Japan utvikler ny laserskjæringsteknologi for diamanthalvleder

Diamant er et lovende materiale for halvlederindustrien, men å kutte den i tynne skiver kan være en skikkelig hodepine og utfordring.
I en fersk studie utviklet et team av forskere ved Chiba University en ny laserbasert teknikk som kan skjære diamant langs det optimale krystallplanet. Denne oppdagelsen vil bidra til å gjøre dette materialet mer kostnadseffektivt for effektiv kraftkonvertering i elektriske kjøretøy, og høyhastighets kommunikasjonsteknologi.
Tidligere, selv om egenskapene til diamant er attraktive for halvlederindustrien, har bruken av diamantmaterialer vært begrenset av mangelen på teknologi som for tiden er på markedet for effektivt å kutte diamant i tynne skiver. I fravær av effektiv skjæring, må wafere syntetiseres én etter én, noe som gjør produksjonskostnadene uoverkommelige i de fleste bransjer.
En japansk forskningsgruppe ledet av professor Hirofumi Hidai fra Chiba Universitys Graduate School of Engineering har nylig funnet en løsning på dette problemet.
I en studie nylig publisert i tidsskriftet Diamonds and Related Materials rapporterer de om en ny laserbasert skjæringsteknikk som kan brukes til å kutte diamanter rent langs den optimale krystalloverflaten for å produsere glatte skiver.
Egenskapene til de fleste krystaller, inkludert diamant, varierer langs forskjellige krystallplan (overflater som hypotetisk inneholder atomene som utgjør krystallen). For eksempel kan diamant lett skjæres langs overflaten av ｛111｝. Å kutte ｛100｝ er imidlertid utfordrende fordi det også produserer sprekker langs den oppløste overflaten ｛111｝, noe som øker hakktapet.
For å forhindre forplantning av disse uønskede sprekkene, utviklet forskerne en diamantbehandlingsteknikk som fokuserer korte laserpulser på et smalt, avsmalnende volum i materialet.
Prof. Hidai forklarer, "Fokusert laserbestråling konverterer diamant til amorft karbon, som har en lavere tetthet enn diamant. Som et resultat avtar tettheten til området som endres av laserpulsene, og det kan dannes sprekker."
Ved å bestråle disse laserpulsene på en prøve av gjennomsiktig diamant i et kvadratisk rutemønster, skapte forskerne et rutenett inne i materialet som besto av små områder utsatt for sprekker. Hvis avstanden mellom de modifiserte områdene i rutenettet og antall laserpulser som brukes i hver region er optimal, er alle modifiserte områder forbundet med hverandre med små sprekker som fortrinnsvis forplanter seg langs ｛100｝-planet. Dermed kan en glatt wafer med en overflate på ｛100｝ enkelt skilles fra resten av blokken ved ganske enkelt å skyve en skarp wolframnål til den ene siden av prøven.
Samlet sett er teknikken ovenfor et nøkkeltrinn for å gjøre diamant til et passende halvledermateriale for fremtidige teknologier. I denne forbindelse sier professor Hidai: "Evnen til diamantskiver til å produsere høykvalitets wafere til lave kostnader er avgjørende for fremstillingen av diamanthalvlederenheter. Derfor bringer denne forskningen oss et skritt nærmere å realisere de ulike bruksområdene for diamant halvledere i samfunnet, for eksempel forbedring av kraftkonverteringshastigheten til elektriske biler og tog."