ENGLISH
Результаты реализации первого этапа проекта:
Разработан реактор для получения легированного бором дельта слоя CVD алмаза, который должен обеспечивать эпитаксиальный рост монокристаллических слоев алмаза как электронного качества (с низким содержанием примесей), так и контролируемый рост дельта слоев, легированных бором.
Для получения эпитаксиальных слоёв CVD алмаза электронного качества исследованы характеристики (качество кристаллической решетки, наличие дефектов и примесей) алмазных подложек, выращенных по технологии высокого давления и высокой температуры, методами спектроскопии комбинационного рассеяния и фотолюминесценции, оптической, сканирующей электронной и сканирующей зондовой микроскопии, методами интерферометрии белого света, методом ВИМС (вторично-ионной масс спектрометрии).
Проведен анализ перспективных типов приборов СВЧ-электроники, мощных электронных приборов и диодов с барьером Шотки на основе CVD алмаза. Рассмотрены различные варианты их конструкций.
Опробованы методы изготовления электронных приборов на основе монокристаллического алмаза – формирование контактов, литография, травление.
Публикации первого этапа проекта:
S.A. Bogdanov, A.L. Vikharev, A.M. Gorbachev, A.B. Muchnikov, D.B. Radishev, N.M. Ovechkin and V.V. Parshin, Growth rate enhancement of high quality low-loss CVD diamond disks grown for microwave windows application, Chemical Vapour Deposition, Volume 20, Issue 1-2-3, pages 32–38, March 2014, http://dx.doi.org/10.1002/cvde.201307058
Результаты реализации второго этапа проекта:
Создан плазменный СВЧ реактор для получения легированного бором дельта слоя CVD алмаза.
Подготовлен плазмохимический 2,45 ГГц реактор для эпитаксиального осаждения монокристаллического CVD алмаза высокого качества с содержанием азота внутри образца менее 100 ppb. Такой уровень азотной примеси соответствует пленкам электронного качества.
Разработан метод получения однородно легированных бором слоев CVD алмаза толщиной 2-2,5 мкм, концентрация бора в выращенных экспериментальных алмазных образцах находилась в пределах 1018-1020 см-3. Разработан метод контроля уровня легирования непосредственно в процессе роста CVD алмаза при помощи спектроскопии излучения.
Разработана и опробована методика механической обработки и характеризации подложек из монокристаллического HPHT алмаза для последующего гомоэпитаксиального роста CVD алмаза. Подготовлена серия подложек (100) HPHT алмаза размером (3,5х3,5х0,5 мм3) с шероховатостью менее 1Å и углом разориентации не более 0,1o. Детально исследован ICP-RIE процесс травления монокристаллических подложек в Ar/Cl2 плазме при низком давлении (сухое травление в плазме индукционного разряда совмещенное с реактивным ионным травлением) для удаления поверхностного слоя монокристаллической алмазной подложки, нарушенного в процессе шлифовки, проведено детальное изучение процесса травления (100) монокристаллических подложек в Н2 плазме СВЧ разряда высокого давления.
Разработана CVD технология выращивания комбинированных пластин большой площади (диаметром до 76 мм), содержащих более 100 монокристаллов CVD алмаза, врощенных в поликристаллическую алмазную основу. Разработанная технология включает соединение поли- и монокристаллических областей в процессе CVD роста, снятие механических напряжений между областями путем высокотемпературного отжига и выращивание на монокристаллических областях комбинированных пластин эпитаксиальных слоев CVD алмаза, легированных бором. Применение технологии позволяет получать комбинированные пластины пригодные для создания электронных приборов на основе полупроводникового CVD алмаза в существующих технологических линиях.
Предложена и обоснована расчётами новая конструкция дельта-легированного проводящего канала полевого транзистора, основанная на применении нового профиля распределения концентрации бора в этом канале, имеющего два близко (на расстоянии порядка 3 нм) расположенных максимума. Показано, что такой профиль легирования обеспечивает повышение подвижности, следовательно, и проводимости канала на 60% по сравнению с профилем, который имеет один максимум.
