Growth of superconducting boron doped diamond on 4inch silicon wafers

Diamant staat meestal bekend als het hardste natuurlijke materiaal, een edelsteen die warmte uitstekend geleidt maar elektriciteit volledig blokkeert. Echter, wanneer wetenschappers een kleine hoeveelheid boor aan de kristalstructuur van diamant mengen, verandert de aard van het materiaal volledig. In plaats van te fungeren als een isolator, begint de diamant elektriciteit te geleiden als een metaal. Als er genoeg boor wordt toegevoegd, ondergaat het materiaal een opmerkelijke transformatie bij zeer lage temperaturen en komt het in een staat die supergeleiding wordt genoemd. In deze staat stroomt elektriciteit door het materiaal zonder enige weerstand, wat betekent dat er geen energie verloren gaat als warmte. Deze eigenschap maakt supergeleidende diamant een veelbelovende kandidaat voor het bouwen van geavanceerde elektronische apparaten, zoals ultragevoelige sensoren en kwantumcomputers, mits het materiaal in grote, bruikbare vellen kan worden gegroeid.

Jarenlang hebben onderzoekers succesvol deze supergeleidende diamantfilms gegroeid op kleine siliciumwafers, doorgaans twee inch breed. Hoewel deze grootte voldoende is voor testen en kleine prototypes, is het te klein voor de massaproductie van commerciële apparaten. Om deze materialen praktisch te maken voor de echte wereldtechnologie, moeten wetenschappers ze op veel grotere oppervlakken laten groeien, zoals vierinchige wafers, wat de standaardformaat is die wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie. De uitdaging ligt in het feit dat het proces dat wordt gebruikt om diamantfilms te laten groeien, bekend als chemische dampdepositie, niet altijd hetzelfde gedrag vertoont wanneer de grootte van het oppervlak verandert. De omstandigheden die perfect werken op een kleine cirkel, kunnen falen of ongelijkmatige resultaten opleveren op een grotere cirkel. Een team onderzoekers aan Cardiff University zette zich in om dit probleem op te lossen door te proberen supergeleidende boordopende diamantfilms op vierinchige siliciumwafers te kweken, met als doel te zien of ze de hoge kwaliteit prestaties over het gehele oppervlak konden behouden.

De onderzoekers begonnen met het voorbereiden van de siliciumwafers met een laag minuscule diamantzaden om de nieuwe film gelijkmatig te laten groeien. Vervolgens plaatsten ze deze wafers in een speciale kamer waar ze ze naar ongeveer 800 graden Celsius verhitten en ze baadden in een plasma van waterstof- en methaangas. Om het supergeleidende materiaal te creëren, introduceerden ze boor in het gasmengsel. Ze testten een breed scala aan boorconcentraties, beginnend met een kleine hoeveelheid en deze progressief verhoogend om te zien hoe het materiaal reageerde. Het doel was om het precieze "sweet spot" te vinden waar de boorconcentratie hoog genoeg was om supergeleiding te triggeren, maar niet zo hoog dat het de kristalstructuur zou beschadigen. Ze kweekten zes verschillende films, elk met een andere verhouding van boor tot koolstof in het gas, variërend van ongeveer 6.500 parts per million tot meer dan 36.000 parts per million.

Wanneer het team het oppervlak van deze nieuwe films onder krachtige microscopen onderzocht, ontdekten ze dat de fysieke textuur opmerkelijk consistent bleef. Ongeacht hoeveel boor er aan het gas werd toegevoegd, de kleine korrels waaruit de diamantfilm bestaat, bleven ongeveer dezelfde grootte hebben, tussen de 240 en 270 nanometer breed. Dit was een cruciale eerste stap, aangezien het betekende dat het simpelweg toevoegen van meer boor de gladheid of structuur van de film niet ruïneerde. De echte test was echter of de films daadwerkelijk elektriciteit konden geleiden zonder weerstand. De onderzoekers koelden de monsters af tot net twee graden boven het absolute nulpunt en maten hun elektrische eigenschappen. Ze ontdekten dat de film met de laagste boorconcentratie helemaal niet supergeleidend werd. Echter, elke andere film, van de op één na laagste concentratie tot de hoogste, trad succesvol in de supergeleidende staat.

