Алмазная тематика в Институте прикладной физики РАН развивается с середины 90х годов прошлого столетия. К тому времени в институте накопилось достаточное количество фундаментальных знаний в области физики СВЧ разряда и по выражению Анатолия Леонтьевича Вихарева, д.ф-м.н., заведующего отделом физики плазменных технологий, «стали проявлять большой интерес к его практическому использованию». Интерес был усилен еще и тем, что росла потребность в выходных алмазных окнах для создаваемых в институте мощных гиротронов, алмазные пластины для которых приходилось закупать. За сравнительно небольшой срок сотрудники инститита не только освоили метод газофазного синтеза алмаза (CVD – chemical vapor deposition – осаждение из газовой фазы), но и добились значительного повышения скорости его роста. Уже в 2003 году ИПФ РАН начал самостоятельно выращивать для гиротронов поликристаллические CVD алмазные пластины требуемого качества. Более того, применение гиротрона вместо магнетрона в технологической установке позволила ученым института создать собственное эффективное лабораторное оборудование, а в 2009 году и запатентовать во многих странах мира уникальную промышленную технологическую установку по скоростному выращиванию алмазных пленок, которая оказалась востребованной.  

Алмаз, обладающий самой высокой теплопроводностью и прозрачностью в широком диапазоне длин волн, сегодня активно привлекает внимание разработчиков, как перспективный материал для широкого круга научных и промышленных применений. Поликристаллические CVD алмазные пленки и пластины высокого качества стали доступны для применения в электроники больших мощностей, оптике, микроэлектронике. Однако область применения поликристаллического алмаза ограничивается из-за наличия границ кристаллов. Более привлекательным с точки зрения широкого высокотехнологичного применения является монокристаллический CVD алмаз, который относится к широкозонным полупроводникам и обладает рекордной подвижностью основных носителей.

Разработать технологию выращивания комбинированных пластин моно- и поликристаллического CVD алмаза большой площади стало очередной задачей ученых лаборатории алмазной электроники ИПФ РАН, которая была успешно решена в 2014 году. По новой технологии, ученые лаборатории вырастили пластину диаметром 76 мм, на которой содержится более 100 монокристаллов CVD алмаза, врощенных в поликристаллическую алмазную основу.

Распространенные размеры монокристаллических пластин CVD алмаза существующих в настоящее время в мире находятся пока в диапазоне от 3х3 до 5х5 мм2. Технология производства пластин монокристаллического CVD алмаза большей площади у многих разработчиков еще находится в стадии исследований, а рекордный размер пластины CVD алмаза (срощенного из нескольких CVD пластин-«клонов») составляет 40x60 мм.

Разработанная в ИПФ РАН технология отличается еще и тем, что соединение поли- и монокристаллических областей происходит непосредственно в процессе CVD роста. Рост поликристаллических алмазных подложек (поликристаллической матрицы), а также комбинированных пластин, осуществлялся в плазмохимическом CVD реакторе на основе CВЧ резонатора, возбуждаемого на частоте 2.45 ГГц, рисунок 1(а). Полученные пластины комбинированного CVD алмаза были использованы для эпитаксиального выращивания на них беспримесных, а также легированных бором слоев CVD алмаза.

 

(a)                                                                  (б)

Рисунок 1. Фотография комбинированной пластины моно- и поликристаллического CVD алмаза:
(а) в реакторе в процессе сращивания поликристаллических и монокристаллических областей и (б) после процесса роста.

 

Фотография комбинированной пластины после процесса роста приведена на рисунке 1(б). Одной из важных задач, возникающих в процессе получения комбинированного CVD алмаза, является минимизация механических напряжений, которые возникают в процессе сращивания моно- и поликристаллического алмаза. Поэтому после процесса роста проводились дальнейшие эксперименты по минимизации напряжения в комбинированной пластине, используя термический отжиг. Для измерения механических напряжений, возникающих в монокристаллических участках комбинированных алмазной пластин, были сняты рамановские спектры с пространственным разрешением. Из рамановских спектров следует, что после отжига значения напряжений в моно- и поликристаллических участках комбинированной пластины уменьшились, и практически сравнялись между собой.

Использование комбинированного поли- и монокристаллического CVD алмаза позволит значительно расширить применение монокристаллических пластин небольших размеров. Так, например, для создания электронных приборов на комбинированных пластинах большого диаметра (75 мм и более) могут быть использованы технологические линии, уже разработанные для кремниевой технологии. Активную часть прибора можно изготавливать на участке монокристаллического алмаза, а «матрица» из поликристаллического алмаза, будет являться держателем, обладающим высокой теплопроводностью.

Ученые ИПФ РАН в 2014 году сделали очередной шаг на пути достижения поставленной цели - создание алмазных полупроводниковых материалов высокого качества для создания электронных устройств с уникальными техническими характеристиками.  

Материал подготовила И. Тихонова