Bóng bán dẫn kim cương

Vòng phản hồi tiêu cực
vùng cấm [bandgap] của silic đâu đó 1.12 evelectron Volt, nhiệt độ có thể khiến bóng bán dẫn "vô ý" bật/tắt; ở nhiệt độ cao, hạt mang điện có thể "đấm xuyên qua" [punch through] cổng, làm rò rỉ một dòng điện nhỏ, toả thêm nhiệt, càng làm tăng rò rỉ điện
người ta tìm cách kiểm soát số lượng bóng bán dẫn silic trong một đơn vị diện tích bề mặt chip được bật trong suốt quá trình hoạt động, phòng ngừa sự cố rò rỉ điện "mất kiểm soát" trên
cường độ điện trường đánh thủng [breakdown field] của silic chỉ 0.3 megaVolt/cm quá thấp, vùng nghèo hạt mang điện trong bóng bán dẫn có thể mở rộng quá mức, nối liền cực máng và cực nguồn, khiến bóng bán dẫn mất khả năng điều khiển dòng điện
ví dụ, biến tần [inverter] của động cơ xe điện có thể chịu được 400 volt điện áp
bộ khuếch đại tần số vô tuyến [radio frequency amplifier] tín hiệu 1-6 gigaHertz ở các trạm 5G và ở những dải tần số cao hơn nữa cho những bước sóng milimét

Tăng "vùng cấm"
ngành đã áp dụng một số vật liệu có vùng cấm cao hơn silic
indi phosphide và galli arsenide có vùng cấm lần lượt 1.35 và 1.42 electron Volt nhưng đều độc hại và hiếm hơn silic
silic carbide và galli nitride có vùng cấm lần lượt 3.26 và 3.4 electron Volt
silic carbide có "độ linh động tải hạt" thấp, electroc và lỗ trống sẽ đi qua rất chậm, một phần vì ôxit của silic carbide là silic đi-ôxit; tương tác giữa những nguyên tử silic, ôxy và carbon tạo ra những khuyết tật, gọi là "bẫy" [trap] ngăn cản chuyển động của các hạt mang điện
galli nitride được sử dụng trong ngành LED và quang học, nhưng sẽ bất ổn ở tần số bật/tắt cao, nếu bị đặt ở nhiệt độ và trường điện cao, galli nitride dễ mất kiểm soát hơn silic

Vùng cấm siêu rộng
cuối thập niên 1980 đầu 1990 có những thử nghiệm vật liệu "vùng cấm" siêu rộng, ví dụ: nhôm nitride, galli ôxit, kim cương (vùng cấm 5.5 electron Volt)
kim cương có "cường độ điện trường đánh thủng" lên đến 10 megaVolt/cm và "độ linh động tải hạt" gấp 3 lần silic đối với electron và 9 lần đối với "lỗ trống", đặc biệt tốt hơn nữa ở những kim cương hạng-điện-tử rất tinh khiết
nhờ "liên kết cộng hoá trị" mạnh, cho phép những hạt phonon lan truyền mà không có trở ngại, kim cương có "độ dẫn nhiệt" đâu đó 2200 watt/mét-Kelvin so với silic 150 watt/mét-Kelvin, đồng 400 watt/mét-Kelvin và silic carbide 370 watt/mét-Kelvin
bóng bán dẫn "độ linh động electron" cao đã được sản xuất với kim cương làm "bộ tản nhiệt" [heat sink] bên dưới, một bóng bán dẫn "kim cương" sẽ có bộ tản nhiệt đã sẵn ngay, cho phép những mật độ cao của những bóng bán dẫn đang bật, và giảm trách nhiệm làm mát (phương pháp cổng-sau-kim-cương) [gate-after-diamond]
nhờ những liên kết chặt chẽ, kim cương có thể chống được bức xạ, một phẩm chất thích hợp làm ứng dụng ngoài vũ trụ
"độ dẫn nhiệt" cao, "điện áp đánh thủng" cao, chống được bức xạ, "độ linh động tải hạt" cao... kim cương hoàn hảo cho những thị trường ngách hiệu-năng-cao ở trong thị trường điện tử điện lực 55-60 tỷ USD
cuối thập niên 1950 M. Drake Bell sản xuất một điôp sử dụng kim cương kiểu-P tự nhiên

Phương pháp Czochralski
khuyết tật tinh thể, được định nghĩa là những sai khớp của các nguyên tử, những khoảng trống của cấu trúc, những gián đoạn của mặt cắt tinh thể... có thể tác động những hạt mang điện, cản trở hiệu năng của thiết bị
phương pháp Czochralski hiệu quả với silic nhưng không làm được cho kim cương vì không thể sản xuất một bể kim cương lỏng: trừ khi đặt trong áp suất rất cao, kim cương nóng chảy sẽ biến thành than chì
thập niên 1950 phương pháp HPHT [high pressure high temperature] bắt chước những điều kiện của bên trong Trái Đất: đặt carbon dưới một pít-tông làm từ một hợp kim siêu-cứng chịu được áp lực 5.5 gigaPascal và nhiệt 1300-1400 độ C
HPHT tổng hợp được kim cương, nhưng có 3 vấn đề: một là hạt kim cương quá bé, hai là những dị vật đã lọt vào từ những thứ bên ngoài (boron, cobalt, nitơ) khiến những kim cương này, phần nhiều đã có màu vàng (đâu đó 10-100 phần/triệu tạp chất nitơ)
vấn đề thứ 3 là HPHT đắt đỏ và cần nhiều công bảo trì

