Лекция 13 алмазы в электронной промышленности

Скачать 0.94 Mb.

Название	Лекция 13 алмазы в электронной промышленности
Анкор	13.doc
Дата	11.01.2018
Размер	0.94 Mb.
Формат файла
Имя файла	13.doc
Тип	Лекция #14929

ЛЕКЦИЯ 13

АЛМАЗЫ В ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Среди большого разнообразия алмазов очень редко встречаются кристаллы с полупроводниковыми свойствами (IIb типа) и незначительным содержанием азота, прозрачные в ультрафиолетовой области спектра (IIa типа). Такие кристаллы алмаза применяются в электронной промышленности. Для создания полупроводниковых приборов на основе алмаза играют важную роль их тепловые и электрические свойства (табл. 1).

Таблица 1

Основные характеристики алмазов

№	Свойства	Тип алмазов
№	Свойства	IIa	IIb	Ia
1	Частота встречаемости в природе, %	редко	0,1-2	98
2	Теплопроводность, Вт/см К	16-20	10-16	5-10
3	Ширина запрещенной зоны, эВ	5,5	5,5	5,5
4	Диэлектрическая постоянная, ε	5,7	5,7	5,7
5	Концентрация примесей азота, %	0,0001	0,001	0,3
6	Электрическое сопротивление, Ом/см	102-106	10¹²	10¹⁶
7	Область пропускания, мк	0,2-100	0,2-100	0,3-6 8-100
8	Поле лавинного пробоя, Ем В/см	2,5-107	1-10⁶	1-10⁶
9	Подвижность электронов, μе Подвижность дырок, μ см²/в-с	2400 2100	1800 1200	- -
10	Максимальная рабочая температура, ˚С	900	900	900
11	Предельная радиационная стойкость, нейтрон/см²	10¹⁴	10¹⁴	10¹⁴
12	Максимальная агрессивная стойкость в кислотах, щелочах, ˚С	500	500	500

Для сравнения приведем, к примеру, теплопроводность некоторых материалов: медь – 4, серебро – 4,2, бронза – 0,3, оксид бериллия – 2,2.

На основе алмазов с полупроводниковыми свойствами (IIb типа) могут быть изготовлены следующие приборы:

высоковольтные выпрямительные диоды;
оптоэлектронные переключатели;
светодиоды (область свечения 400-55- нм);
биполярные транзисторы p-n перехода;
детекторы ядерного излучения для регистрации нейтронов и α-, β-, γ-частиц;
быстродействующие терморезисторы;
СВЧ приботы (диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды);
теплоотводы к различным приборам.

Для создания перечисленных приборов на основе алмазов IIb типа важную роль играют следующие их основные свойства:

наличие электронной и дырочной проводимости;
высокая прозрачность в УФ-области и минимальное содержание концентрации азота различных форм вхождения в кристаллическую решетку;
высокая теплопроводность;
большое значение величины электрического пробоя;
большая величина ширины запрещенной зоны и диэлектрической постоянной;
максимально высокая рабочая температура и предельная радиационная стойкость, а также большая устойчивость к агрессивным средам.

лмазы IIа типа применяются для изготовления теплоотводов для лавинно-пролетных диодов (ЛПД), теплоотводов для диодов Ганна, теплоотводов для полупроводниковых квантовых генераторов (ПКГ), теплоотводящих опр в электровакуумных приборах. Алмазные теплоотводы широко используются в таких важных областях, как подводная кабельная связь и космос (рис.1).
Рис.1. Мельчайшие алмазные кубики отводят тепло от важнейших узлов космической электронной техники.

Рис. 2. Алмазные подложки служат для охлаждения компьютерных микросхем.

