Плазмохимический синтез микро- и нанокристаллических композитов алмаз-карбид кремния с высокой теплопроводностью для применений в электронике

Алмаз и карбид кремния являются широкозонными полупроводниками, занимающими первое и третье место соответственно в иерархии самых теплопроводных объемных материалов при комнатной температуре. Это обуславливает, наряду с отличными электронными свойствами, большой потенциал применения алмаза и SiC в электронике, в том числе в теплоотводящих диэлектрических корпусах мощных электронных приборов. Проект нацелен на исследование нового метода получения высокотеплопроводных керамических композиционных материалов состава алмаз-карбид кремния. Синтез композитных слоев "алмаз-SiC" основан на со-осаждении алмаза и SiC в СВЧ плазме (частота 2,45 ГГц) в газовых смесях «метан-водород-силан» (H2-CH4-SiH4) и позволяет управлять структурой керамики в широких пределах, а также получать слоистые системы на подложках большого диаметра. Предполагается, что такая керамика с коэффициентом теплового расширения выше, чем у чистого алмаза, позволит облегчить ее интеграцию с кристаллами полупроводниковых приборов. За 1-й год реализации проекта (2018-2019) получены следующие важные научные результаты.(1) Экспериментально определена область параметров процесса осаждения в СВЧ плазме в смесях варьируемого состава H2-CH4-SiH4, приводящих к получению чистых компонент (фаз) алмаза и SiC, и композитных структур алмаз-SiC на подложках кремния c ориентацией (100). Синтезированы образцы двух вариантов композитных пленок алмаз/SiC. Первый тип структуры с последовательностью слоев Si/алмаз/SiC-алмаз, содержит композит на буферном слое микрокристаллического алмаза, предварительно выращенного на подложке Si. Второй вариант композита со структурой Si/SiC/SiC-алмаз выращен на гетероэпитаксиальном слое SiC на Si. Композитные пленки алмаз-SiC, осажденные в едином процессе из СВЧ плазмы с прекурсором SiH4, получены впервые.(2) С применением конфокальной спектроскопии комбинационного рассеяния света (КР), спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ), РЭМ, рентгено-диффракционного анализа получены экспериментальные данные о структуре образцов композита. Показано, что компонента SiC состоит преимущественно из политипа кубической структуры 3C-SiC с небольшой фракцией других политипов. (3) Отлажена методика оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС) для анализа плазмы в смесях H2-CH4-SiH4 в процессе синтеза композитных пленок. Впервые методика ОЭС применена к водородной (углеводородной) СВЧ плазме с добавкой силана. Прослежена эволюция спектров ОЭ (линии Si, С2, C-H, H) при изменении содержания SiH4 в рабочей смеси. По тонкой вращательной структуре переходов Свана в димере С2 в видимой области оценена газовая температура (около 3200С).5. В диапазоне температур 300 - 460К измерены вольтамперные характеристики (ВАХ) и определена электропроводность пленок, синтезированных в различных режимах. Удельное сопротивление пленок лежало в диапазоне 6×10-2 – 2×10-1 Ом*см, на 2-3 порядка ниже, чем для чистого монокристаллического SiC, и на 10-14 порядков ниже, чем для нелегированного алмаза. Все образцы продемонстрировали полупроводниковый тип проводимости с энергией активации 0,20-0,25 эВ. Предположено, что проводимость осуществляется через связанную систему зерен SiC.