Вся современная микроэлектроника основана на использовании монокристаллического кремния, и маловероятно, что в ближайшие годы какой-либо другой полупроводник сможет его вытеснить. Учёные из Белгородского государственного университета (БелГУ) в последние несколько лет исследуют свойства углеродных покрытий, наносимых на кремний. Такие покрытия позволяют сделать материал более твёрдым и устойчивым к механическим повреждениям. Кроме того, покрытие позволяет модифицировать электрофизические свойства кремния в нужном направлении. В новой работе Александр Колпаков и его коллеги из научно-исследовательской лаборатории проблем разработки и внедрения ионно-плазменных технологий БелГУ изучили свойства углеродного покрытия, легированного атомами азота.

Статья об исследовании выйдет в следующем номере журнала «Российские нанотехнологии». Работа была поддержана ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

Свойства углеродного покрытия определяются формой электронных облаков атомов углерода. В случае sp3-гибридизации электронных облаков атом углерода оказывается вписан в воображаемую пирамиду с треугольным основанием: четыре электронных облака, окружающих ядро, отходят друг от друга под углом в 109 градусов. Такая электронная структура характерна для атомов алмаза. Высокая доля связей с sp3-гибридизацией обуславливает высокую плотность покрытия (до 3 г/см3) и большую ширину запрещённой зоны (до 5,5 эВ). Увеличение доли атомов с sp2-гибридизацией, характерной для графита, снижает плотность покрытия и ширину запрещённой зоны. Изменяя условия формирования углеродного покрытия, можно управлять соотношением фаз и получать материал с заданными свойствами.

Учёные продемонстрировали, что при увеличении доли атомов азота, включённых в углеродное покрытие, возрастает доля атомов с sp2-гибридизацией и повышается электропроводность материала. Правда, так происходит только до определённого предела: когда атомов азота становится слишком много, в покрытии формируются молекулы нитрида углерода и электропроводность снова начинает снижаться. Авторы также исследовали зависимость свойств покрытия от его толщины. Выяснилось, что с уменьшением толщины покрытия его удельная электропроводность снижается.

Рис. 1. Сканы поверхности углеродных покрытий, легированных азотом, полученные методом сканирующей зондовой микроскопии. Иллюстрация авторов исследования.

Исследование структуры поверхности покрытия с помощью сканируемой зондовой микроскопии показало, что в её структуре встречаются кластеры размером от 10 до 100 нм (в зависимости от толщины самого покрытия). На их поверхности электрофизические свойства материала изменяются. Возможно, эти структурные особенности в будущем найдут применение в электронике.

Легированное углеродное покрытие само по себе обладает полупроводниковыми свойствами, и его электропроводностью можно управлять, изменяя температуру окружающей среды. В то же время изменяются электрофизические свойства комплекса «кремний-покрытие». При нанесении углеродных покрытий с различным содержанием азота ширину запрещённой зоны комплекса можно изменять от 1,12 эВ (ширина запрещённой зоны, характерная для кремния) до 0,19 эВ. Это свойство покрытий «делает перспективным их применение в нанотехнологии и микроэлектронике», пишут авторы.

Первоисточник информации:

А. Я. Колпаков, И. В. Суджанская, М. Е. Галкина, И. Ю. Гончаров, А. И. Поплавский, С. С. Манохин Влияние степени легирования азотом и толщины на электропроводность и морфологию наноразмерных углеродных покрытий на кремнии. – Российские нанотехнологии. – № 3–4. – 2011 год.