В отличие от других технологических вызовов, российская материаловедческая база обеспечила в настоящее время возможность формирования полностью отечественного инновационного технологического маршрута производства алмазной электроники с ранее недостижимыми энерго-частотными характеристиками, температурными и радиационными условиями эксплуатации. Это стало возможным благодаря постановке в России технологии выращивания крупных синтетических монокристаллов алмаза и разработке процессов получения легированных эпитаксиальных алмазных слоев, в том числе нанослоевых композиций.

УДК 621.382, ВАК 05.27.06; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.81.2.156.169

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
ISSN 1993-8578
ISSN 2687-0282 (online)
Книги по нанотехнологиям
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Герасименко Н.Н., Пархоменко Ю.Н.
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #2/2018
В.Лучинин
Национальные технологические приоритеты. Алмазная экстремальная электроника
Просмотры: 4858
В отличие от других технологических вызовов, российская материаловедческая база обеспечила в настоящее время возможность формирования полностью отечественного инновационного технологического маршрута производства алмазной электроники с ранее недостижимыми энерго-частотными характеристиками, температурными и радиационными условиями эксплуатации. Это стало возможным благодаря постановке в России технологии выращивания крупных синтетических монокристаллов алмаза и разработке процессов получения легированных эпитаксиальных алмазных слоев, в том числе нанослоевых композиций.

УДК 621.382, ВАК 05.27.06; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.81.2.156.169
В условиях известных ограничений в поставках на российский рынок критически важных инновационных материалов и технологий, формирование высокоинтеллектуальных отечественных технологических ниш для обеспечения независимости и безопасности государства является безусловным приоритетом.
Целью данной статьи является представление результатов формирования инновационной отечественной технологии электронной компонентной базы на основе уникального по своим электрофизическим, теплофизическим, оптическим и механическим свойствам материала – алмаза, обеспечивающего создание микро- и нанотехники нового поколения с ранее недостижимыми функциональными возможностями, режимами и условиями эксплуатации (рис.1). Формируемый полностью отечественный технологический маршрут от процессов роста алмазов до изготовления компонентов электроники и фотоники может рассматриваться как российский вызов достижения превосходства в высокоинтеллектуальной наукоемкой сфере с длительным горизонтом конкурентоспособной реализации.

СИНТЕТИЧЕСКИЙ АЛМАЗ КАК РУКОТВОРНАЯ "УГЛЕРОДНАЯ ЗВЕЗДА"
Углерод (от лат. carboneum "уголь") является достаточно широко распространенным в природе химическим элементом (содержание углерода в теле человека – 21%, в земной коре – 0,16%), которому присущ атомно-молекулярный энергетический конформизм, определяющий структурно-функциональное и физико-химическое разнообразие углеродосодержащих материалов (рис.2), а также их органо-неорганическую конвергенцию в рамках биотехносферы.
Широко используемый термин "углеродная электроника" интегрирует инновационный научно-технологический базис в области синтеза, структуро- и формообразования объектов микро- и нанотехники на основе углеродосодержащих неорганических и органических материалов и их гибридных конвергентных композиций (рис.3).
Наиболее яркий представитель "углеродного сообщества" – алмаз (от греч. adamas "несокрушимый"), углеродная природа которого была разгадана в конце 18 века, – остается до сих пор уникальным дорогостоящим материалом, востребованным как в ювелирной, так и в инженерной среде. Алмаз известен как драгоценный камень – бриллиант (от франц. brilliant "блестящий") и наиболее твердый абразив.
Синтетический алмаз – рукотворная копия природного минерала – занял устойчивые позиции на алмазном рынке. В настоящее время наряду с ювелирным и абразивным алмазом значительный интерес вызывает применение синтетических крупных (десятки карат) монокристаллов достаточно высокого структурного совершенства и чистоты для решения экстремальных инженерно-технических задач. Представим краткий анализ особенностей данного материала.
