Синтез и обработка новых неорганических материалов с использованием плазмы и микроволнового излучения

Объектами исследования являются процессы выращивания легированных и нелегированных алмазных пленок из газовой фазы, при добавлении в газовую смесь различных примесей, а также сами полученные таким образом алмазные слои. Основными задачами данной работы являлись следующие. Исследование влияния концентрации примеси в алмазе на проводимость и другие характеристики алмаза, и выработка на их основе технологических подходов для контролируемого получения легированных слоев алмаза с заданными свойствами для транспортных, контактных, оптических и приборных приложений. Получение экспериментальных данных о влиянии легирующих добавок в газовую среду на процесс плазмохимического осаждения из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD) алмазных пленок в плазме СВЧ разряда, морфологию и свойства поверхности CVD алмаза. Получение информации о составе и концентрации различных химически активных компонент в плазме методами оптической спектроскопии излучения. В ходе выполнения работы были получены следующие результаты. Проведены серии экспериментов по выращиванию слоёв CVD алмаза, как монокристаллических, сильнолегированных комбинацией примесей бор-азот и фосфор-азот, так и нанокристаллических, выращенных в режимах, позволяющих управлять встраиванием в алмазный слой водорода. Исследовано влияние добавок в газовую среду на процесс осаждения плёнок CVD алмаза, в том числе на морфологию и скорость роста алмаза. Исследованы структурные и электрофизические свойства полученных алмазных слоёв. Методами оптической спектроскопии излучения получены данные о зависимости концентраций различных активных компонент в плазме от режимов осаждения и состава газовой смеси. Показано, что использование совместного легирования комбинацией бора с другими примесями позволяет существенно влиять на концентрацию бора в получаемых алмазных слоях. Показано, что при совместном легировании алмаза фосфором и азотом встраиваемость фосфора в алмаз (отношения концентрации фосфора в легированном алмазе к концентрации фосфора в газовой смеси) слабо зависит от концентрации фосфина в газовой смеси при малых концентрациях, но увеличивается при большой концентрации. Проведены исследования электропроводности нанокристаллических алмазных (НКА) пленок толщиной 0,5-1 мкм, выращенных на кремнии Si(100) методом плазмохимического осаждения из газовой фазы в смесях водорода и метана, водорода, метана и кислорода при их различном содержании. Методом нагрева в вакууме с использованием анализатора водорода АВ-1 определена концентрация водорода в исследуемых пленках и установлена связь между содержанием водорода в пленке и ее проводимостью. Показано, что водород, внедренный в НКА пленку в процессе ее роста, оказывает существенное влияние на ее электрические характеристики, увеличивая электропроводимость пленки. При этом высокотемпературная обработка в вакууме позволяет удалить водород из пленки и, следовательно, увеличить ее сопротивление, что может быть важным при использовании НКА пленок в качестве диэлектрических слоев, например, в микроэлектронике. Также проведено теоретическое моделирование дырочной проводимости для алмаза, сильно легированного бором. Показано, что при концентрациях бора, близких к фазовому переходу диэлектрик-металл, экспериментальная температурная зависимость поверхностного сопротивления алмазного слоя может быть объяснена прыжковой проводимостью - перескоком дырок между ближайшими локализованными состояниями, образованными кластерами из отрицательно заряженных ионов бора. Результаты теории находятся в хорошем согласии с экспериментом.