Lắng đọng hơi hoá học plasma sóng vi ba
MPCVD [microwave plasma chemical vepor deposition] bơm một hỗn hợp khí "tiền chất" [precursor] là khí methan được 97% pha loãng trong khí hydro, vào một khoang
sóng vi ba [microwave] đánh đuổi electron khỏi những nguyên tử khí, tạo ra plasma, khí methan phân huỷ thành carbon và hydro
những nguyên tử carbon tự do, sau đó, hình thành những phản ứng hoá học trên bề mặt của một kim cương "hạt giống"
sử dụng kim cương làm hạt giống, cho nên đây gọi là "lắng-đọng-màng-mỏng đồng chất" [homo-epitaxy]
thập niên 1980 thương mại hoá MPCVD trở thành phương pháp phổ biến nhất để sản xuất hàng loạt kim cương hạng-đá-quý
ở Đài Trung (Đài Loan) đã có cơ sở MVCVD sản xuất kim cương hạng-điện-tử

Wafer kim cương đen
vấn đề thứ 1 là làm sao tăng tốc độ mọc MVCVD mà không tổn hại chất lượng của tinh thể thành phẩm
plasma được-sản-xuất-bởi-sóng-vi-ba bản chất là không đều [non-uniform], dòng chảy plasma lên bề mặt kim cương "hạt giống" thay đổi bởi một số thứ: hiện diện của những lỗ trống, đường cạnh... trên nền-mang [substrate-carrier]
những khoảng diện tích của mặt wafer trải qua những điều kiện khác nhau, chất lượng không đồng đều, trong khi carbon dễ "tạo mầm" [nucleate] khiến kim cương rất dễ hình thành nhiều tinh thể nhỏ, tách biệt bởi những đường biên thớ [grain boundary] gọi là "kim cương đa tinh thể" [polycrystal]
một vấn đề nữa là thiếu những hạt giống kim cương đơn-tinh-thể đủ lớn, hầu hết hạt giống kim cương được sản xuất nhờ HPHT
những tiến trình [dynamic] của những khí tiền-chất diễn ra trong khoang, khiến việc lắng-đọng kim cương đơn-tinh-thể nhờ MPCVD chậm chỉ 75 micromet/giờ nếu không có nitơ, nhanh gấp đôi nếu có nitơ, nhưng quá nhiều nitơ gây ra khuyết tật NV [nitrogen-vacancy]
ở phòng thí nghiệm Đài Trung, 2 carat kim cương hạng-đá-quý mất 2 tuần sản xuất
mục tiêu thương mại là wafer rộng 4 inch và tỷ lệ lỗi 1/10 cm vuông
hiện nay, một wafer kim cương đơn-tinh-thể rộng 10 inch đắt gấp 1 vạn lần silic cùng cỡ
wafer kim cương hạng-điện-tử có màu đen

Tăng quy mô
MPCVD là một phản ứng phi-tuyến: nếu muốn cô lập sự ảnh hưởng của một yếu tố, sẽ cần nhiều lần chạy thử nghiệm
tăng quy mô lên wafer rộng 4 inch sẽ cần tăng kích thước "hạt giống"
ví dụ CVD tăng trưởng kim cương theo chiều ngang, đã tăng kích thước gấp 1-2 lần trong một lần chạy thử
ý tưởng khác là tăng trưởng kim cương đơn-tinh-thể ở các phía bên của "hạt giống"
một phương pháp khác là "khảm" [mosaic] lấy nhiều "hạt giống" đặt cùng vào một mặt khảm, giống như một ô cửa sổ: kim cương sẽ mọc lên trên mặt khảm, hợp nhất thành một miếng duy nhất, có thể được nhấc ra khỏi mặt khảm
đã có những dự án thử áp dụng những hạt giống không-phải-kim-cương và đã tạo được "lắng-đọng-màng-mỏng đồng chất" với những vật liệu, ví dụ iridi
những lớp iridi được lắng đọng bên trên ôxit kim loại và nền silic vì những lý do chi phí và nhiệt độ, được cho là cách tốt nhất để đạt được wafer đơn-tinh-thể rộng 4 inch, nhưng vẫn còn những vấn đề khuyết tật

