró que su pila de diamante (que contiene 1 gramo de carbono-14) genera poca energía, sólo unos pocos microwatios, mucho menos que una pila AA típica (tamaño 5). Por ello, sus aplicaciones actuales se limitan a dispositivos pequeños de bajo consumo, como sensores y marcapasos, y aún no es apta para ordenadores portátiles o teléfonos inteligentes.

Cabe destacar que la empresa británica Arkenlight se dispone a sacar al mercado esta pila de diamante. Se espera que el primer producto de microbatería de la empresa salga al mercado en la segunda mitad de 2023 (Tencent News).

2. Tecnología de refrigeración de sustratos de diamante y carburo de silicio

Esta tecnología puede refrigerar eficazmente los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) de GaN de alta potencia, lo que permite que los amplificadores de potencia funcionen de forma estable a altos niveles de potencia. Los amplificadores de potencia GaN-HEMT de alta frecuencia se han aplicado en campos de radio de largo alcance como el radar y las radiocomunicaciones, y se espera que se utilicen en radares meteorológicos para observar lluvias torrenciales locales o en el próximo protocolo de comunicaciones móviles de ondas milimétricas 5G. Para los sistemas de radar o de radiocomunicación que utilizan frecuencias de microondas a ondas milimétricas, el aumento de la potencia de salida de los amplificadores de potencia GaN-HEMT utilizados para la transmisión ampliará la distancia de propagación de las ondas de radio, lo que permitirá al radar cubrir un mayor rango de observación y lograr distancias más largas y una mayor capacidad de comunicación.

Aunque los sustratos de carburo de silicio (SiC) tienen una conductividad térmica relativamente alta, para los dispositivos con una potencia de salida cada vez mayor se necesitan sustratos con mejor conductividad térmica para transferir eficazmente el calor del dispositivo a la estructura de refrigeración. El diamante monocristalino, que tiene una excelente conductividad térmica -casi cinco veces la de los sustratos de SiC-, se considera un material eficaz para disipar el calor.

Para unir el diamante monocristalino a los dispositivos como material de refrigeración, el proceso de producción normal suele utilizar un haz de argón (Ar) para eliminar las impurezas. Sin embargo, este proceso puede formar una capa dañada de baja densidad en la superficie y debilitar la unión que puede formar el diamante monocristalino. Además, cuando se utilizan películas aislantes como el SiN para la unión, la resistencia térmica del SiN puede reducir la conductividad térmica.

Para evitar que el haz de argón forme una capa dañada en la superficie del diamante, Fujitsu desarrolló una tecnología que protege la superficie con una película metálica extremadamente fina antes de exponerla al haz de argón. Para garantizar una superficie plana (para una buena adhesión a temperatura ambiente), el grosor de la película metálica debe limitarse a 10 nanómetros o menos. Se ha demostrado que esta tecnología evita la formación de una capa dañada en la superficie del diamante tras la exposición al haz de argón, aumentando así la resistencia de la unión y permitiendo que el diamante monocristalino se una a sustratos de SiC a temperatura ambiente.

Como resultado, esta tecnología puede utilizarse para producir amplificadores de potencia GaN-HEMT con mayor potencia de salida. Si se aplican a sistemas como los radares meteorológicos, se espera que los amplificadores de potencia GaN-HEMT utilizados para transmisores aumenten el alcance observable del radar en 1,5 veces, lo que permitiría detectar más rápidamente los cúmulos de nubes que podrían provocar lluvias torrenciales repentinas, mejorando así la prevención de catástrofes (Zhongzi Network).

3. Pasta térmica de nanodiamantes que duplica la conductividad térmica

La pasta térmica es crucial como relleno entre una CPU y un disipador. La conductividad térmica de las pastas térmicas habituales ronda los 10 W/m-K. Inex ha lanzado una pasta térmica de nanodiamante con una conductividad térmica de hasta 17 W/m-K, lo que duplica el rendimiento térmico. El modelo de esta pasta térmica es JP-DX2, que afirma utilizar materiales térmicos de diamante de alta calidad fabricados con nanotecnología, formando una fina estructura molecular que proporciona una excelente conductividad térmica.

