Διαμάντια - ένας καλός φίλος των φυσικών
Έρχονται τα chips από διαμάντια

Από σελίδα του Physicsweb, 6 Σεπτεμβρίου 2002

Οι ελπίδες για κατασκευές ηλεκτρονικών συσκευών από άνθρακα μπορούν να γίνουν πραγματικότητα χάρις στις νέες διαστάσεις των τεχνητών συνθετικών διαμαντιών. Ο Jan Isberg του Πανεπιστημίου της Uppsala στη Σουηδία μαζί με συναδέλφους του στο ABB στην Σουηδία και μια βιομηχανία διαμαντιών στη Μεγάλη Βρετανία έχουν χρησιμοποιήσει μεθόδους απόθεσης με χημικούς ατμούς, για να αναπτύξουν κρυστάλλους διαμαντιών. Η ανάπτυξη διαμαντιών με αυτό τον τρόπο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε συσκευές που έχουν υψηλότερη ισχύ, ευρείες ζώνες φάσματος και υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας από  οποιεσδήποτε συμβατικές συσκευές. (J Isberg et al 2002 Science 297 1670).

Το διαμάντι είναι ένας ημιαγωγός του οποίου οι εξαιρετικές ιδιότητες  - όπως είναι η υψηλή θερμική αγωγιμότητα και η μεγάλη ζώνη χάσματος  - το κάνουν ιδεώδη υλικό για συσκευές όπως είναι οι δίοδοι ισχύος και τα FET (Field Effect Transistors) υψηλής συχνότητας. Πάντως, το τεχνητό διαμάντι στην φυσική του μορφή έχει πάρα πολλές ατέλειες και ακαθαρσίες που το καθιστούν άχρηστο για τέτοιες συσκευές.

Επί 50 σχεδόν χρόνια παράγονται με τεχνητό τρόπο διαμάντια, θερμαίνοντας και πιέζοντας τον γραφίτη χρησιμοποιώντας μια τεχνολογία που λέγεται HPHT (υψηλή πίεση - υψηλή θερμοκρασία). Όμως, συγκρινόμενα με τα φυσικά υλικά, τα HPHT διαμάντια υφίστανται πάρα πολλές ατέλειες και ακαθαρσίες, φθάνοντας τις μερικές χιλιάδες ανά τετραγωνικό χιλιοστό, που το καθιστούν άχρηστο για την χρησιμοποίηση τους σε ηλεκτρονικές διατάξεις.

Πολύ πρόσφατα, αναπτύχθηκαν νέες τεχνικές στις οποίες απλοί κρύσταλλοι διαμαντιών εναποτέθηκαν πάνω σε ένα υπόστρωμα από την αέρια φάση χρησιμοποιώντας ένα πλάσμα υδρογονάνθρακα. Αλλά τα διαμάντια που δημιουργήθηκαν με αυτόν το τρόπο καλύπτονται από πολλούς κρυστάλλους σε διαφορετικούς προσανατολισμούς. Αυτό είναι ένα πρόβλημα λόγω του ότι τα όρια των κόκκων των κρυστάλλων εμποδίζουν την απόδοση των ηλεκτρονικών.

Ο Isberg και οι συνάδελφοι του έλυσαν αυτά τα προβλήματα συνδυάζοντας δύο τεχνικές, γνωστές από τη δεκαετία του 1980, που ονομάζεται  microwave plasma chemical-vapour deposition (CVD) και που αναπτύχθηκαν τα τελευταία δύο χρόνια. Σε αυτήν χρησιμοποιήθηκαν μόρια μεθανίου εμπλουτισμένα με άνθρακα, που έσπασαν σε μικρά τμήματα και έτσι επέτρεψαν να τοποθετηθούν επιφανειακά.  Έτσι κατασκεύασαν ευμεγέθεις κρυστάλλους διαμαντιού (από τα άτομα του άνθρακα) με ηλεκτρονικές ιδιότητες, που προβλέπονται από τη θεωρία.

Η νέα CVD τεχνική παράγει λεπτά, υψηλής ποιότητας φιλμς διαμαντιών. Ενώ προηγουμένως δημιουργούσαν CVD σαν ένα μίγμα λεπτών κρυστάλλων που δεν συνδέονταν μεταξύ τους (υπήρχαν μεταξύ τους κάποια όρια), που εμπόδιζαν τα ηλεκτρόνια να κυλήσουν ανεμπόδιστα σαν ηλεκτρικό ρεύμα.

Επίσης τα chips από διαμάντια μπορούν να δουλέψουν σε εκατοντάδες βαθμούς θερμοκρασία, ενώ οι συσκευές από πυρίτιο δουλεύουν μόνο κάτω από 150o C. Επίσης ένα άλλο πλεονέκτημα είναι πως τα νέα chips μπορούν να μεταφέρουν μεγαλύτερη ισχύ και να είναι μικρότερα από τα chips πυριτίου.

Οι ερευνητές μέτρησαν μια ιδιότητα του συνθετικού τους διαμαντιού γνωστή σαν ευκινησία - μια σταθερά που συσχετίζει τη ταχύτητα του φορτίου φορέα (ένα ηλεκτρόνιο ή μια οπή) προς το ηλεκτρικό πεδίο που ωθεί το φορτίο φορέα. Ανακάλυψαν λοιπόν πως όταν το υπέβαλλαν  σε χαμηλό ηλεκτρικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια του διαμαντιού τους έχουν μια ευκινησία (που μετράται σε εκατοστά στο τετράγωνο ανά βολτ και δευτερόλεπτο) 4500, ενώ οι οπές έχουν ευκινησία 3800. Αυτό δείχνει πως τα διαμάντια έχουν μεγάλη δυναμική για ηλεκτρονικές συσκευές επειδή είναι σημαντικά μεγαλύτερες από την ευκινησία των ηλεκτρονίων και οπών στους ημιαγωγούς SiC και GaN, δύο ημιαγωγούς που αναπτύχθηκαν για προηγμένες ηλεκτρονικές συσκευές.

Ο Isberg λέει πως οι συσκευές που θα βασίζονται σε διαμάντια θα βάλουν την αγορά σε νέες μορφές τεχνολογίας. Πιστεύει πως ορισμένες συσκευές, λόγου χάριν οι ανιχνευτές ακτινοβολίας και οι δίοδοι Schottky, θα μπορούσαν να αναπτυχθούν σε λίγο χρόνο, ενώ πιο πολύπλοκες συσκευές όπως τα τρανζίστορ FET θα πάρουν αρκετό χρόνο.