Алмаз обладает полиморфизмом, и его наиболее широко распространенная аллотропическая модификация (98%) – кубический алмаз имеет гранецентрированную кубическую элементарную ячейку. Гексагональный алмаз или "лонсдейлит" (назван по имени открывшего его в 1966 году британского кристаллографа Кэтлин Лонсдейл) кристаллизуется в решетку вюрцита. Если источником природного классического кубического алмаза является кимберлитовые трубки, то гексагональный обнаружен в метеоритных кратерах. Следует отметить, что технология получения синтетического алмаза гексагональной модификации чрезвычайно сложна.
Рассмотрим свойства наиболее распространенного как в природе, так и в промышленном производстве кубического алмаза. Молекулярный вес составляет 12 г/моль, плотность алмаза – 3,5 г/см3, рекордная относительная твердость по шкале Мооса – 10 (более 100 ГПа, но изменяется в зависимости от базовой грани алмаза), что в десятки раз превышает твердость корунда. Алмаз довольно хрупок, но имеет высокое значение модуля упругости (модуль Юнга) – 1,2 · 1012 Н/м2. Оптические параметры существенны при характеризации качества алмаза, включая "блеск" и разноцветную "игру" ограненных монокристаллов, и вносят решающий вклад в стоимость ювелирных изделий. Показатель преломления алмаза варьируется от 2,417 до 2,421; угловая дисперсия составляет около 0,06; отражательная способность – 0,172. Цвет алмаза – одна из важнейших ювелирных характеристик – определяется его легированием и структурным совершенством. Известны следующие окраски алмаза: бесцветный, желто-коричневый, коричневый, черный, серый, синий, зеленый, красный, розовый, голубой и очень редко – сиреневый.
Существует классификация, разделяющая алмазы на типы в зависимости от содержания базовых примесей (азота и бора) и их распределения в кристалле, что определяет оптическую прозрачность в широком диапазоне от жесткого ультрафиолета до глубокого инфракрасного диапазона длин волн. Основной примесью в алмазе является азот (тип I – содержание азота до 0,2%, тип II – не более 10–3%). Несмотря на возможность насыщения азотом до уровня 1018 см–3, природный алмаз остается диэлектриком, сопротивление которого может варьироваться в диапазоне от 1013 до 1016 Ом · см. Это связано с тем, что энергетическая глубина залегания донора (азота) очень велика – 1,7 эВ, что ограничивает концентрацию носителей заряда при комнатной температуре.
Перспективы формирования на основе алмаза полупроводниковых приборов и их конкурентоспособность по ряду энергетических и частотных параметров определяются возможностью получения легированного материала n- и p-типов проводимости. Легирование изменяет и цветовую гамму ювелирного алмаза. Традиционные для полупроводниковой технологии процессы диффузии непригодны из-за возможности протекания фазового перехода алмаза в графит, поскольку диффузионное введение примесей требует высоких температур и значительных длительностей процессов. Поэтому применяются легирование в процессе роста кристаллов, эпитаксия, ионная имплантация или терминирование поверхности.
Базовый набор легирующих примесей для алмаза ограничен бором (0,37 эВ) в качестве акцептора, фосфором (0,58 эВ) и азотом (1,7 эВ) в качестве доноров. При комнатной температуре данные глубокие примеси имеют достаточно низкую степень ионизации, что определяет ограничение количества свободных носителей заряда. Единственно возможный технологический способ увеличить их количество – создание сильнолегированного материала, что обеспечивает уменьшение энергетического зазора между зоной залегания примеси и потолком валентной зоны (материал p-типа) или дном зоны проводимости (материал n-типа). Если для типичного уровня легирования бором (менее 1017 см–3) энергия активации составляет 370 мэВ (степень ионизации 0,2%), то при концентрации примеси 1020 см–3 энергия активации имеет фактически нулевое значение, но при этом катастрофически падает подвижность носителей заряда. Резкое снижение подвижности дырок с 3 800 см2/В · с (NA ≈ 1015 см–3) до 100 см2/В · с происходит уже при концентрации примеси более 1019 см–3.