¿Qué significa esto? Las pastas térmicas más comunes tienen una conductividad térmica inferior a 10 W/m-K, y algunas de alta calidad alcanzan alrededor de 10-13 W/m-K. Por supuesto, la mejor conductividad térmica sigue siendo la del metal líquido, que supera fácilmente los 70 W/m-K, y algunas superan los 100 W/m-K, lo que equivale a entre 5 y 10 veces la de las pastas térmicas normales.

Además de duplicar su conductividad térmica, la pasta térmica JP-DX2 también tiene una excelente estabilidad química, no es corrosiva, es antioxidante, no es tóxica y no se volatiliza fácilmente. Puede almacenarse hasta 3 años antes de su uso y puede utilizarse hasta 4 años una vez aplicada. Su rango de temperatura de funcionamiento es muy amplio, de -150°C a 350°C, con un rango de temperatura recomendado de -140°C a 340°C, que supera con creces el rango de temperatura necesario para la refrigeración de la CPU (tecnología rápida).

4. Transistor de efecto de campo de diamante con canal conductor de tipo N

El equipo NIMS de Estados Unidos ha desarrollado el primer transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET) del mundo accionado por un canal de tipo n de diamante. Este logro es de gran importancia para el desarrollo de circuitos integrados de semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS), representados por los dispositivos electrónicos IC estándar, que integran múltiples dispositivos en un único sustrato semiconductor. También supone un importante paso adelante en la aplicación del diamante a la electrónica de potencia.

Los semiconductores de diamante tienen propiedades materiales como una banda prohibida ultraancha (5,45 eV), alta intensidad de campo de ruptura (10 MV/cm), alta velocidad de deriva de saturación de portadores y alta conductividad térmica (22 W/cm-K), junto con excelentes factores de calidad de los dispositivos. El uso de un sustrato de diamante permite desarrollar dispositivos electrónicos de alta temperatura, alta frecuencia, alta potencia y resistentes a la radiación, superando obstáculos técnicos como los efectos de autocalentamiento y la ruptura por avalancha. En campos como las comunicaciones 5G/6G, los circuitos integrados de microondas/ondas milimétricas, la detección y los sensores, el desarrollo de semiconductores de diamante desempeña un papel crucial, especialmente en entornos extremos como las altas temperaturas y la alta radiación (por ejemplo, cerca de los núcleos de los reactores), donde ofrecen un rendimiento y una fiabilidad extraordinarios. Por ello, los semiconductores de diamante son reconocidos como el nuevo material semiconductor más prometedor y aclamados como el "material semiconductor definitivo".

En los últimos años, con el avance de la tecnología de crecimiento del diamante, la electrónica de potencia, la espintrónica y los sensores de sistemas microelectromecánicos (MEMS) que pueden funcionar a altas temperaturas y en condiciones de fuerte radiación, ha aumentado la demanda de integración monolítica de circuitos periféricos basados en dispositivos CMOS de diamante. Para aprovechar al máximo las excelentes propiedades del diamante y lograr la integración de sistemas de control con una extraordinaria estabilidad ambiental, se espera con gran interés la tecnología CMOS de alta potencia. La fabricación de circuitos integrados CMOS requiere MOSFET de canal tanto de tipo p como de tipo n.

