Сегодня кремний является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, который используется для массового производства электронных приборов. Среди основных причин для его применения – широкая доступность (является вторым по распространенности химическим элементом в земной коре после кислорода) и дешевизна, полезные полупроводниковые и оптические свойства, а также высокий уровень технологичности при производстве. Эти факторы обусловливают очень важное значение кремния для современной электроники.
Однако по целому ряду характеристик сегодня кремний подошел к пределу своих возможностей. Например, при высоких температурах и радиации полупроводниковые свойства кремния деградируют; кроме того, невысокая подвижность электронов в кремнии не позволяет ему успешно конкурировать с новыми материалами в СВЧ-диапазоне, который применяется в телекоммуникационных системах последних поколений. В связи с этим в настоящее время ведущие научные группы в мире ведут разработки, направленные на перевод электроники на новую компонентную базу.
Один из перспективных материалов для замены кремния – это алмаз, который характеризуется высокой прочностью, устойчивостью к радиации и высоким температурам. Хотя сам по себе он является диэлектриком (не проводит электрический ток), при добавлении в его кристаллическую структуру примеси бора алмаз превращается в полупроводник. В природе алмазы встречаются несоизмеримо реже кремния, но в последние два десятилетия разработаны технологии получения их искусственных аналогов. Пока они довольно затратны и технически сложны, поэтому в перспективе использование материалов для электронных компонентов и устройств на основе алмаза требует разработки более эффективных методов синтеза.
«Мы совместно с коллегами из СПбГУ разработали методику высокоточного определения концентрации бора в наноразмерных слоях полупроводниковых структур на основе синтезированного алмаза. Предложенный математический подход может использоваться как для контроля уже выращенных образцов, так и для подбора структур с наилучшими полупроводниковыми характеристиками», – рассказывает младший научный сотрудник кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Анна Васильевна Соломникова.
В рамках исследования ученые изучали два вида образцов. Первый представлял собой различные алмазные подложки диэлектрического или полупроводникового типа. Второй вид состоял из алмазной подложки, на поверхности которой методом эпитаксии (напыления) нанесены тонкие слои алмаза с примесью бора. Материалы для исследований предоставил отечественный производитель алмазных структур ООО «НПК «Алмаз» – индустриальный партнер университета ЛЭТИ.
Исследователям требовалось точно оценить концентрацию бора в эпитаксиальных слоях, независимо от того, как созданы сами подложки. Ученые Санкт-Петербургского университета провели измерение спектров поглощения алмазных подложек. Для того, чтобы оценить концентрацию примеси в эпитаксиальном слое, у образцов второго типа измерялись спектры оптической плотности в инфракрасном диапазоне.
«Правильное определение методом ИК-спектроскопии концентрации примесей в тонких эпитаксиальных слоях алмаза позволяет использовать данный метод в качестве быстрого и надежного инструмента проверки приборных структур на базе алмаза», — рассказал ассистент кафедры минералогии СПбГУ Игорь Вячеславович Клепиков.
Используя полученные данные по ИК-измерениям подложек и эпитаксиальных слоев, ученые ЛЭТИ разработали математическую модель, которая позволила с высокой точностью определить концентрацию бора в эпитаксиальных слоях для любого материала. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Materials Science and Engineering: B.
«Предложенная методика найдет применение в научных и R&D-разработках структур на основе алмаза. В перспективе, в зависимости от концентрации бора, мы можем получать структуры под электронные компоненты различных назначений, которые способны работать в критических и экстремальных условиях, в первую очередь в космосе», – поясняет профессор кафедры МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Василий Иванович Зубков.
В состав научной группы вошли специалисты из СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и СПбГУ. Проект реализован в рамках госзадания Минобрнауки России (тема No. FSEE-2024-0005).
Источник информации и фото: Центр научных коммуникаций СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)