Так называемая технология термирования поверхности алмаза – модификация методом гидрирования, то есть термической или плазменной обработкой в водороде, – позволяет формировать дырочный проводящий канал толщиной до 10 нм с поверхностной плотностью заряда до 1013 см–2 и сверхмалой энергией активации носителей (23 мэВ). Подвижность носителей заряда составляет 50–150 см2/В · с. В отношении применения фосфора в качестве донора следует отметить, что его можно внедрить в алмаз, но, как и акцептор бор, он является глубоким, и при обычных температурах этот источник электронов крайне ограничен.
Для квантовых информационных фотонных систем на основе алмаза важны так называемые центры окраски: азот-вакансия (NV) и кремний-вакансия (SiV). Очевидно, что представляет интерес легирование алмаза и другими примесями из IV группы периодической системы, например германием.
"РЕКОРДНЫЙ" МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Оценивая свойства алмаза как материала для экстремальных условий и режимов эксплуатации, следует обратиться к общепринятым критериям (табл.1), характеризующим энерго-частотные, коммутационные и тепло-диссипативные возможности материала при создании высокочастотной и силовой электронной компонентной базы.
Перспективы абсолютного лидерства алмаза в экстремальной электронике определяют следующие его рекордные параметры:
• критическая напряженность электрического поля Ес = 10 МВ/см;
• теплопроводность λ = 20 Вт/см · К;
• ширина запрещенной зоны ∆Е = 5,45 эВ;
• температура Дебая TD = 1 860 К;
• скорость распространения звука υs = 10 км/с.
Ряд важнейших электрофизических параметров, определяющих быстродействие прибора, в том числе Vs – скорость насыщения при дрейфе носителей в электрическом поле для электронов (1,6  ·  107 см/с) и дырок (1,1  ·  107 см/с), а также подвижность носителей заряда в нелегированном материале (µn = 4 500 см2/В · с, µp = 3 800 см2/В ·  с), находятся на уровне аналогичных параметров полупроводниковых материалов, используемых при создании высокочастотных приборов. Однако, традиционные материалы – арсенид и нитрид галлия значительно проигрывают алмазу по теплопроводности, критической напряженности поля и ширине запрещенной зоны. Последний параметр является одним из определяющих с точки зрения достижения максимально высоких рабочих температур.
Применительно к экстремальному микроприборостроению следует обратить внимание также на рекордно низкий коэффициент расширения алмаза (10–6 К–1) и сравнительно невысокое значение относительной диэлектрической проницаемости ε = 5,5.
ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ АЛМАЗНЫЙ МАРШРУТ
"ОТ КРИСТАЛЛА ДО ПРИБОРА"
Несмотря на разгадку в конце 18 века углеродной природы алмаза, прошло более полутора веков, прежде чем в Швеции, СССР и США в начале 1950-х годов были выращены синтетические алмазы с использованием двух видов технологий: CVD (Chemical Vapor Deposition) – химическим осаждением из газовой фазы; термобарическим методом HРHT (High Pressure, High Temperature) – кристаллизацией алмаза из расплава углерода при высокой температуре и давлении в присутствии металлических катализаторов. Синтетические кристаллы, выращенные по технологии HРHT, часто имеют габитус в форме куба, и для них характерна зональная (секториальная) окраска (рис.4), определяемая анизотропией растворимости примесей.
В основу отечественной разработки полевого транзистора на основе алмаза была положена конструкция, обеспечивающая решение двух задач:
• создание сверхтонкого наноразмерного заглубленного сильнолегированного слоя алмаза, являющегося источником носителей заряда для слаболегированного слоя с приемлемой подвижностью носителей, что было реализовано в рамках эпитаксии "δ-легированного" бором слоя толщиной около 2 нм;
• формирование на поверхности алмазной δ-нанокомпозиции "управляющего" подзатворного диэлектрика, что было реализовано прецизионной низкотемпературной технологией атомно-молекулярной химической сборки совершенного нанотолщинного слоя оксида алюминия.
