Синтез сильно легированного CVD алмаза и осаждение на нем алмазных и диэлектрических пленок для создания полупроводниковых приборов на алмазе

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-12-00309

НазваниеСинтез сильно легированного CVD алмаза и осаждение на нем алмазных и диэлектрических пленок для создания полупроводниковых приборов на алмазе

Руководитель Лобаев Михаил Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова Полупроводниковый алмаз, CVD алмаз, гомоэпитаксия алмаза, алмазоподобный углерод, подзатворный диэлектрик, МДП гетероструктура, критический уровень легирования, электрофизические характеристики

Код ГРНТИ29.19.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Алмаз является перспективным материалом для приборов полупроводниковой электроники следующего поколения. Известно, что алмаз является широкозонным полупроводником, обладающим совокупностью электрофизических, структурных, механических и тепловых свойств, которые существенно превосходят другие полупроводниковые материалы. Такой набор свойств алмаза может позволить создать электронные приборы на алмазе с уникальными характеристиками. Однако реализовать преимущества алмаза до настоящего времени не удается из-за отсутствие легирующих примесей с невысокими значениями энергий активации. Для получения алмаза с дырочным и электронным типом проводимости используют легирование бором и фосфором. Энергии активации этих примесей составляют величины 0.37 эВ и 0.57 эВ соответственно. Поэтому для получения приемлемого уровня проводимости необходимо сильное легирование алмаза. При сильном легировании алмаза бором энергия активации уменьшается практически до нулевого значения и при концентрациях бора 5*10^20 см^-3 происходит переход к металлическому типу проводимости. При дальнейшем повышении концентрации бора вплоть до значений (1-3)*10^21 см^-3 проводимость алмаза повышается, а затем происходит насыщение встраиваемости бора с последующим переходом алмаза к графитовой фазе. Следует отметить, что диапазон концентраций бора от 5*10^20 см^-3 до 10^21 см^-3 мало исследован с точки зрения контролируемого получения эпитаксиальных слоев высокого кристаллического совершенства. До недавнего времени считалось, что рост не легированных или слаболегированных эпитаксиальных слоев алмаза на сильно легированных эпитаксиальных слоях сопровождается появлением протяженных дефектов – дислокаций, которые снижают пробойные характеристики алмаза и приводят к возникновению утечек электрического тока в прототипах полупроводниковых приборов на основе алмаза. В некоторых последних работах было показано, что оптимизация условий роста позволяет получать не легированные эпитаксиальные слои с очень низкой плотностью дислокаций менее 10^2 cm^-2, выращенные на поверхности сильно легированных слоев. При сильном легировании алмаза фосфором происходит уменьшение энергии активации, но в настоящее время переход к металлическому типу проводимости еще не реализован. Наибольшее значение концентрации примеси при легировании алмаза фосфором около 10^20 см^-3 удалось получить только для поверхности с ориентацией (111). Для поверхности алмаза с ориентацией (001) такой концентрации пока достигнуть не удалось. Это связано с другим механизмом встраивания