De meest opwindende ontdekking was hoe de temperatuur waarbij het materiaal supergeleidend werd, veranderde met de hoeveelheid boor. Naarmate de onderzoekers de hoeveelheid boor in het gas verhoogden, steeg de temperatuur waarbij de film supergeleidend werd gestaag. Het bereikte zijn piekprestatie in de film met een gasverhouding van ongeveer 24.700 parts per million, waar het materiaal supergeleidend werd bij 4,03 Kelvin. Dit is een significante temperatuur voor dit type materiaal, aangezien dit het hoogste punt op de curve is voordat de prestaties beginnen te dalen. Wanneer ze zelfs meer boor toevoegden dan dit punt, begon de supergeleidende temperatuur weer te dalen. Dit vertelt ons dat er een optimale hoeveelheid boor nodig is om de beste resultaten te krijgen; het toevoegen van te veel boor schaadt de bekermat van het materiaal om elektriciteit zonder verlies te geleiden. De film met de beste prestaties kon ook een sterk magnetisch veld van meer dan 3 Tesla weerstaan voordat het zijn supergeleidende staat verloor, een vitale vereiste voor veel elektronische toepassingen.

Om er zeker van te zijn dat deze resultaten niet slechts een toevalstreffer waren van één specifieke plek op de wafer, sneed het team stukken uit het midden, het middengebied en de rand van de best presterende film om te zien of de kwaliteit uniform was over de gehele vierinchige cirkel. Ze ontdekten dat de supergeleidende eigenschappen inderdaad overal aanwezig waren, maar dat ze niet perfect identiek waren. Het stuk uit het midden van de wafer presteerde het best en werd supergeleidend bij 4,19 Kelvin. Het stuk uit het centrum kwam daar vlak achter met 4,02 Kelvin. Echter, het stuk genomen van de rand van de wafer vertoonde een merkbare daling en werd supergeleidend bij slechts 3,33 Kelvin. Deze variatie suggereert dat hoewel de gehele vierinchige wafer supergeleidend gemaakt kan worden, de omstandigheden aan de rand iets minder gunstig zijn dan in het midden. De onderzoekers bevestigden dit door gebruik te maken van een techniek genaamd Raman-spectroscopie, die laserlicht gebruikt om te meten hoeveel boor er daadwerkelijk in de diamant zit. De metingen lieten zien dat de boorconcentratie het hoogst was in het middelste gedeelte en lager aan de rand, wat precies overeenkwam met het patroon van de supergeleidende prestaties.

Wanneer het team hun resultaten op de grote vierinchige wafers vergeleek met eerder werk dat op kleinere tweeinchige wafers was uitgevoerd, kwam er een duidelijk verschil naar voren. Op de kleinere wafers werden de beste supergeleidende eigenschappen bereikt met veel lagere hoeveelheden boor in het gas. Om dezelfde hoogwaardige resultaten op de grotere vierinchige wafers te krijgen, moesten de onderzoekers gasmengsels gebruiken met aanzienlijk hogere boorconcentraties. Dit geeft aan dat het proces om boor in het diamantkristal te krijgen minder efficiënt wordt naarmate het groeioppervlak groter wordt. Het is waarschijnlijk dat de energiedichtheid van het plasma dat wordt gebruikt om de film te laten groeien, te dun over het grotere oppervlak wordt verspreid om de boor even effectief in te voegen als bij een kleinere cirkel. Ondanks deze uitdaging is het feit dat zij een supergeleidende film konden laten groeien die een aanzienlijk deel van een vierinchige wafer beslaat, een grote stap voorwaarts. Het bewijst dat deze materialen opgeschaald kunnen worden voor productie, zelfs als het recept moet worden aangepast voor de grotere omvang.

De studie concludeert dat hoewel het kweken van supergeleidende diamant op grote wafers haalbaar is, dit een zorgvuldige afstemming van de boorvoorraad vereist om de verminderde efficiëntie van het groeiproces op een grotere schaal te compenseren. De onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om een groot gebied van supergeleidend materiaal te produceren, wat de deur opent voor het creëren van complexere en grotere apparaten. De sleutel tot succes ligt in het beheren van de boorconcentratie en het waarborgen dat deze zo gelijkmatig mogelijk over de wafer wordt verdeeld. Door deze specifieke uitdagingen te identificeren, biedt het werk een duidelijk pad voor toekomstige verbeteringen, waarmee de technologie van de laboratoriumtafel naar de productielijnen beweegt die nodig zijn voor de volgende generatie elektronica.