Алмазные резисторы могут работать при низких температурах, в радиационных поясах и агрессивных средах. Алмазные микронагревательные устройства предназначены для экономичных электропаяльников для пайки микросхем. Применение алмаза в качестве подложки мощного электронного прибора обусловлено высокой теплопроводностью и низкой диэлектрической непроницаемостью (рис.2). Алмазная подложка (теплоотвод) по соотношению этих параметров в 20-40 раз превосходит лучший керамический материал из окиси бериллия. При этом он не токсичен. Такими параметрами обладают на настоящий момент только природные алмазы, так как синтетические алмазы таких размеров и качества еще не получены в достаточном количестве.
Из алмазов Iа типа могут быть изготовлены следующие приборы:

теплоотводы;
высокотемпературные резисторы;
низкоомные резисторы.

На поверхности алмазов Iа типа лазерным излучением возможно создание резистивного слоя, что открывает большие возможности их применения в промышленности. При воздействии мощного импульсного лазерного воздействия происходят изменения структуры поверхностного слоя алмаза, который обладает очень высокими разистивными свойствами.
Как отбирают из всего количества добываемого алмазного сырья кристаллы с полупроводниковыми свойствами? Исследователями установлена корреляция между физическими свойствами, особенностями примесного состава и морфологией кристаллов алмаза. Бездефектные кристаллы не фотолюминесцируют и не двупреломляют. Тушение и поглощение рентгенолюминесценции у них происходит за счет центров окраски, внутренних напряжений, макродефектов и микропримесей. Повышенное количество микропримесей и примесей азота ухудшает качество кристаллов.

В таблице 2 приведена схема сортировки алмазов по их физическим свойствам и морфологии для выделения наиболее высококачественных кристаллов, дефектность которых макроскопически не всегда определяется. Алмазы изучают с целью выявления характера их свечения в УФ-лучах, определения величины аномального двупреломления и гранной морфологии, отбраковывая среди них индивиды с высоким цветом интерференции, святящиеся желтым и оранжевым цветами, а также кристаллы с полицентрически растущими гранями, боковой скульптурой и округло-ступенчатые.

Таблица 2

Схема сортировки алмазов для электронной промышленности

Операция	Критерии	Эффект
I	Рассев по классам крупности: -1…+0,5; -2…+1; -4…+2; -8…+4; +8 мм	Рассев кристаллов по классам крупности облегчает последующие опрации
II	Разделение кристаллов по цвету	Выделяются кристаллы с неравномерной окраской, которые имеют пониженную прочность при динамических нагрузках
III	Морфологическое описание по классам крупности (двойники, сильно уплощенные по оси L₃)	Разделяются алмазы различной сортности (ювелирные, технические, оптические)
IV	Выбраковка по цвету фотолюминесценции (желтый, оранжевый). Отбор кристаллов по двупреломлению (интерференционная окраска при скрещенных николях).	Отбираются кристаллы с желтой и оранжевой люминесценцией, которые имеют пониженные термические и механические свойства
V	Выделение кристаллов, прозрачных в УФ-лучах (IIа и промежуточные)	Выбраковываются кристаллы более хрупкие и менее прочные к статическим и динамическим нагрузкам
VI	Сортировка кристаллов по электропроводимости (IIа тип)	Отбираются кристаллы, считывающие ядерные частицы, рассеивающие и отводящие тепло, служащие как оптические окна в УФ- и ИК-областях спектра
VII		Отобранные кристаллы используются в качестве диодов, триодов, термисторов и счетчиков проводимости

Литература

Аргунов К.П. Информационно-аналитическй обзор по обработке и применению алмазов в электронной технике. Якутск: Гохран РС(Я), 1999. - 91 с.
Аргунов К.П. Алмазы Якутии: физические, морфологические, геммологические особенности. Якутск: ГУ ГОХРАН РС(Я), 2002. – 342 с.
Вавилов В.С., Гиппиус А.А., Конорова Е.А. Электронные и оптические процессы в алмазе. М.: Наука, 1985.
Алмазы в электронной технике. (Сб. статей под ред. В.Б.Кваскова), М.: Энергоатомиздат, 1990.
Уорд Ф. Алмазы. М., 1995.