фосфора в эту поверхность. Цель предлагаемого проекта заключается в исследовании сильно легированных бором и фосфором эпитаксиальных слоев алмаза в диапазоне концентраций от 10^20 см^-3 до 10^21 см^-3 и поиск условий роста не легированного алмаза высокого кристаллического совершенства выращенного на слоях легированных бором. В ходе выполнения проекта будут разработаны и применены подходы по контролируемому увеличению концентрации бора и фосфора в эпитаксиальных слоях, получению бездислокационного перехода между сильно легированными и слаболегированными бором слоями, установлены предельные физические и технологические возможности легирования алмаза бором и фосфором, развита теоретическая модель фазового перехода изолятор-металл в алмазе при произвольной температуре. Будут разработаны методики, позволяющие диагностировать такие структурные особенности сильнолегированных слоев алмаза, как возникновение димеров B-B и P-P, бор-углеродных и фосфор-углеродных сверхструктур, кластеров бора и фосфора, алмазоподобного нестехиометрического карбида бора BCx и фосфора PCx. Решение этих задач позволит существенно продвинуться на пути создания полупроводниковых приборов на основе алмаза. Появится возможность создания различных типов диодов, высоковольтных p-i-n диодов с рекордной плотностью тока в открытом состоянии превосходящих существующие прототипы. Получение хорошо проводящего алмаза и перехода сильно легированный алмаз – не легированный алмаз не достаточно для создания всего спектра полупроводниковых приборов. Одним из существенных вопросов является выбор диэлектрика для формирования управляющих структур металл диэлектрик полупроводник (МДП) в полевых транзисторах на основе алмаза. В настоящее время для этой цели используют оксид алюминия Al2O3. При этом остается мало исследованным применение других диэлектрических слоев. Для исследования возможностей управления проводимостью алмаза в предполагаемом проекте будет осуществляться нанесение диэлектрических слоев Al2O3 и YSZ методом атомно-слоевого осаждения и SiNx и DLC методом плазмохимического осаждения в качестве подзатворного диэлектрика. Будет проводиться исследование электрофизических характеристик таких МДП гетероструктур. Будет изучена термостабильность омических контактов к алмазным пленкам вплоть до температуры 400 град.С. В результате исследования будут получены новые фундаментальные данные о влиянии концентрации бора на образование дефектов в переходе сильно легированный алмаз – не легированный алмаз. Будет исследованы слои алмаза сильно легированные фосфором. Будут отработаны технологические решения нанесения диэлектрических слоев на не легированный и сильно легированный алмаз и термостабильных омических контактов к сильнолегированному бором алмазу. В итоге будут разработаны физические основы для создания полупроводниковых приборов на основе алмаза.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лобаев М.А., Радищев Д.Б., Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Богданов С.А., Исаев В.А., Краев С.А., Охапкин А.И., Архипова Е.А., Демидов Е.В., Дроздов М.Н. SiV Centers Electroluminescence in Diamond Merged Diode Phys. Status Solidi RRL, Phys. Status Solidi RRL2022, 2200432 (год публикации - 2022)
10.1002/pssr.202200432

