Eine neuartige Laserschneidetechnik für Diamanthalbleiter

May 16, 2023

Materialien auf Siliziumbasis sind derzeit unangefochtener Spitzenreiter im Bereich der Halbleiter. Dennoch versuchen Wissenschaftler auf der ganzen Welt aktiv, überlegene Alternativen für Elektronik und Hochleistungssysteme der nächsten Generation zu finden. Interessanterweise gehören Diamanten zu den vielversprechendsten Materialien für Anwendungen wie schnelle Telekommunikation und Energieumwandlung in Elektrofahrzeugen und Kraftwerken.

Trotz ihrer attraktiven Eigenschaften für die Halbleiterindustrie sind die Einsatzmöglichkeiten von Diamanten begrenzt, da es an Techniken mangelt, sie effizient in dünne Wafer zu schneiden. Daher müssen Diamantwafer einzeln synthetisiert werden, was die Herstellungskosten für die meisten Branchen unerschwinglich macht.

Nun hat ein Forschungsteam aus Japan unter der Leitung von Professor Hirofumi Hidai von der Graduate School of Engineering der Universität Chiba eine Lösung für dieses Problem gefunden.In einer aktuellen Studie , online verfügbar am 18. Mai 2023 und veröffentlicht in Diamond & Related Materials im Juni 2023, berichten sie über eine neuartige laserbasierte Schneidtechnik, mit der ein Diamant entlang der optimalen kristallografischen Ebene sauber geschnitten und so glatte Wafer hergestellt werden können. Ihre Studie wurde gemeinsam vom Masterstudenten Kosuke Sakamoto von der Graduate School of Science and Engineering der Universität Chiba und dem ehemaligen Doktoranden Daijiro Tokunaga verfasst, der derzeit Assistenzprofessor am Tokyo Institute of Technology ist.

Die Eigenschaften der meisten Kristalle, einschließlich Diamanten, variieren entlang verschiedener kristallographischer Ebenen – imaginären Oberflächen, die die Atome enthalten, aus denen der Kristall besteht. Beispielsweise kann ein Diamant leicht entlang der {111}-Oberfläche geschnitten werden. Allerdings ist das Schneiden von {100} eine Herausforderung, da es auch Risse entlang der {111}-Spaltungsebene erzeugt, was den Schnittverlust erhöht.

Um die Ausbreitung dieser unerwünschten Risse zu verhindern, entwickelten die Forscher eine Diamantbearbeitungstechnik, die kurze Laserimpulse auf ein schmales kegelförmiges Volumen im Material fokussiert. „Konzentrierte Laserbeleuchtung wandelt Diamant in amorphen Kohlenstoff um, dessen Dichte geringer ist als die von Diamant. Daher kommt es in durch Laserpulse veränderten Bereichen zu einer Verringerung der Dichte und zur Rissbildung“, erklärt Hidai.

Indem die Forscher diese Laserpulse in einem quadratischen Gittermuster auf die transparente Diamantprobe richteten, erzeugten sie ein Gitter aus kleinen rissanfälligen Bereichen im Inneren des Materials. Wenn der Abstand zwischen den modifizierten Regionen im Gitter und die Anzahl der pro Region verwendeten Laserimpulse optimal sind, sind alle modifizierten Regionen durch kleine Risse miteinander verbunden, die sich vorzugsweise entlang der {100}-Ebene ausbreiten. Folglich kann ein glatter Wafer mit {100}-Oberfläche leicht vom Rest des Blocks getrennt werden, indem einfach eine scharfe Wolframnadel gegen die Seite der Probe gedrückt wird.

Insgesamt ist die vorgeschlagene Technik ein entscheidender Schritt, um Diamanten zu einem geeigneten Halbleitermaterial für zukünftige Technologien zu machen. In diesem Zusammenhang bemerkt Hidai: „Diamantschneiden ermöglicht die Herstellung hochwertiger Wafer zu geringen Kosten und ist für die Herstellung von Diamanthalbleiterbauelementen unverzichtbar.“ Daher bringt uns diese Forschung der Realisierung von Diamanthalbleitern für verschiedene Anwendungen in unserer Gesellschaft näher, beispielsweise zur Verbesserung des Stromumwandlungsverhältnisses in Elektrofahrzeugen und Zügen.“

Hoffen wir, dass dieser begehrte Kristall uns einen Vorsprung bei unserem Streben nach fortschrittlicher technologischer Entwicklung verschafft, auch solchen, die eine nachhaltigere Zukunft gewährleisten können!

- Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Chiba-Universität veröffentlicht