Japan ontwikkelt nieuwe laserslicingtechnologie voor Diamond Semiconductor

Diamant is een veelbelovend materiaal voor de halfgeleiderindustrie, maar het in dunne plakken snijden ervan kan een echte hoofdpijn en uitdaging zijn.
In een recent onderzoek heeft een team onderzoekers van de Chiba Universiteit een nieuwe, op laser gebaseerde techniek ontwikkeld die diamant langs het optimale kristalvlak kan snijden. Deze ontdekking zal helpen dit materiaal kosteneffectiever te maken voor efficiënte energieconversie in elektrische voertuigen en snelle communicatietechnologieën.
Hoewel de eigenschappen van diamant aantrekkelijk zijn voor de halfgeleiderindustrie, werd de toepassing van diamantmaterialen vroeger beperkt door het gebrek aan technologie die momenteel op de markt is om diamant efficiënt in dunne plakjes te snijden. Bij gebrek aan efficiënt snijden moeten de wafels één voor één worden gesynthetiseerd, waardoor de productiekosten ervan in de meeste industrieën onbetaalbaar worden.
Een Japanse onderzoeksgroep onder leiding van professor Hirofumi Hidai van de Graduate School of Engineering van de Universiteit van Chiba heeft onlangs een oplossing voor dit probleem gevonden.
In een studie die onlangs in het tijdschrift Diamonds and Related Materials is gepubliceerd, rapporteren ze een nieuwe lasergebaseerde snijtechniek die kan worden gebruikt om diamanten schoon te snijden langs het optimale kristaloppervlak om gladde wafeltjes te produceren.
De eigenschappen van de meeste kristallen, inclusief diamant, variëren langs verschillende kristalvlakken (oppervlakken die hypothetisch de atomen bevatten waaruit het kristal bestaat). Diamant kan bijvoorbeeld gemakkelijk langs het oppervlak van ｛111｝ worden geslepen. Het snijden van ｛100｝ is echter een uitdaging omdat er ook scheuren ontstaan ​​langs het gedesintegreerde oppervlak ｛111｝, wat het kerfverlies vergroot.
Om de verspreiding van deze ongewenste scheuren te voorkomen, ontwikkelden de onderzoekers een diamantverwerkingstechniek die korte laserpulsen richt op een smal, taps toelopend volume in het materiaal.
Prof. Hidai legt uit: "Gerichte laserbestraling zet diamant om in amorfe koolstof, die een lagere dichtheid heeft dan diamant. Als resultaat neemt de dichtheid van het gebied dat door de laserpulsen wordt veranderd af en kunnen er scheuren ontstaan."
Door deze laserpulsen in een vierkant rasterpatroon op een monster transparante diamant te bestralen, creëerden de onderzoekers een raster in het materiaal dat bestond uit kleine gebieden die gevoelig waren voor scheuren. Als de afstand tussen de gewijzigde gebieden in het raster en het aantal laserpulsen dat in elk gebied wordt gebruikt optimaal zijn, zijn alle gewijzigde gebieden met elkaar verbonden door kleine scheurtjes die zich bij voorkeur voortplanten langs het vlak van 100. Zo kan een gladde wafel met een oppervlak van ｛100｝ gemakkelijk worden gescheiden van de rest van het blok door simpelweg een scherpe wolfraamnaald naar één kant van het monster te duwen.
Over het geheel genomen is de bovenstaande techniek een belangrijke stap in het maken van diamant tot een geschikt halfgeleidermateriaal voor toekomstige technologieën. In dit verband zegt prof. Hidai: “Het vermogen van diamantschijfjes om tegen lage kosten hoogwaardige wafers te produceren is cruciaal voor de fabricage van diamanten halfgeleiderapparaten. Dit onderzoek brengt ons dus een stap dichter bij het realiseren van de verschillende toepassingen van diamant halfgeleiders in de samenleving, zoals het verbeteren van de energieconversie van elektrische auto's en treinen."