Проведено моделирование полевого транзистора, в котором проводящий канал создается с помощью насыщенного водородом поверхностного слоя. При значении поверхностного заряда 1013 см-2, получены следующие значения характеристик транзистора: крутизна 250 мСим/мм, частота отсечки 25-30 ГГц, частота максимального усиления 90-100ГГц. Показано, что напряжения и токи в предложенном варианте транзистора почти на порядок превышают рабочие напряжения и токи НЕМТ транзистора с такой же геометрией.
Проведено моделирование диода Шоттки m-i-p структуры. Разработана технология изготовления диодов Шоттки на основе полупроводникового CVD алмаза с использованием платиновых контактов, нанесенных методом фотолитографии. Изготовлены экспериментальные образцы диодов Шоттки на легированных бором слоях CVD алмаза и исследованы их вольт-амперные характеристики. Исследованы электрические характеристики экспериментальных образцов приборов, представляющих собой легированные бором слои CVD алмаза с нанесенными на них платиновыми контактами. Изучены вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики полученных структур. Показано, что вольт-фарадные измерения полупроводникового CVD алмаза характеризуются существенным отходом от принципа квазистатичности измерений (независимость от частоты тестового сигнала). По данным вольт-фарадных измерений проведена оценка концентрации основных носителей заряда (дырок) при различной температуре.
Публикации второго этапа проекта:
A.B. Muchnikov, A.L. Vikharev, D.B. Radishev, V.A. Isaev, O.A. Ivanov, A.M. Gorbachev, A wafer of combined single-crystalline and polycrystalline CVD diamond, Materials Letters, 2015, 139, pp.1-3; http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2014.10.022
Kukushkin V.A., Snider G.L., Bogdanov S.A., Chernov V.V., Delta layer doping profile in diamond providing high carrier mobility, physica status solidi RRL, Volume 8, Issue 10, pp 876-879, http://dx.doi.org/10.1002/pssr.201409302
Кукушкин В. А., Увеличение радиационного времени жизни экситонов Ванье−Мотта в полупроводниковых нанокластерах, Физика и техника полупроводников, Tом 49, вып.1, http://journals.ioffe.ru/ftp/2015/01/p76-81.pdf
S.P. Antipov, S.V. Baryshev, J.E. Butler, C. Jing, A.D. Kanareykin, P. Schoessow, M. Conde, W. Gai, J.G. Power, S. Stoupin, RF breakdown test of diamond-loaded resonator for high gradient wakefield accelerator applications, Diamond & Related Materials, http://dx.doi.org/10.1016/j.diamond.2014.10.013
Bogatskiy A., James E. Butler, A Geometric Model of Growth for Cubic Crystals: Diamond, Diamond and Related Materials, 53 (2015), 58-65, http://dx.doi.org/10.1016/j.diamond.2014.12.010
Vikharev A.L., Muchnikov A.B., Radishev D,B., Isaev V.A., Ivanov O.A., Gorbachev A.M., Growth and characterization of combined single-crystalline and polycrystalline CVD diamond wafer, MRS Online Proceedings Library, 2014, v.1734, mrsf14-1734-r09-01, http://dx.doi.org/10.1557/opl.2015.41
Ivanov O.A., Muchnikov A.B., Chernov V.V., Bogdanov S.A., Vikharev A.L., Butler J.E., Experimental study of hydrogen plasma etching of (100) single crystal diamond in a MPACVD reactor, Material Letters, http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2015.03.073
Результаты реализации третьего этапа проекта:
Получены однородно легированные бором слои CVD алмаза толщиной 2-2,5 мкм, концентрация бора находилась в пределах 1018-1019 см-3. Показано, что управление потоком водорода через раствор триметилбората в этиловом спирте, а также концентрацией триметилбората, позволяет расширить диапазон уровня легирования алмаза бором от 1016 до 1021 см-3. Электрофизические характеристики легированных бором слоев CVD алмаза были исследованы методами рентгеновской топографии и дифрактометрии, ИК-Фурье спектроскопии, катодолюминесценции.
