Growth of superconducting boron doped diamond on 4inch silicon wafers

Diamant ist normalerweise als das härteste natürliche Material bekannt, ein Edelstein, der Wärme hervorragend leitet, aber Elektrizität vollständig blockiert. Wenn Wissenschaftler jedoch eine kleine Menge Bor in die Kristallstruktur des Diamanten einmischen, verändert sich das Wesen des Materials grundlegend. Anstatt als Isolator zu wirken, beginnt der Diamant, Elektrizität wie ein Metall zu leiten. Wenn genügend Bor hinzugefügt wird, durchläuft das Material bei sehr niedrigen Temperaturen eine bemerkenswerte Transformation und tritt in einen Zustand namens Supraleitung ein. In diesem Zustand fließt Elektrizität mit absolut keinem Widerstand durch das Material, was bedeutet, dass keine Energie als Wärme verloren geht. Diese Eigenschaft macht supraleitenden Diamanten zu einem vielversprechenden Kandidaten für den Bau fortschrittlicher elektronischer Geräte, wie etwa ultraempfindlicher Sensoren und Quantencomputer, vorausgesetzt, das Material kann in großen, nutzbaren Schichten gezüchtet werden.

Jahrelang ist es Forschern gelungen, diese supraleitenden Diamantfilme auf kleinen Siliziumwafern mit einer Breite von typischerweise zwei Zoll zu züchten. Während diese Größe für Tests und kleine Prototypen ausreicht, ist sie für die Massenproduktion kommerzieller Geräte zu klein. Um diese Materialien für die reale Technologie praktikabel zu machen, müssen Wissenschaftler sie auf viel größeren Oberflächen züchten, wie etwa vier Zoll großen Wafern, die die Standardgröße in der Halbleiterindustrie sind. Die Herausforderung besteht darin, dass der Prozess, der zur Züchtung von Diamantfilmen verwendet wird – bekannt als chemische Gasphasenabscheidung –, sich nicht immer gleich verhält, wenn sich die Größe der Oberfläche ändert. Die Bedingungen, die auf einem kleinen Kreis perfekt funktionieren, könnten auf einer größeren Fläche fehlschlagen oder ungleichmäßige Ergebnisse liefern. Ein Team von Forschern der Cardiff University setzte sich zum Ziel, dieses Problem zu lösen, indem sie versuchten, borondotierte supraleitende Diamantfilme auf vier Zoll großen Siliziumwafern zu züchten, mit dem Ziel zu sehen, ob sie eine hohe Leistungsfähigkeit über die gesamte Oberfläche aufrechterhalten können.

Die Forscher begannen damit, die Siliziumwafer mit einer Schicht winziger Diamantsamen vorzubereiten, um das Wachstum des neuen Films gleichmäßig zu fördern. Dann platzierten sie diese Wafer in eine spezielle Kammer, in der sie sie auf etwa 800 Grad Celsius erhitzten und sie in ein Plasma aus Wasserstoff- und Methangas tauchten. Um das supraleitende Material zu erzeugen, führten sie Bor in das Gasgemisch ein. Sie testeten eine breite Palette von Borkonzentrationen, beginnend mit einer geringen Menge und steigerte diese progressiv, um zu sehen, wie das Material reagiert. Das Ziel war es, das präzise „Sweet Spot“ zu finden, an dem der Borgehalt hoch genug ist, um Supraleitung auszulösen, aber nicht so hoch, dass er die Kristallstruktur beschädigt. Sie züchteten sechs verschiedene Filme, von denen jeder ein unterschiedliches Verhältnis von Bor zu Kohlenstoff im Gas aufwies, das von etwa 6.500 Teilen pro Million bis über 36.000 Teilen pro Million reichte.

Als das Team die Oberflächen dieser neuen Filme unter leistungsstarken Mikroskopen untersuchte, stellte es fest, dass die physikalische Textur bemerkenswert konsistent blieb. Unabhängig davon, wie viel Bor dem Gas hinzugefügt wurde, blieben die winzigen Körner, aus denen der Diamantfilm besteht, etwa gleich groß und maßen zwischen 240 und 270 Nanometern. Dies war ein entscheidender erster Schritt, da es bedeutete, dass das bloße Hinzufügen von mehr Bor die Glätte oder Struktur des Films nicht ruinierte. Der wahre Test war jedoch, ob die Filme tatsächlich Elektrizität ohne Widerstand leiten konnten. Die Forscher kühlten die Proben auf nur zwei Grad über dem absoluten Nullpunkt ab und maßen ihre elektrischen Eigenschaften. Sie entdeckten, dass der Film mit der niedrigsten Borkonzentration überhaupt nicht supraleitend wurde. Jedoch traten alle anderen Filme, von der nächsthöheren Konzentration bis zur höchsten, erfolgreich in den supraleitenden Zustand ein.

