Ученые СПбГУ и ЛЭТИ разработали методику изучения материалов на основе алмаза для космической электроники будущего

Физики Санкт‑Петербургского государственного университета и Санкт‑Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» создали методику высокоточного определения концентрации бора в наноразмерных слоях полупроводниковых структур на основе синтезированного алмаза. В будущем предложенный способ может использоваться для контроля качества материалов, используемых в датчиках, которые смогут работать в экстремальных условиях.

Сегодня кремний активно используется для массового производства электронных приборов. Это один из самых распространенных химических элементов в земной коре (второй после водорода). Кроме того, он достаточно дешевый и обладает целым рядом полезных полупроводниковых и оптических свойств.

Однако, как отмечают ученые, некоторые характеристики кремния уже недостаточны для стремительного развития современных технологий и электроники. Например, при высоких температурах и радиации его полупроводниковые свойства деградируют, а невысокая подвижность электронов в кремнии не позволяет ему успешно конкурировать с новыми материалами в СВЧ‑диапазоне, который применяется в телекоммуникационных системах последних поколений.

Поэтому ведущие научные группы мира ведут разработки, направленные на перевод электроники на новую базу. Один из перспективных материалов, способных в будущем заменить кремний, — это алмаз, который характеризуется высокой прочностью, устойчивостью к радиации и высоким температурам.

Хотя сам алмаз является диэлектриком, то есть не способен проводить через себя электрический ток, он может стать полупроводником при добавлении в его кристаллическую структуру примеси бора. Поскольку в природе алмазы встречаются несоизмеримо реже кремния, за последние два десятилетия были разработаны технологии получения их искусственных аналогов, однако они довольно затратны и технически сложны.

Чтобы увеличить возможности использования алмазов, ученые ведут работу над созданием новых, более эффективных методов синтеза камней для их более широкого использования в производстве.

Мы совместно с коллегами из Санкт‑Петербургского университета 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.

Младший научный сотрудник кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Анна 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) были нанесены тонкие слои алмаза с примесью бора.

Исследователям требовалось точно оценить концентрацию бора в эпитаксиальных слоях независимо от того, как созданы сами подложки. Минералоги 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.

Ассистент кафедры минералогии СПбГУ Игорь Клепиков

Используя полученные данные ИК‑измерений подложек и эпитаксиальных слоев, ученые ЛЭТИ разработали математическую модель, которая позволила с высокой точностью определить концентрацию бора в эпитаксиальных слоях для любого материала.

По словам ученых, предложенная методика найдет применение в научных и прикладных разработках структур на основе алмаза. В перспективе в зависимости от концентрации бора можно будет получать структуры различных назначений, которые способны работать в критических и экстремальных условиях, например в космосе.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Materials Science and Engineering: B.