Japan utvecklar ny laserskärningsteknik för diamanthalvledare

Diamant är ett lovande material för halvledarindustrin, men att skära den i tunna wafers kan vara en verklig huvudvärk och utmaning.
I en nyligen genomförd studie utvecklade ett team av forskare vid Chiba University en ny laserbaserad teknik som kan skära diamant längs det optimala kristallplanet. Denna upptäckt kommer att bidra till att göra detta material mer kostnadseffektivt för effektiv kraftomvandling i elfordon och höghastighetskommunikationsteknik.
Tidigare, även om egenskaperna hos diamant är attraktiva för halvledarindustrin, har användningen av diamantmaterial begränsats av bristen på teknik som för närvarande finns på marknaden för att effektivt skära diamant i tunna skivor. I avsaknad av effektiv skivning måste wafers syntetiseras en efter en, vilket gör deras tillverkningskostnad oöverkomlig i de flesta industrier.
En japansk forskargrupp ledd av professor Hirofumi Hidai från Chiba Universitys Graduate School of Engineering har nyligen hittat en lösning på detta problem.
I en studie som nyligen publicerades i tidskriften Diamonds and Related Materials rapporterar de om en ny laserbaserad skivningsteknik som kan användas för att rent skära diamanter längs den optimala kristallytan för att producera släta wafers.
Egenskaperna hos de flesta kristaller, inklusive diamant, varierar längs olika kristallplan (ytor som hypotetiskt innehåller atomerna som utgör kristallen). Till exempel kan diamant lätt skäras längs ytan av ｛111｝. Men att skära ｛100｝ är utmanande eftersom det också ger sprickor längs den sönderfallna ytan ｛111｝, vilket ökar hackförlusten.
För att förhindra spridningen av dessa oönskade sprickor utvecklade forskarna en diamantbearbetningsteknik som fokuserar korta laserpulser på en smal, avsmalnande volym i materialet.
Prof. Hidai förklarar, "Fokuserad laserbestrålning omvandlar diamant till amorft kol, som har en lägre densitet än diamant. Som ett resultat av detta minskar tätheten i området som ändras av laserpulserna och sprickor kan bildas."
Genom att bestråla dessa laserpulser på ett prov av genomskinlig diamant i ett kvadratiskt rutmönster skapade forskarna ett rutnät inuti materialet som bestod av små områden som var benägna att spricka. Om avståndet mellan de modifierade regionerna i rutnätet och antalet laserpulser som används i varje region är optimalt, är alla modifierade regioner anslutna till varandra genom små sprickor som företrädesvis utbreder sig längs ｛100｝-planet. Således kan en slät wafer med en yta på ｛100｝ enkelt separeras från resten av blocket genom att helt enkelt trycka en vass volframnål till ena sidan av provet.
Sammantaget är ovanstående teknik ett nyckelsteg för att göra diamant till ett lämpligt halvledarmaterial för framtida teknologier. I detta avseende säger professor Hidai: "Förmågan hos diamantskivor att producera högkvalitativa wafers till låg kostnad är avgörande för tillverkningen av diamanthalvledarenheter. Därför tar denna forskning oss ett steg närmare att förverkliga de olika tillämpningarna av diamant halvledare i samhället, som att förbättra kraftomvandlingshastigheten för elbilar och tåg."