Die aufregendste Entdeckung war, wie sich die Temperatur, bei der das Material supraleitend wird, mit der Menge an Bor veränderte. Als die Forscher das Bor im Gas erhöhten, stieg die Temperatur, bei der der Film supraleitend wurde, stetig an. Er erreichte seine Spitzenleistung im Film mit einem Gasverhältnis von etwa 24.700 Teilen pro Million, wo das Material bei 4,03 Kelvin supraleitend wurde. Dies ist eine signifikante Temperatur für diese Art von Material, da dies der höchste Punkt auf der Kurve ist, bevor die Leistung wieder abfällt. Als sie über diesen Punkt hinaus noch mehr Bor hinzufügten, sank die Supraleitungstemperatur wieder. Dies zeigt uns, dass es eine optimale Menge Bor gibt, um die besten Ergebnisse zu erzielen; das Hinzufügen von zu viel schadet tatsächlich der Fähigkeit des Materials, Elektrizität ohne Verlust zu leiten. Der Film mit der besten Leistung konnte zudem ein starkes Magnetfeld von über 3 Tesla aushalten, bevor er seinen supraleitenden Zustand verlor, was eine vitale Anforderung für viele elektronische Anwendungen ist.

Um sicherzustellen, dass diese Ergebnisse nicht nur ein Zufallsprodukt eines einzelnen Punktes auf dem Wafer waren, schnitt das Team Stücke aus der Mitte, der Mitte und dem Rand des leistungsfähigsten Films heraus, um zu sehen, ob die Qualität über den gesamten vier Zoll großen Kreis hinweg gleichmäßig war. Sie fanden heraus, dass die supraleitenden Eigenschaften zwar überall vorhanden waren, aber nicht perfekt identisch waren. Das Stück aus der Mitte des Wafers zeigte die beste Leistung und wurde bei 4,19 Kelvin supraleitend. Das Stück aus dem Zentrum lag mit 4,02 Kelvin sehr dicht dahinter. Das Stück jedoch, das vom Rand des Wafers entnommen wurde, zeigte einen merklichen Abfall und wurde bei nur 3,33 Kelvin supraleitend. Diese Variation deutet darauf an, dass der gesamte vier Zoll große Wafer zwar supraleitend gemacht werden kann, die Bedingungen am äußersten Rand jedoch etwas weniger günstig sind als in der Mitte. Die Forscher bestätigten dies durch den Einsatz einer Technik namens Raman-Spektroskopie, die Laserlicht verwendet, um zu messen, wie viel Bor tatsächlich im Diamanten enthalten ist. Die Messungen zeigten, dass die Borkonzentration im mittleren Abschnitt am höchsten und am Rand am niedrigsten war, was exakt dem Muster der supraleitenden Leistung entsprach.

Als das Team ihre Ergebnisse auf den großen vier Zoll großen Wafern mit früheren Arbeiten an kleineren zwei Zoll großen Wafern verglich, trat ein klarer Unterschied zutage. Auf den kleineren Wafern wurden die besten supraleitenden Eigenschaften mit wesentlich geringeren Mengen an Bor im Gas erreicht. Um die gleichen hochwertigen Ergebnisse auf den größeren vier Zoll großen Wafern zu erzielen, mussten die Forscher Gasgemische mit signifikant höheren Borkonzentrationen verwenden. Dies deutet darauf an, dass der Prozess, das Bor in den Diamantkristall einzubringen, weniger effizient wird, wenn die Wachstumsfläche größer wird. Es ist wahrscheinlich, dass die Energiedichte des Plasmas, das den Film züchtet, über die größere Oberfläche zu dünn verteilt wird, um das Bor so effektiv einzubauen wie auf einem kleineren Kreis. Trotz dieser Herausforderung ist die Tatsache, dass sie einen supraleitenden Film züchten konnten, der einen beträchtlichen Teil eines vier Zoll großen Wafers abdeckt, ein großer Schritt nach vorn. Es beweist, dass diese Materialien für die Fertigung hochskaliert werden können, selbst wenn das Rezept für die größere Größe angepasst werden muss.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das Züchten von supraleitendem Diamant auf großen Wafern zwar machbar ist, aber eine sorgfältige Abstimmung der Borzufuhr erfordert, um die reduzierte Effizienz des Wachstumsprozesses auf einer größeren Skala zu kompensieren. Die Forscher haben gezeigt, dass es möglich ist, eine große Fläche an supraleitendem Material zu produzieren, was die Tür für die Schaffung komplexerer und größerer Geräte öffnet. Der Schlüssel zum Erfolg liegt im Management der Borkonzentration und in der Sicherstellung, dass diese über den Wafer so gleichmäßig wie möglich verteilt ist. Durch das Identifizieren dieser spezifischen Herausforderungen bietet die Arbeit einen klaren Weg für zukünftige Verbesserungen und führt die Technologie vom Labortisch hin zu den Produktionslinien, die für die Elektronik der nächsten Generation benötigt werden.