Полупроводниковый CVD алмаз для мощных и высокочастотных электронных приборов

Цель исследования - разработка технологии, позволяющей сделать алмаз материалом, пригодным для создания полупроводниковых устройств со следующими свойствами (или их комбинациями): высокая рабочая мощность, высокая частота, работа в условиях высоких температур и/или в агрессивных средах. Проведены исследования гомоэпитаксиального выращивания монокристаллов CVD-алмаза высокой чистоты с низким уровнем примесного азота, менее 1ppb. Определены оптимальные параметры работы реактора для получения монокристаллов с низким содержанием дефектов, при этом скорость роста алмаза составила 10-15 мкм/ч. Проведены исследования выращивания монокристаллического CVD-алмаза в условиях экстремально больших удельных энерговкладов (более 1 кВт/см³). В результате были достигнута скорость эпитаксиального роста монокристаллического алмаза более 100 мкм/ч. Выращенные эпитаксиальные слои CVD-алмаза исследовались методами рамановской (комбинационного рассеяния) и фотолюминесцентной спектроскопии. Установлено, что ширина пика комбинационного рассеяния эпитаксиальных слоев CVD-алмаза находится в диапазоне 1,6 - 1,7 см⁻¹, что соответствует монокристаллическому алмазу высокого качества. Эпитаксиальные слои исследованы методами рентгеновской дифрактометрии, проведено картирование значений ширины кривой качания и брэгговского угла отражения алмаза по площади образцов. Созданный CVD-реактор позволяет выращивать дельта-слои, легированные не только бором, но и другими примесями, в частности азотом. В результате проведенных исследований получены зависимости встраиваемости азота и скорости роста от давления и содержания метана, а также угла разориентации поверхности подложки. Определены оптимальные условия синтеза сильнолегированных азотом слоёв, выращены дельта-слои, толщина которых не превышает нескольких нанометров. Разработаны методы создания контактов Шоттки, которые могут быть использованы для управления зарядовым состоянием NV-центров. Полученные в результате экспериментов вольт-амперные характеристики созданных структур с контактами Шоттки имеют четко выраженный барьерный тип. Разработана самосогласованная 2D-модель непрерывного СВЧ-разряда в водороде, поддерживаемого в условиях больших удельных энерговкладов. Для проверки модели проведено подробное экспериментальное исследование СВЧ-разряда в широком диапазоне давлений газовой смеси (80 - 500 Торр), что позволило проследить изменение параметров разряда при увеличении удельного энерговклада от 40 до 500 Вт/см³ и относительной концентрации водорода [H]/N от 0,1 до 0,7. Разработаны методы реконструкции профилей ВИМС легированных бором дельта-слоев CVD-алмаза с учетом изменяющихся с глубиной ширины аппаратной функции. Применение данных методов реконструкции позволило компенсировать влияние глубины залегания дельта-слоя на величину концентрации бора и толщину слоя и корректно проводить измерение концентрации бора методом ВИМС в дельта-слоях алмаза для многослойных структур. Выращены экспериментальные образцы с несколькими легированными бором дельта-слоями алмаза. Профили концентрации бора в слоях были измерены методом ВИМС. Реконструкции профилей ВИМС проведена с учетом изменяющейся ширины аппаратной функции по глубине расположения слоя. Определено, что ширина выращенных дельта-слоев составляла от 0,8 до 2 нм. Разработана технология создания металлических контактов к эпитаксиальным слоям алмаза, содержащих несколько легированных дельта-слоев. Разработаны и изготовлены несколько фотолитографических шаблонов для проведения измерений. Методом импедансной спектроскопии с использованием стандартного LCR-метра определены основные параметры алмазных структур с дельта-легированными слоями. Исследованы электрофизические параметры легированных бором дельта-слоев алмаза, подвижности и двумерной концентрации дырок, методом Ван-дер-Пау. Проведены измерения зависимости двумерной концентрации и подвижности дырок от температуры образцов. Выполнены исследования структур алмаза с дельта-слоями методом адмиттансной спектроскопии. Для образца с концентрацией бора в дельта слое 3,2∙10 20 см⁻³ определена энергия активации, равная 111 мэВ. Исследованы технологии защиты поверхности эпитаксиальных слоев с нанесенными контактами методом осаждения атомных слоев. Разработаны методики испытаний экспериментальных образцов приборов на основе легированного алмаза, включающие измерения частотных характеристик. Разработаны конструкция и технологический маршрут изготовления полевого транзистора на основе дельта-легированных слоев алмаза. Продемонстрирована применимость впервые предложенной в данной работе концепции селективного эпитаксиального роста алмаза в контактных окнах для создания полевого транзистора. На основе температурной зависимости подвижности и концентрации дырок в диапазоне температур от 300 до 500 К установлен сложный механизм протекания тока, включающий параллельное протекание носителей в нескольких областях с разной подвижностью и их перераспределение между этими областями при изменении температуры.