eng
Выпуск #2/2018
В.Лучинин
Национальные технологические приоритеты. Алмазная экстремальная электроника
Национальные технологические приоритеты. Алмазная экстремальная электроника
Просмотры: 4617
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
УДК 621.382, ВАК 05.27.06; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.81.2.156.169
Теги: carbon electronics diamond electronic components extreme modes алмаз углеродная электроника экстремальные режимы электронная компонентная база
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.
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