В результате измерений методом спектроскопии адмиттанса были определены I-V и C-V характеристики сильно легированных бором экспериментальных образцов монокристаллических алмазных слоев. Была установлена зависимость энергии активации примесей бора от степени легирования. Обнаружен переход к прыжковому типу проводимости при высоких концентрациях бора.
Исследован ICP-RIE процесс травления монокристаллических подложек в Ar/Cl2 плазме при низком давлении. Показано, что ICP-RIE метод является перспективным для однородного (по всей площади образца) удаления поверхностного слоя монокристаллической алмазной подложки, нарушенного в процессе шлифовки. Установлено, что используемый метод травления не приводит к ухудшению шероховатости поверхности, достигнутой в процессе механической полировки. Показано, что при эпитаксиальном выращивании монокристаллического CVD алмаза на HPHT подложках могут возникать структурные дефекты, которые индуцированы именно процессом шлифовки и/или полировки, а не с особенностями режима осаждения и/или наличием дислокаций в подложке. Выявлено, что при травлении подложек в ICP-RIE плазме с увеличением глубины травления уменьшается плотность дефектов шлифовки, вплоть до их полного исчезновения.
В результате проведенного цикла экспериментов по гомоэпитаксиальному CVD росту алмаза выращены образцы высококачественного монокристаллического CVD алмаза. На HPHT монокристаллических алмазных подложках получены алмазные CVD слои, которые имеют качество выше, чем у подложек и толщину около 1 мм.
Изготовлена установка для исследования алмаза методами «микрорамановской» спектроскопии. Установка позволяет измерять спектры комбинационного рассеяния и фотолюминесценции с высоким пространственным разрешением (размер пятна около 1 мкм), и позволяет получать информацию о степени кристаллического совершенства алмазной фазы (по ширине пика, соответствующего алмазу), а также о наличии не-алмазных фаз (графита, аморфного углерода), дефектов и примесей, таких, например, как комплексов (N-V)0 и (N-V)- и "кремний-вакансия" (Si-V).
Исследовано качество экспериментальных образцов эпитаксиальных слоев CVD алмаза методами микрорамановской спектроскопии. Установлено, что ширина на половине высоты рамановского пика, соответствующего алмазу, составляет порядка 1,7 см-1 по всей поверхности образца, что свидетельствует о высоком кристаллическом совершенстве образцов. Измерения показали, что содержание азота в образцах составляет всего лишь несколько ppb.
Создан принципиально новый тип реактора для получения легированного бором дельта слоя CVD алмаза. Для данного реактора создана специальная система подвода газов, которая обеспечивает одновременную подачу в реактор газовой смеси, состоящую из шести различных газов, быстрое переключение на другой состав газовой смеси и ламинарный поток газов в реакционной камере. На данном реакторе получены сильно легированные бором дельта-слои алмаза толщиной 2-3 нм.
Разработаны конструкции и проведено моделирование различных приборов на основе алмаза. Проведено моделирование p-i-p транзистора с изолированным затвором при различных толщинах сильнолегированного слоя (200 нм и 50 нм), которое показало возможность получения следующих характеристик прибора: крутизна порядка 150-200мСим/мм, частота отсечки 20 ГГц, частота максимального усиления мощности 80 ГГц. Особенность транзистора в сравнении с НЕМТ транзистором близких геометрических размеров – на порядок большие напряжения и токи.
Разработана технология микропрофилирования алмазной подложки методом РИПТ (реактивного ионно-плазменного травления). Показано, что используемый метод формирования металлических масок позволяет обеспечить высокую селективность травления алмаза. Получены тестовые мезаструктуры с вертикальными стенками с незначительным количеством дефектов.
