Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) разработали методику получения в алмазе тончайших графитизированных слоев. Уникальные свойства этих слоев в совокупности с разработанной технологией фотолитографии по алмазу открывают перед алмаз-графитовыми структурами большие перспективы по созданию на их основе различных элементов электроники и оптоэлектроники.

Кремний, германий, арсенид галлия и т.п. – основные материалы современной электроники. Впереди – освоение новых материалов, отработка новых технологий. Одним из перспективных материалов является алмаз, он – идеальный по всем свойствам материал для создания электронных компонентов, способных работать в жестких условиях эксплуатации (высокие температуры и уровни радиации, агрессивные химические среды).

Двое научных сотрудников ФИАН – Роман Хмельницкий и Валерий Дравин – под руководством заместителя директора ФИАН, доктора физ.-мат.наук Алексея Гиппиуса разработали методику создания алмаз-графитовых структур, весьма перспективных для применения в электронике и оптоэлектронике. Эта методика стала одним из прикладных аспектов многолетних исследований микрофизики процесса графитизации алмаза – фазового перехода I рода в твердом состоянии.

«Алмаз и графит – это простейшие вещества, состоящие из углерода, но с разными кристаллическими решетками и разными химическими связями между атомами. В результате, алмаз – твердый, графит – мягкий; алмаз – прозрачный, графит – черный; алмаз – изолятор, графит – проводник; химически алмаз – исключительно стойкий материал, графит же – травится даже слабыми кислотами. То есть алмаз и графит – это по всем свойствам принципиально противоположные вещества, поэтому переход алмаз-графит можно считать эталонным фазовым переходом I рода в твердой фазе», – рассказывает старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физ.-мат.наук Роман Хмельницкий.

Однако процесс графитизации алмаза почти никогда не происходит самопроизвольно, для трансформации алмаза в графит нужно преодолеть большой энергетический барьер. Одним из способов преодоления этого барьера является радиационное повреждение, а наиболее эффективной технологией – ионная имплантация.

Часть планарной линейки, предназначенной для детектирования УФ и рентгеновского излучения. Основу электродов линейки составляет тонкий графитизированный слой, расположенный в алмазе на глубине 0,5 мкм (он проявляется зеленым интерференционным цветом), выводы от электродов также сделаны графитизированными до поверхности (покрыты золотыми контактами).

«Суть технологии состоит в том, что ионы с энергией в десятки и сотни килоэлектронвольт выбивают из кристаллической решетки атомы, после чего твердое тело для восстановления его кристаллической структуры подвергается высокотемпературному отжигу. Однако сильно дефектный алмаз свою структуру при отжиге не восстанавливает, а переходит в состояние, при котором атомы, как в графите, связаны sp2 связями. В результате в облученной области создаются тонкие графитизированные слои, окруженные со всех сторон алмазом, и защищенные тем самым как химически, так и механически. Методом ионной имплантации можно создавать в алмазе слои толщиной от единиц микрон до 10 нм на определенной глубине, а графитизированные слои в алмазе – это проводник в изоляторе, токопроводящая дорожка или электрод», – комментирует сотрудник ФИАН.

Но есть в использовании алмаза в качестве материала электроники серьезная трудность. Дело в том, что основной технологией современной микроэлектроники является фотолитография (метод нанесения на материал «очертаний» будущей микросхемы), однако к алмазу адгезия фотослоя очень низкая. Физикам из ФИАНа в сотрудничестве со специалистами из НИИ «Пульсар» удалось преодолеть эти технологические трудности, и технология фотолитографии по алмазу получила жизнь.

«Первым делом мы напыляем на алмаз металл, но далеко не любой, а только тот, который имеет хороший контакт с углеродом. Таким образом, фотолитография делается уже не непосредственно по алмазу, а по металлу, который используется в качестве маски. В приложении к технологии ионной имплантации приходится использовать двух- и трехслойные металлические покрытия», – разъясняет суть технологии фотолитографии по алмазу Роман Хмельницкий.

Еще до недавнего времени алмаз не рассматривался как серьезный кандидат для электронных применений. Во-первых, из-за дороговизны природных алмазов, во-вторых, из-за малости доступных образцов, в третьих, из-за низкого качества материала. И только в связи с освоением технологий выращивания синтетических алмазов хорошего качества, с появлением перспектив создания алмазных пластин относительно большой площади (сейчас уже пытаются изготавливать пластины размером 2 дюйма), и благодаря отработке конкретных методик «обуздания» алмаза в практических целях (описанных выше), у этой кристаллической модификации углерода появились хорошие шансы найти свою нишу в электронике.