Ученые ЛЭТИ участвуют в создании образцов алмазных пластин с добавлением бора для силовой электроники будущего
Сделан первый шаг в создании массовых электронных компонентов, представляющих огромный интерес для современной криптографии, космической и ядерной промышленности.
В современной электронике используются такие полупроводниковые материалы, как кремний, германий, галлий и его соединения (например, арсенид галлия, GaAs), а также селен. Несмотря на широкое применение, каждый из них имеет свои недостатки, ограничивающие использование в определенных областях.
Основным полупроводниковым материалом благодаря своей доступности, низкой стоимости и выдающимся полупроводниковым и оптическим характеристикам является кремний. Однако он имеет ограничения при работе в высокочастотной электронике и не подходит для оптоэлектронных устройств из-за низкой эффективности излучения света. Также кремний чувствителен к радиации и обладает относительно низкой теплопроводностью, что приводит к деградации устройств на его основе. В связи с этим ученые ищут новые материалы, которые смогут выдерживать критические условия работы, такие как космос, радиоактивные среды, подводные условия, а также высокогорные и полярные регионы.
Одним из перспективных материалов является химически чистый алмаз. Несмотря на то, что он сам по себе является диэлектриком, благодаря возможности внедрения высокой концентрации легирующих элементов, таких как азот, бор и фосфор, этот материал становится полупроводником, приобретая важное значение для микроэлектроники.
Особый интерес вызывают алмазные кристаллы с примесью бора, которые рассматриваются как основа для устройств опто- и микроэлектроники нового поколения. Над их изучением работают научные группы по всему миру.
«Наш научный коллектив занимается характеризацией чистых алмазных подложек, легированных бором. Они являются основой для прототипов относительно простых, но весьма эффективных электронных устройств – диодов Шоттки, которые будут характеризоваться высокой надежностью, большим напряжением пробоя, рекордно высокой теплопроводностью и увеличенным сроком службы». – Профессор кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Василий Иванович Зубков
Объемные кристаллы алмаза ученые выращивают методом HPHT (High Pressure High Temperature), имитирующим природные условия, при которых алмазы образуются в земной коре. Графит (углерод) помещают в камеру, где создаются высокое давление (5–6 ГПа) и высокая температура (1300–1600°C), под воздействием которых тот и превращается в алмазный кристалл в течение нескольких дней (около 20 суток). При этом легирование может осуществляться в процессе роста алмаза. Далее получившийся кристалл нарезается на пластины с помощью лазерной техники, которые служат основой для выращивания других полупроводниковых структур и размещения различных электронных компонентов.
Разработка метода производства электронных компонентов на основе алмаза проводится российской компанией «New Diamond Technology» совместно с СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Ранее в рамках этой работы ученые ЛЭТИ разработали методику высокоточного определения концентрации бора в слоях структур на основе алмаза. Данный подход может применяться для контроля качества электронных материалов.
«На данный момент получен образец, на основе которого можно изготавливать прототипы электронных устройств. Однако для внедрения разработок в массовое производство необходимо достичь размеров алмазной монокристаллической подложки электронного качества от 2 дюймов и выше с плотностью дислокаций менее 103 см-2. Именно на это будут направлены наши дальнейшие исследования». – Профессор кафедры МНЭ Василий Иванович Зубков
Результаты работы были представлены на международной научной конференции «11th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors (APWS 2024)», проходившей в Пусане.