Diamante monocristalino en mosaico: superando los límites de tamaño

Gracias a su banda prohibida ultraancha de 5,47 eV, su conductividad térmica ultralivada (>2000 W/m·K), su alta movilidad de portadores (movilidad de electrones de hasta 4500 cm²·V⁻¹·s⁻¹) y su campo de ruptura teórico ultralivado (>10 MV/cm), el diamante monocristalino (SCD) es un candidato ideal para la próxima generación de dispositivos electrónicos de alta potencia, alta frecuencia y funcionamiento en entornos extremos. Sin embargo, tanto el diamante natural como el diamante monocristalino sintetizado mediante HPHT presentan limitaciones en cuanto a su tamaño lateral, lo que dificulta enormemente su implementación industrial a gran escala.

Para abordar este problema, se desarrolló el método de unión en mosaico. Este proceso consiste en seleccionar semillas de diamante monocristalino de alta calidad y pequeño tamaño —con espesor uniforme y orientación cristalina constante— y ensamblarlas para formar un sustrato de gran superficie. A continuación, se aplica la técnica de deposición química de vapor asistida por plasma de microondas (MPCVD) para lograr un crecimiento homoepitaxial, lo que permite la fusión epitaxial lateral entre los cristales semilla adyacentes. El sustrato ensamblado recuerda a las piezas de un mosaico, de ahí el nombre de «tecnología de unión en mosaico». Tras el crecimiento, se elimina la capa de interfaz de unión para obtener diamante monocristalino de gran superficie.

La fabricación de diamantes monocristalinos en mosaico es un proceso de alta precisión que comprende los siguientes aspectos técnicos clave:

1. Preparación y unión de semillas

Se ensamblan con precisión semillas de diamante monocristalino de alta calidad y pequeño tamaño —que presentan una orientación cristalina constante y un espesor uniforme— para formar sustratos de gran superficie. En los últimos años se ha desarrollado la tecnología de unión lateral: se pulen las superficies laterales de las semillas, se eliminan los contaminantes mediante bombardeo con haz de iones de argón (Ar), se depositan películas metálicas de unión y se comprimen las semillas entre sí para lograr una unión firme, minimizando las diferencias de altura en todo el sustrato.

2. Crecimiento homoepitaxial mediante MPCVD

El sustrato ensamblado se introduce en un reactor MPCVD para someterlo a un crecimiento homoepitaxial bajo parámetros de proceso optimizados. Se controla la dirección del crecimiento por flujo de escalones (*step-flow growth*) para lograr una fusión sin discontinuidades de las capas epitaxiales provenientes de semillas adyacentes. Las investigaciones demuestran que los frentes de crecimiento que se propagan en la misma dirección logran una fusión epitaxial continua, mientras que los frentes de crecimiento que colisionan tienden a generar defectos policristalinos.

3. Control de calidad de la interfaz

El desafío fundamental de la unión en mosaico reside en el control de calidad de la interfaz. Mediante la alineación de alta precisión de la orientación cristalina (con una desviación de la orientación de la red inferior a 1°), la planarización por láser y el grabado por plasma, es posible reducir la rugosidad superficial a 2,5 nm, mejorando así considerablemente el rendimiento de la interfaz.

El diamante monocristalino en mosaico conserva las propiedades intrínsecas superiores del diamante monocristalino, al tiempo que logra avances importantes en cuanto a dimensiones:

Para una muestra de mosaico de 2×2 (18 mm × 18 mm), la deformación epitaxial medida oscila entre (5,7–6,8)×10⁻⁴. El valor mínimo de la anchura a media altura (FWHM) de la curva de balanceo de rayos X alcanza 0,0159° en los distintos cuadrantes. Se mantiene una buena continuidad del material en las uniones, sin defectos de red inaceptables. Los 214 diodos Schottky fabricados en la misma oblea presentan un comportamiento eléctrico altamente uniforme, con un campo de ruptura estable superior a 2 MV/cm y un rendimiento de RF de hasta 40 GHz.

El diamante monocristalino en mosaico aporta un valor extraordinario a múltiples campos de vanguardia:

1. Dispositivos electrónicos de alta potencia y semiconductores

El diamante monocristalino constituye un sustrato ideal para dispositivos electrónicos de alta frecuencia y alta potencia. La tecnología de unión en mosaico permite fabricar de manera uniforme matrices de diodos de barrera Schottky (SBD) de diamante de gran superficie, sentando las bases materiales para la producción en masa de dispositivos SBD, PIN y de radiofrecuencia (RF) de diamante a escala de oblea.

2. Gestión térmica

Con una conductividad térmica de hasta 2200 W/m·K —una de las más elevadas entre todos los materiales conocidos—, el diamante se considera la «solución definitiva» para la gestión térmica en semiconductores. El diamante monocristalino en mosaico ya forma parte de las cadenas de suministro de empresas líderes, aplicándose a la disipación de calor en servidores de IA, estaciones base 5G y módulos de potencia para vehículos de nuevas energías.

3. Ventanas ópticas y detectores

El diamante monocristalino en mosaico ofrece un gran potencial para ventanas de infrarrojos, ventanas para láseres de alta potencia y detectores de partículas de alta energía. Se han fabricado con éxito ventanas de infrarrojos de diamante monocristalino en mosaico con unas dimensiones de 30×30×1 mm³.

4. Tecnología cuántica

Los centros de color en el diamante monocristalino, como el centro de vacancia de silicio (SiV⁻), son elementos clave para las plataformas de información cuántica. Las interfaces de unión en mosaico pueden potenciar la fotoluminiscencia de los centros SiV, abriendo nuevas vías de investigación en el ámbito de la detección cuántica.

Si necesita obleas de diamante monocristalino de gran tamaño, no dude en ponerse en contacto con nosotros.