В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» сделан первый шаг в создании массовых электронных компонентов на основе алмазов. Они представляют огромный интерес для современной криптографии, космической и ядерной промышленности.
Каждый из полупроводниковых материалов, которые используются в современной электронике, такие как кремний, селен, германий, галлий и его соединения, имеют недостатки, ограничивающие их использование. Например, кремний — самый доступный и часто применяемый полупроводниковый материал, не подходит для оптоэлектронных устройств из-за низкой эффективности излучения света и ограниченно применяется в высокочастотной электронике. Также кремний чувствителен к радиации и обладает относительно низкой теплопроводностью. Это приводит к деградации устройств на его основе. В так называемой силовой электронике — области, связанной с управлением большими токами посредством мощных электронных приборов — деградация идёт в ускоренном режиме.
Поэтому учёные стремятся создать новые полупроводниковые материалы, которые могли бы служить в критических условиях: радиоактивных средах, космосе, высокогорных и полярных регионах, под водой… Все эти среды человечеству предстоит интенсивно осваивать в будущем. А в таких отраслях, как промышленность, добывающие отрасли, транспорт, связь, будет востребована силовая электроника.
Одним из самых перспективных материалов для силовой электроники является химически чистый алмаз. Изначально это диэлектрик — непроводник, но благодаря возможности внедрения высокой концентрации легирующих элементов, таких как азот, бор и фосфор, этот материал становится полупроводником, приобретая важное значение для микроэлектроники.
Особый интерес у исследователей вызывают алмазные кристаллы с примесью бора, которые рассматриваются как основа для устройств опто- и микроэлектроники нового поколения. И в этом направлении значительно продвинулись специалисты кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина).
«Наш научный коллектив занимается характеризацией чистых алмазных подложек, легированных бором, — рассказал профессор кафедры МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Василий Иванович Зубков. — Они являются основой для прототипов относительно простых, но весьма эффективных электронных устройств — диодов Шоттки, которые будут характеризоваться высокой надёжностью, большим напряжением пробоя, рекордно высокой теплопроводностью и увеличенным сроком службы».
Разумеется, для своей работы учёные используют не натуральные, а искусственные кристаллы алмаза, выращенные в условиях, имитирующих природные.
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 или недель. В процессе роста алмаза может осуществляться и легирование — добавление в состав примесей, например, того же бора, для изменения свойств. После этого готовый кристалл нарезается лазерной техникой на пластины, которые служат основой для выращивания других полупроводниковых структур и размещения различных электронных компонентов.
Выращиванием алмазов занимаются не сами учёные, а специалисты из петербургской компании, установившей и удерживающей несколько мировых рекордов в своей отрасли.
Напомним, что ранее учёные ЛЭТИ разработали методику высокоточного определения концентрации бора в слоях структур на основе алмаза. Данный подход может применяться для контроля качества электронных материалов.