En la actualidad, la tecnología de semiconductores de diamante es relativamente madura, pero el dopaje de tipo n del diamante sigue siendo un reto mundial. A lo largo de los años, numerosos estudios han explorado cálculos teóricos y métodos experimentales para encontrar elementos y técnicas de dopaje adecuados para conseguir un dopaje de diamante de tipo n de baja resistencia, pero no han dado resultados satisfactorios. Uno de los principales motivos es que las investigaciones anteriores se han basado principalmente en teorías de dopaje de monocristales de silicio. Entre los principales elementos de impureza utilizados figuran el boro, el fósforo, el azufre y el litio, que se incorporan a las películas de diamante monocristalino o de diamante microcristalino durante el proceso de crecimiento o mediante métodos de implantación de iones. Sin embargo, la conductividad de las películas dopadas es baja y la movilidad de los electrones es escasa, lo que las hace inadecuadas para su uso en dispositivos electrónicos. Por ejemplo, el nitrógeno es una impureza de nivel profundo en el diamante, con una energía de activación a temperatura ambiente de 1,7 eV, lo que dificulta el suministro de suficientes portadores a temperatura ambiente. El fósforo tiene un nivel de energía ligeramente inferior, pero su conductividad a temperatura ambiente también es débil. Cuando el fósforo entra en el diamante, forma fácilmente pares fósforo-vacancia, lo que dificulta la liberación de sus electrones. Hasta la fecha, no se ha encontrado ninguna impureza donante adecuada. Desde esta perspectiva, el desarrollo de una nueva teoría del dopaje es una tarea urgente (DT Semiconductor).

5. Nuevo avance en la tecnología de integración heterogénea del diamante policristalino

El equipo dirigido por Liu Xinyu, del Instituto de Microelectrónica de la Academia China de Ciencias, ha realizado importantes avances en el campo de la tecnología de unión directa entre el GaN de capa gruesa y el diamante policristalino. No sólo han superado los problemas de la morfología superficial del diamante policristalino, sino que también han conseguido una unión directa eficaz con GaN de capa gruesa a temperatura ambiente, allanando el camino para el desarrollo y la aplicación de la tecnología de unión de diamante policristalino a nivel de oblea.

El equipo empleó la avanzada tecnología de pulido dinámico por plasma (DPP) para reducir significativamente la altura de los picos en la superficie del diamante policristalino a 1,2 nanómetros, logrando al mismo tiempo una superficie lisa con una rugosidad de sólo 0,29 nanómetros. Sobre esta base, combinando técnicas de unión por activación superficial, lograron con éxito la unión directa entre sustratos de GaN de 370 micrómetros de espesor y sustratos de diamante policristalino de aproximadamente 660 micrómetros de espesor a temperatura ambiente. La tasa de adhesión alcanzó el 92,4% y la estructura puede funcionar de forma estable en un amplio intervalo de temperaturas de -55°C a 250°C.

En los últimos años, la tecnología de integración heterogénea GaN/diamante ha atraído una gran atención debido a su gran potencial en la fabricación de transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) basados en GaN de alta fiabilidad y alta densidad de potencia. La tecnología de unión directa de obleas, por su elevada conductividad térmica de la interfaz y sus ventajas de baja tensión térmica, ha mostrado amplias perspectivas de aplicación en la integración de materiales y dispositivos. Sin embargo, esta tecnología requiere una planitud y rugosidad superficiales extremadamente elevadas, lo que se ha convertido en un factor limitante clave para su ulterior desarrollo.

En la actualidad, aunque el diamante monocristalino puede lograr una baja rugosidad superficial y una alta planitud mediante la tecnología de pulido químico mecánico (CMP), las dificultades para cultivar diamantes monocristalinos de gran tamaño y su elevado coste limitan su aplicación. En cambio, el diamante policristalino presenta ventajas como su menor coste y su mayor tamaño, pero la complejidad y la irregularidad de su morfología superficial dificultan que la tecnología CMP cumpla los requisitos de la unión directa. Al mismo tiempo, la capa gruesa de GaN se enfrenta a problemas de tensión durante la unión, lo que aumenta aún más la dificultad técnica.

