Una nuova tecnica di taglio laser per semiconduttori diamantati

May 16, 2023

I materiali a base di silicio sono attualmente i leader indiscussi nel campo dei semiconduttori. Ciononostante, gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando attivamente di trovare alternative superiori per l’elettronica di prossima generazione e i sistemi ad alta potenza. È interessante notare che i diamanti sono tra i materiali più promettenti per applicazioni quali le telecomunicazioni veloci e la conversione di energia nei veicoli elettrici e nelle centrali elettriche.

Nonostante le loro proprietà interessanti per l’industria dei semiconduttori, le applicazioni dei diamanti sono limitate a causa della mancanza di tecniche per tagliarli in modo efficiente in wafer sottili. Di conseguenza, i wafer di diamante devono essere sintetizzati uno per uno, rendendo i costi di fabbricazione proibitivi per la maggior parte delle industrie.

Ora, un gruppo di ricerca giapponese, guidato dal professor Hirofumi Hidai della Graduate School of Engineering dell’Università di Chiba, ha trovato una soluzione a questo problema.In uno studio recente , resi disponibili online il 18 maggio 2023 e pubblicati su Diamond & Related Materials nel giugno 2023, riportano una nuova tecnica di affettatura basata sul laser che può essere utilizzata per tagliare in modo pulito un diamante lungo il piano cristallografico ottimale, producendo così wafer lisci. Il loro studio è coautore dello studente del master Kosuke Sakamoto della Graduate School of Science and Engineering dell'Università di Chiba e dell'ex studente di dottorato Daijiro Tokunaga, attualmente assistente professore al Tokyo Institute of Technology.

Le proprietà della maggior parte dei cristalli, compresi i diamanti, variano lungo diversi piani cristallografici: superfici immaginarie contenenti gli atomi che compongono il cristallo. Ad esempio, un diamante può essere facilmente tagliato lungo la superficie {111}. Tuttavia, tagliare {100} è impegnativo perché produce anche crepe lungo il piano di clivaggio {111}, aumentando la perdita di taglio.

Per prevenire la propagazione di queste crepe indesiderate, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica di lavorazione del diamante che concentra brevi impulsi laser su uno stretto volume a forma di cono all'interno del materiale. “L’illuminazione laser concentrata trasforma il diamante in carbonio amorfo, la cui densità è inferiore a quella del diamante. Pertanto, le regioni modificate dagli impulsi laser subiscono una riduzione della densità e la formazione di crepe”, spiega Hidai.

Facendo brillare questi impulsi laser sul campione di diamante trasparente secondo uno schema a griglia quadrata, i ricercatori hanno creato una griglia di piccole regioni soggette a crepe all'interno del materiale. Se lo spazio tra le regioni modificate nella griglia e il numero di impulsi laser utilizzati per regione sono ottimali, tutte le regioni modificate si collegano tra loro attraverso piccole fessure che si propagano preferenzialmente lungo il piano {100}. Di conseguenza, un wafer liscio con superficie {100} può essere facilmente separato dal resto del blocco semplicemente spingendo un ago di tungsteno affilato contro il lato del campione.

Nel complesso, la tecnica proposta rappresenta un passo fondamentale verso la trasformazione dei diamanti in un materiale semiconduttore adatto per le tecnologie future. A questo proposito Hidai sottolinea: “Il taglio dei diamanti consente la produzione di wafer di alta qualità a basso costo ed è indispensabile per fabbricare dispositivi a semiconduttore di diamante. Pertanto, questa ricerca ci avvicina alla realizzazione di semiconduttori di diamante per varie applicazioni nella nostra società, come il miglioramento del rapporto di conversione della potenza nei veicoli e nei treni elettrici”.

Speriamo che questo ambito cristallo ci dia un vantaggio nella nostra ricerca di sviluppi tecnologici avanzati, compresi quelli che possono garantire un futuro più sostenibile!

- Questo comunicato stampa è stato originariamente pubblicato sul sito web dell'Università di Chiba