В качестве материала затвора использована платина, которая локально, с помощью остросфокусированного ионного пучка, нелитографически осаждалась на поверхность Al2O3 ионно-стимулированной химической реакцией в FIB-станции Helios Nanolab с применением металлоорганического соединения платины.
Базовые ключевые технологические операции формирования отечественного алмазного МДП-транзистора представлены в табл.2. Аппаратурно-технологическую реализацию сформированного и реализованного технологического маршрута, базовую структуру и выходные характеристики изготовленного алмазного МДП-транзистора поясняет табл.3. Использование в качестве подзатворного диэлектрика структурно совершенного слоя оксида алюминия, полученного методом ALD, обеспечивает эффективное управление током в канале и уменьшение токов утечки. Однако, необходимо достаточно большое управляющее напряжение, а также не наблюдается участка насыщения выходной характеристики вследствие проявления известного эффекта "глубокого хвоста" у "δ-легированного" слоя.
Совокупность рекордных параметров, которыми обладает алмаз, предопределяет в качестве одной из перспективных ниш для его эффективного применения создание коммутирующих компонентов с ранее недостижимыми энерго-частотными, энерго-импульсными параметрами и стойкостью к тяжелым условиям эксплуатации, включая высокие температуру и радиационные воздействия.
В табл.4 представлен сравнительный анализ трех типов ключей, которые могут быть реализованы на алмазе с использованием его рекордных возможностей при различных конструктивных решениях и функциональном назначении: генерации сверхвысокой плотности мощности, сильноточной и высоковольтной коммутации, защите от внешних электромагнитных воздействий.
Следует отметить, что в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" выполнен комплекс разработок всех представленных видов ключей на основе ближайшего аналога алмаза – карбида кремния (рис.5). В рамках научно-технологической кооперации с ИПФ РАН проводились работы по созданию на основе алмаза микромеханических ключей в интересах НПП "Исток" и автоэмиссионных структур. В частности, реализация композиционной автоэмиссионной структуры "карбид кремния – нанокристаллический алмаз" (рис.6а и 6b), показала резкое повышение стабильности работы и минимизацию деградационных процессов (рис.6c).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приоритеты развития алмазной электроники и фотоники для обеспечения технологической независимости и конкурентоспособности России по критическому направлению развития электронной компонентной базы отражает табл.5, а прогрессивные материаловедческие тенденции в технологии алмаза обобщены на рис.7.
Отечественная научно-технологическая школа сохраняет определенный международный паритет в этой инновационной сфере. Алмаз с учетом декларируемых стратегических направлений развития страны является для России яркой инновационной звездой. Интеграция научно-инженерного и образовательного потенциалов НПП "Исток", ООО "ИНРЕАЛ", ООО "Новые алмазные технологии", Института прикладной физики РАН, ФГУ "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов", Института ядерной физики СО РАН, СПбГЭТУ "ЛЭТИ" в рамках системных инновационных востребованных государством алмазных проектов может позволить достичь реального превосходства в высокоинтеллектуальной наукоемкой сфере с длительным горизонтом конкурентоспособной реализации.
В заключение автор выражает благодарность отечественным разработчикам алмазной технологии: А.Л.Вихареву; М.П.Духновскому; А.В.Колядину; В.А.Ильину; В.И.Зубкову; А.В.Афанасьеву; А.С.Иванову; М.Ф.Панову; А.Д.Канарейкину; а также профессору Дж.Батлеру (США) за совместный труд, научное и человеческое общение, без которых появление данной статьи было бы невозможно. ■
Работы выполнялись при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (проекты № 14.В25.31.0021 и № 03.G25.31.0243) и гранта РНФ № 15-19-30022.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art