Японским исследователям удалось создать групповую технологию подвешенных структур (кантилеверов и мостов) монокристалла алмаза для нано- и микроэлектромеханических систем.

Основываясь на этом процессе, доктор Мейонг Ляо (Meiyong Liao), старший научный сотрудник Центра сенсорных материалов Национального института материаловедения Японии, и его коллеги получили первый в мире монокристаллический алмазный наноэлектромеханический переключатель.

НЭМС-переключатель выигрывает в сравнении с обычными полупроводниковыми приборами, так как имеет низкую потерю тока, малое энергопотребление и четко различимые состояния «включено/выключено». Большинство существующих НЭМС/МЭМС-переключателей базируются на кремнии или металлических материалах, имеющих существенные недостатки – слабую механическую, химическую и термическую устойчивость, низкую надежность и износостойкость.

Алмаз является идеальным материалом для нано- и микроэлектромеханических систем, так как имеет высочайший модуль упругости, механическую твердость, теплопроводность и переменную электропроводность от изолятора до проводника. Однако в связи со сложностью изготовления подвешенных структур монокристалла алмаза, разработка монокрасталличекских алмазных НЭМС- и МЭМС-устройств остается проблематичной.

Исследователи Национального института материаловедения Японии разработали процесс изготовления подвешенных монокристаллических алмазных структур путем локального формирования временного слоя графита в основе монокристалла алмаза с помощью имплантации высокоэнергетических ионов, за которой следует рост алмазного поверхностного слоя методом химического парофазного осаждения, активированного микроволновой плазмой (MPCVD), и удаление временного слоя графита. В ходе дальнейшего совершенствования технологии, группе удалось изготовить первое в мире переключающееся устройство с транзистороподобной структурой, включающей три электрода.

Рис. 1. Изображение подвешенных структур монокристалла алмаза: кантилевер (a), мост (b), 3-терминальный НЭМС-переключатель. Воздушный зазор был сформирован на подложке.

Ток утечки разработанного алмазного НЭМС-переключателя очень низок, расход энергии составляет менее 10 пиковатт. Устройства демонстрируют высокую воспроизводимость, надежность и отсутствие поверхностного трения. Подтвердилась стабильная работа алмазного НЭМС-переключателя при высокой температуре окружающей среды (250°C). Был измерен модуль Юнга подвижной консольной конструкции, который составил 1100 гигапаскалей, что близко к показателям внутренней структуры алмазных монокристаллов. Таким образом, в недалеком будущем можно ожидать появление высокоскоростных (гигагерцовых) коммутационных операций.

По сравнению с существующими МЭМС-переключателями, ожидается, что алмазные НЭМС-переключатели станут более совершенными, в том числе в части надежности, долговечности, скорости и пропускной способности электрической сети. Разработанные устройства могут использоваться как СВЧ-переключатели для беспроводных сетей нового поколения и логических схем, работающих в суровых климатических условиях. В результате проведенных исследований была создана более функциональная инфраструктура для алмазных нано- и микроэлектромеханических систем, открывающая дорогу новым химическим, физическим и механическим сенсорам.