Pha tạp
ngày nay, cấy ion [ion iplantation] nguyên tử boron và phosphorus vào tinh thể silic để tạo ra kiểu-P và kiểu-N
kênh của bóng bán dẫn silic có nhiều hạt mang điện, những nguyên tử boron và phosphorus sẵn lòng từ bỏ những hạt mang điện của mình khi được cho 0.045 electron Volt nhiệt năng
ngưỡng năng lượng ion hoá của silic đủ thấp (tiếng lóng công nghiệp là "đủ nông") để hoạt động ở nhiệt độ phòng
ngưỡng năng lượng ion hoá của kim cương pha-boron là 0.36 eV và kim cương pha-phosphorus là 0.57 eV
một số lựa chọn vật liệu pha tạp [dopant] khác, nhưng kết quả tệ hơn boron và phosphorus

Kim cương kiểu-P
đầu tiên, ngành thử khắc phục hạn chế của boron bằng cách thử-sai [brute force]: boron không chịu nhả nhiều lỗ trống electron, thì thêm nhiều boron vào mạng lưới tinh thể kim cương
nhưng, pha tạp quá nhiều boron sẽ khiến vật liệu hoạt động giống với kim loại hơn là vật liệu bán dẫn, gọi là "bị thoái hoá" [degenerate]
ngành đã thử "pha bồi" [delta-doping] tạo một lớp mỏng kim cương pha-boron ở giữa 2 lớp kim cương bình thường: các nhà khoa học đang gặp khó khăn trong việc tìm cách thực hiện việc này một cách nhất quán, vì những phương pháp cấy ion đã cho thấy rằng sẽ gây hư hại cho mạng lưới tinh thể kim cương

Kim cương kiểu-N
nitơ là lựa chọn khác thay cho phosphorus nhưng ngưỡng năng lượng ion hoá của kim cương pha-nitơ là 1.7 eV
vấn đề pha tạp kim cương đã khó đến nỗi làm nản lòng những nỗ lực cải tiến công nghệ, quay sang đầu tư vào silic carbide và vật liệu khác

Liên kết lỏng lẻo trên bề mặt chất rắn
năm 1989 một thí nghiệm CVD kim cương đã phát hiện rằng nếu loại bỏ [terminate] những liên kết lỏng lẻo [dangling] trên bề mặt kim cương, bề mặt có thể dẫn điện tốt gấp 1 nghìn tỷ lần so với kỳ vọng
những liên kết lỏng lẻo [dangling] vồ lấy những hạt mang điện đi qua, ví dụ electron; loại bỏ [terminate] những liên kết lỏng lẻo [dangling] này bằng cách gắn một nguyên tử cho chúng, để "thoả mãn" những liên kết lỏng lẻo này
sau khi đã loại bỏ [terminate] những liên kết lỏng lẻo [dangling], kết quả được một lớp kim cương mỏng cho phép những lỗ trống electron đi qua, bỏ qua vấn đề dẫn điện yếu ớt của kim cương pha-boron
thập niên 1990 nhiều nghiên cứu đã xác nhận việc loại bỏ [terminate] những liên kết lỏng lẻo [dangling] này đã giúp bề mặt kim cương dẫn điện tốt, và có thể sản xuất được thiết bị bật/tắt

Bóng bán dẫn hiệu-ứng-trường kim-loại-chất-bán-dẫn
năm 1994 trình làng MESFET [metal-semiconductor field-effect transistor] có cực nguồn, cực máng, cổng... đều làm bằng kim loại
nền được làm từ những kim cương đơn-tinh-thể được sản xuất bởi phương pháp HPHT, trên đó, một lớp kim cương được tăng trưởng nhờ MPCVD
rồi hydro-hoá [hydrogen-termination] thông qua plasma hydro được-kích-hoạt-bằng-sóng-vi-ba để tạo ra bề mặt mỏng kiểu-P dẫn điện
rồi 2 miếng vàng được lắng đọng lên trên, làm cực nguồn và cực máng, ở giữa là một cổng nhôm
thành phẩm MESFET hoạt động, nhưng những hạt mang điện vẫn chậm
trong những năm sau đã xuất hiện MESFET chỉnh sửa và cải tiến, ví dụ ôxy-hoá [oxygen-termination] thay cho hydro-hoá [hydrogen-termination] để ổn định hơn trong không khí
một số thách thức, ví dụ, những bóng bán dẫn ở trong thiết bị điện tử điện lực là theo chiều dọc: cực nguồn và cưc máng ở 2 bên wafer, cho phép một dòng điện năng chảy qua khối [bulk] thiết bị, vì những lý do nhiệt và điện áp
với MESFET kim cương, điện năng chảy qua lớp mỏng bề mặt đã ôxy-hoá hoặc hydro-hoá, khác với những thiết bị điện tử silic carbine và galli nitride [GaN]
HEMT [high electron mobility transistor] sử dụng phương pháp cổng-sau-kim-cương [gate-after-diamond]

Kết
năm 1999 đã có wafer silic carbine rộng 4 inch
năm 2011 doanh nghiệp Cree trình làng thiết bị silic carbine đầu tiên