Публикации

1. Лобаев М.А., Радищев Д.Б., Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Богданов С.А., Исаев В.А., Краев С.А., Охапкин А.И., Архипова Е.А., Демидов Е.В., Дроздов М.Н. SiV center electroluminescence in high current density diamond p-i-n diode Applied Physics Letters (год публикации - 2023)
10.1063/5.0178908

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Полупроводниковый алмаз рассматривается как один из перспективных широкозонных полупроводниковых материалов для мощных и высокочастотных электронных приборов следующего поколения. По своим физическим характеристикам: высокому пробойному полю, рекордной теплопроводности и высоким значениям подвижности электронов и дырок он превосходит другие широкозонные полупроводниковые материалы. Основным недостатком алмаза являются глубокие энергетические уровни примесей 0.38 эВ при легировании алмаза бором (p-тип проводимости) и 0.57 эВ при легировании алмаза фосфором (n-типа проводимости). Поэтому для получения хорошей проводимости необходимо сильное легирование алмаза. Целью данного проекта являлось исследование сильно легированных бором и фосфором эпитаксиальных слоев CVD алмаза в диапазоне концентраций от 10^20 см-3 до 10^21 см-3 и создание бездефектного перехода сильно легированный алмаз – слаболегированный алмаз, который является основой многих полупроводниковых приборов. А также отработка технологических решений для формирования омических контактов к сильно легированным слоям с пониженным контактным сопротивлениям. Для создания МДП гетероструктур на алмазе необходимо исследование осаждения диэлектрических пленок обладающих высокими значениями пробойных напряжений. Были проведены теоретические исследования фазового перехода изолятор-металл в сильно легированном бором алмазе. В результате была построена теория фазового перехода изолятор-металл для случая трехмерного и двухмерного легирования алмаза бором. Результаты расчетов хорошо совпадали с экспериментальными результатами. Дополнительно были сделаны расчеты скорости передачи энергии от элементарных возбуждений фононам в сильно легированном бором сверхпроводящем алмазе. Алмаз, обладающий металлическим типом проводимости важен для создания МДП структур на алмазе. Были созданы несколько МДП структур и проведены исследования их электрофизических свойства. При этом использовались следующие диэлектрические покрытия: Al2O3, SiO2, SiNx и нанокристаллический алмаз. Проведенные измерения показали, что для создания МДП структур подходят пленки SiO2 и SiNx. Для этих двух пленок в вольтфарадных измерениях наблюдались режимы аккумуляции и обеднения носителей заряда в слаболегированном канале необходимые для создания МДП транзистора на основе алмаза. В результате проведенных исследований удалось получить бездефектный перехода p++/p- за счет создания между слоями p++ и p- «переходного слоя» - слоя в котором концентрация бора плавно меняется от p++ до p-. Эти результаты использовались при создании МДП структур и двух прототипов электронных приборов на алмазе: диода Шоттки и полевого транзистора с затвором Шоттки. В исследованных диодах Шоттки получен высокий коэффициент выпрямления (отношение плотности тока в прямом и обратном направлениях), который превышал 10^11 при напряжении +/- 5В. Низкая плотность тока при включении диода в обратном направлении делает разработанный диод Шоттки перспективным при создании сверхчувствительных датчиков ионизирующего излучения. Впервые продемонстрирована возможность измерения температуры мощного диода (диода большой площади) диодом-сенсором (расположенным рядом диодом меньшей площади), для которого была сделана калибровка напряжения при малых токах при включении в прямом направлении от температуры алмазной структуры. Величина чувствительности диода-сенсора равнялась 3 мВ/ºC. Результаты оптимизации условий CVD роста сильно легированных бором и фосфором слоев использовались для создания p-i-n диодов на основе алмаза. При формировании p-i-n диодов использовались контакты с низким сопротивлением к сильно легированному алмазу. Были получены высокие плотности тока в диодах. Было проведено исследование влияния примесей во внутренней области диода, которые создают центры окраски, на вольтамперную характеристику. Легирование внутренней области азотом приводило к повышению напряжения открытия с 5 В (для p-i-n диода с нелегированной внутренней областью) до 20 В. При включении диода в обратном направлении наблюдались низкие токи утечки и пробойное напряжение больше 120 В. Для диода, легированного германием напряжение открытия диода, возросло с 5 В до 60 В. Алмазные p-i-n диоды с примесями во внутренней области перспективны для создания яркого источника одиночных фотонов на его основе.

Публикации

1. Лобаев М.А., Радищев Д.Б., Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Богданов С.А., Исаев В.А., Кукушкин В.А., Краев С.А., Охапкин А.И., Архипова Е.А., Демидов Е.В., Дроздов М.Н., Хайбуллин Р. И. Электролюминесценция центров окраски германий-вакансия в алмазном p-i-n диоде Письма в Журнал технической физики (год публикации - 2025)

2. Лобаев М.А., Радищев Д.Б., Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Богданов С.А., Исаев В.А., Демидов Е.В., Краев С.А., Архипова Е.А., Королев С.А., Охапкин А.И., Дроздов М.Н. Real-time temperature sensor based on integrated diamond Schottky diode Materials Science in Semiconductor Processing (год публикации - 2025)

3. Лобаев М.А., Радищев Д.Б., Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Богданов С.А., Исаев В.А., Кукушкин В.А., Краев С.А., Охапкин А.И., Архипова Е.А., Демидов Е.В., Дроздов М.Н Исследование фото и электролюминесценции центров окраски, связанных с азотом, в алмазном p-i-n диоде Письма в Журнал технической физики (год публикации - 2025)

4. Кукушкин В. А., Кукушкин Ю. В. СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ОТ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ВОЗБУЖДЕНИЙ ФОНОНАМ В СИЛЬНО ЛЕГИРОВАННОМ БОРОМ СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ АЛМАЗЕ Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, 2025, том 167, вып. 5, стр. 711–719 (год публикации - 2025)
10.31857/S0044451025050098