Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) разработали методику получения в алмазе тончайших графитизированных слоев. Уникальные свойства этих слоев в совокупности с разработанной технологией фотолитографии по алмазу открывают перед алмаз-графитовыми структурами большие перспективы по созданию на их основе различных элементов электроники и оптоэлектроники.
Кремний, германий, арсенид галлия и т.п. – основные материалы современной электроники. Впереди – освоение новых материалов, отработка новых технологий. Одним из перспективных материалов является алмаз, он – идеальный по всем свойствам материал для создания электронных компонентов, способных работать в жестких условиях эксплуатации (высокие температуры и уровни радиации, агрессивные химические среды).
Двое научных сотрудников ФИАН – Роман Хмельницкий и Валерий Дравин – под руководством заместителя директора ФИАН, доктора физ.-мат.наук Алексея Гиппиуса разработали методику создания алмаз-графитовых структур, весьма перспективных для применения в электронике и оптоэлектронике. Эта методика стала одним из прикладных аспектов многолетних исследований микрофизики процесса графитизации алмаза – фазового перехода I рода в твердом состоянии.
"Алмаз и графит – это простейшие вещества, состоящие из углерода, но с разными кристаллическими решетками и разными химическими связями между атомами. В результате, алмаз – твердый, графит – мягкий; алмаз - прозрачный, графит – черный; алмаз – изолятор, графит – проводник; химически алмаз - исключительно стойкий материал, графит же – травится даже слабыми кислотами. То есть алмаз и графит – это по всем свойствам принципиально противоположные вещества, поэтому переход алмаз-графит можно считать эталонным фазовым переходом I рода в твердой фазе", - рассказывает старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физ.-мат.наук Роман Хмельницкий.
Однако процесс графитизации алмаза почти никогда не происходит самопроизвольно, для трансформации алмаза в графит нужно преодолеть большой энергетический барьер. Одним из способов преодоления этого барьера является радиационное повреждение, а наиболее эффективной технологией - ионная имплантация.
"Суть технологии состоит в том, что ионы с энергией в десятки и сотни килоэлектронвольт выбивают из кристаллической решетки атомы, после чего твердое тело для восстановления его кристаллической структуры подвергается высокотемпературному отжигу. Однако сильно дефектный алмаз свою структуру при отжиге не восстанавливает, а переходит в состояние, при котором атомы, как в графите, связаны sp2 связями. В результате в облученной области создаются тонкие графитизированные слои, окруженные со всех сторон алмазом, и защищенные тем самым как химически, так и механически. Методом ионной имплантации можно создавать в алмазе слои толщиной от единиц микрон до 10 нм на определенной глубине, а графитизированные слои в алмазе - это проводник в изоляторе, токопроводящая дорожка или электрод", - комментирует сотрудник ФИАН.
Но есть в использовании алмаза в качестве материала электроники серьезная трудность. Дело в том, что основной технологией современной микроэлектроники является фотолитография (метод нанесения на материал "очертаний" будущей микросхемы), однако к алмазу адгезия фотослоя очень низкая. Физикам из ФИАНа в сотрудничестве со специалистами из НИИ "Пульсар" удалось преодолеть эти технологические трудности, и технология фотолитографии по алмазу получила жизнь.
"Первым делом мы напыляем на алмаз металл, но далеко не любой, а только тот, который имеет хороший контакт с углеродом. Таким образом, фотолитография делается уже не непосредственно по алмазу, а по металлу, который используется в качестве маски. В приложении к технологии ионной имплантации приходится использовать двух- и трехслойные металлические покрытия", - разъясняет суть технологии фотолитографии по алмазу Роман Хмельницкий.
Часть планарной линейки, предназначенной для детектирования УФ и рентгеновского излучения.
Основу электродов линейки составляет тонкий графитизированный слой, расположенный в алмазе на глубине 0,5 мкм (он проявляется зеленым интерференционным цветом), выводы от электродов также сделаны графитизированными до поверхности (покрыты золотыми контактами).
Еще до недавнего времени алмаз не рассматривался как серьезный кандидат для электронных применений. Во-первых, из-за дороговизны природных алмазов, во-вторых, из-за малости доступных образцов, в третьих, из-за низкого качества материала. И только в связи с освоением технологий выращивания синтетических алмазов хорошего качества, с появлением перспектив создания алмазных пластин относительно большой площади (сейчас уже пытаются изготавливать пластины размером 2 дюйма), и благодаря отработке конкретных методик "обуздания" алмаза в практических целях (описанных выше), у этой кристаллической модификации углерода появились хорошие шансы найти свою нишу в электронике.
АНИ «ФИАН-информ»