La tecnología de pulido por plasma con ángulo de incidencia dinámico utilizada en este estudio ha supuesto un gran avance en la resolución de los problemas de morfología superficial del diamante policristalino. Esta tecnología puede procesar finamente el diamante policristalino sin aplicar presión, reduciendo eficazmente su rugosidad superficial y su altura de pico. Además, mediante la combinación de métodos de unión por activación superficial asistida por haz de iones y deposición in situ de nanocapas de silicio, el equipo consiguió una integración heterogénea entre el GaN de capa gruesa y el diamante policristalino, con una tasa de unión del 92,4%.

Mediante espectroscopia Raman variable en función de la temperatura, el equipo estudió además la variación de la tensión residual en la interfaz de unión GaN/diamante en un amplio intervalo de temperaturas. La investigación descubrió que la interfaz de unión a temperatura ambiente presentaba una tensión residual de aproximadamente 200 MPa y, a medida que aumentaba la temperatura, la tensión de la interfaz mostraba un crecimiento asimétrico. Esto se debía principalmente a los coeficientes similares de expansión térmica (CTE) entre el GaN y la capa de silicio nanoasistida, mientras que la diferencia de CTE entre el diamante y la capa de silicio nanoasistida era mucho mayor. Esta distribución asimétrica de la tensión confirma aún más la eficacia de la nanocapa de silicio amorfo como capa amortiguadora para liberar tensiones en la interfaz (China Superhard Materials Network).

6. Desarrollo de materiales superconductores con diamante y niobio

Científicos rusos han descubierto que una de las formas de aumentar la fuerza de adsorción del diamante es utilizar wolframio para mejorar la unión entre el diamante y los metales de transición.

Un área importante de la investigación tecnológica del diamante es la metalización de superficies, que confiere a la superficie del diamante nuevas propiedades, como la superconductividad, la mejora de la estabilidad térmica y la humectabilidad, al tiempo que conserva sus propiedades físicas y químicas originales. Sin embargo, el diamante tiene dos limitaciones: en primer lugar, la síntesis de sustratos de diamante de gran diámetro es un reto; en segundo lugar, la adherencia entre los contactos metálicos y la superficie de diamante es relativamente pobre.

Uno de los métodos más eficaces para metalizar el diamante es sinterizarlo con metales como el titanio, el cromo, el tantalio y el circonio. Cuando estos metales entran en contacto con el carbono, forman una capa de carburo metálico. La razón por la que se elige el niobio es que puede formar una película de refuerzo químicamente estable en la superficie del diamante. Los investigadores intentaron crear un superconductor en la superficie del diamante y descubrieron que si el niobio se adhiere a la superficie del diamante y se somete a un tratamiento térmico, se produce una transición de fase durante el proceso de calentamiento, convirtiendo la película en Nb₂C. El calentamiento posterior por encima de 1200°C conduce a la formación de carburo de niobio.

La red estable del carburo de niobio depende de la densidad de los defectos de carbono (que suelen estar presentes en condiciones de laboratorio). Los cálculos teóricos sugieren que sintetizando carburo de niobio en la superficie del diamante se pueden conseguir parámetros de red cercanos a los del carburo de niobio de alta calidad sin defectos. Las propiedades superconductoras del carburo de niobio indican que se produce una transición superconductora a una temperatura elevada de 1940 °C, lo que coincide con las mediciones experimentales. Los resultados también muestran que la calidad de las películas obtenidas experimentalmente es muy alta.

Cabe destacar que, en comparación con otras aleaciones basadas en niobio, los defectos de baja densidad en las películas de carburo de niobio obtenidas aquí permiten tasas de difusión de electrones suficientes. Esta característica, junto con las propiedades superconductoras observadas, tiene implicaciones prácticas para el desarrollo de dispositivos de detección electrónica. Los investigadores han confirmado que la capa de carburo de niobio obtenida presenta propiedades superconductoras.

Si esta película se recubre sobre la superficie del diamante, aprovechando su alta conductividad térmica, podría conducir al desarrollo de detectores altamente sensibles. La alta conductividad térmica del diamante ayudaría a detectar rápidamente las señales, por lo que sería mucho más rápido que otros materiales (Shanghai Nonferrous Network).