Проведены исследования по отработке технологии нанесения Pt – как металла, который в структуре Pt-алмаз образует барьер Шоттки наибольшей величины по сравнению с технологически доступными металлами: Ni, Ta, W, Ti, Al, V. Платина наносилась методом катодного распыления на подложки без эпитаксиальных слоев. Показано, что данная технология позволяет сформировать контактные системы Pt-C требуемой топологии методом lift-off и обеспечить хорошую адгезию металла к алмазу.
Предложен метод пассивации поверхности приборных структур при помощи напыления Al2O3 с целью уменьшения поверхностных токов утечки в планарных диодах Шоттки. Отработана технология нанесения защитно-изолирующего слоя Al2O3 (толщиной 70 нм) методом атомно-слоевого осаждения. Исследование полученных плёнок Al2O3 методами эллипсометрии и электронной микроскопии показали их высокое качество и однородность напыления.
Разработан бесконтактный метод неразрушающего измерения сверхвысокочастотных характеристик экспериментальных образцов приборов, изготовленных с использованием дельта легированных алмазных слоев. В основе разработанного метода лежит измерение S-параметров разработанной измерительной ячейки и последующий расчет комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей исследуемой структуры в соответствии с алгоритмом Николсона-Росса. Благодаря тесной связи между комплексной диэлектрической проницаемостью и проводимостью дельта-легированного слоя, оценивается концентрация сосредоточенных в дельта-слое носителей заряда. Проведено моделирование трех различных конструкций измерительной ячейки, выбрана и изготовлена оптимальная ячейка на основе симметричной полосковой линии передачи.
Публикации третьего этапа проекта:
M.A. Lobaev, S.A. Bogdanov, D.B. Radishev, A.L. Vikharev, A.M. Gorbachev, Method of power density determination in microwave discharge, sustained in hydrogen-methane gas mixture, Diamond & Related Materials 66 (2016) 177-182, http://dx.doi.org/10.1016/j.diamond.2016.05.004
A.B. Muchnikov, D.B. Radishev, A.L. Vikharev, A.M. Gorbachev, A.V. Mitenkin, M.N. Drozdov, Yu.N. Drozdov, P.A. Yunin, Characterization of interfaces in mosaic CVD diamond crystal, Journal of Crystal Growth, 442 (2016) 62–67, http://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.02.026
A. L. Vikharev, A. M. Gorbachev, M. A. Lobaev, A. B. Muchnikov, D. B. Radishev, V. A. Isaev, V. V. Chernov, S. A. Bogdanov, M. N. Drozdov, and J. E. Butler, Novel microwave plasma-assisted CVD reactor for diamond delta doping, Phys. Status Solidi RRL, 1–4 (2016), http://dx.doi.org/10.1002/pssr.201510453
V.A. Kukushkin, S.A. Bogdanov, Simulation of CVD diamond-based high speed near-infrared photodetectors, Diamond & Related Materials 60 (2015) 94–98, http://dx.doi.org/10.1016/j.diamond.2015.10.017
V. I. Zubkov, O. V. Kucherova, S. A. Bogdanov, A. V. Zubkova, J. E. Butler, V. A. Ilyin, A. V. Afanas'ev, A. L. Vikharev, Temperature admittance spectroscopy of boron doped chemical vapor deposition diamond, Journal of Applied Physics 118, 145703 (2015); http://dx.doi.org/10.1063/1.4932664
O. A. Ivanov, A. M. Gorbachev, A. L. Vikharev, M. A. Lobaev, V. A. Isaev, V. V. Chernov, Electron emission amplification of cold cathode by two-layer diamond coating, Phys. Status Solidi A, 212: 1779–1784. http://dx.doi.org/10.1002/pssa.201431799
O.A.Ivanov, A.B.Muchnikov, V.V.Chernov, S.A.Bogdanov, A.L.Vikharev, J.E.Butler, Experimental study of hydrogen plasma etching of (100) single crystal diamond in a MPACVD reactor, Materials Letters, 151 (2015) 115–118, http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2015.03.073
A. B. Muchnikov, A. L. Vikharev, J. E. Butler, V. V. Chernov, V.A. Isaev, S.A. Bogdanov, A. I. Okhapkin, P. A. Yunin, and Y. N. Drozdov, Homoepitaxial growth of CVD diamond after ICP pretreatment, Phys. Status Solidi A, 212: 2572–2577. http://dx.doi.org/10.1002/pssa.201532171
О.И. Хрыкин, Ю.Н. Дроздов, М.Н. Дроздов, П.А. Юнин, В.И. Шашкин, С.А. Богданов, А.Б. Мучников, А.Л. Вихарев, Д.Б. Радищев, Монокристаллические слои GaN/AlN на CVD-алмазе, Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 19, c.8-15
М.А. Лобаев, О.А. Иванов, А.Л Вихарев, А.М. Горбачев, В.А. Исаев, Исследование взаимодействия пучка электронов с сильным высокочастотным полем в волноводном переключателе мощного СВЧ компрессора, Изв. Вузов. Радиофизика, т.58, №.11, c.913-922, (2015)
A.L.Vikharev, A.B.Muchnikov, D.B.Radishev, V.A.Isaev, O.A.Ivanov, A.M. Gorbachev, Growth and characterization of combined single-crystalline and polycrystalline CVD diamond wafer, Pittsburgh, PA, MRS Proceedings, V.1734, (2015), http://dx.doi.org/10.1557/opl.2015.41
Диагностика эффективности возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов квантовыми точками с помощью поляризационных измерений выходного излучения, Кукушкин В.А., Физика и техника полупроводников, 2015, том 49, вып 6
O.A. Ivanov, A.L. Vikharev, A.M. Gorbachev, Experimental study of plasma decay in pulsed microwave discharges of H2, CH4 and their mixtures, Plasma sources, science and technology, v.25, N3, 2016
M.A. Lobaev, S.A. Bogdanov, D.B. Radishev, A.L. Vikharev, A.M. Gorbachev, Investigation of microwave discharge in cavity reactor excited in the TM013 mode, Proceedings of IX International workshop “Microwave discharges: fundamentals and applications”, September 7-11, 2015, Cordoba (Spain), pp.83-88
Зубков Василий Иванович, Панов Михаил Федорович, Афанасьев Алексей Валентинович, Ильин Владимир Алексеевич, Ламкин Иван Анатольевич, Батлер Джеймс Эхрич, Вихарев Анатолий Леонтьевич, Богданов Сергей Александрович, На пути к дельта-легированному полупроводниковому алмазу, Нано- и микросистемная техника, 2015, Декабрь, № 12 (185)
Витько Виталий Валерьевич, Кондрашов Александр Викторович, Никитин Андрей Александрович, Батлер Джеймс Эхрич, Измерительная ячейка для исследования СВЧ-свойств дельта-легированных алмазных образцов, Известия вузов России: Радиоэлектроника, 2015, 3
Вихарев А.Л., Лучинин В.В., CVD алмаз – материал для нового поколения электронных приборов: выращивание, характеристики и некоторые применения, Электроника и микроэлектроника СВЧ, 2015. Т. 1. № 1. С. 29-33.
С.А. Богданов, А.Л. Вихарев, М.Н. Дроздов, Исследование синтеза полупроводникового CVD алмаза при высокой степени легирования, Электроника и микроэлектроника СВЧ, 2016. Т. 1. № 1. С. 79-81.
Результаты реализации четвертого этапа проекта:
На четвертом этапе выполнения проекта были получены следующие основные результаты.
Исследованы условия получения высококачественного, высокочистого монокристаллического эпитаксиального CVD алмаза, окружающего легированный дельта-слой. Исследовано качество получаемого алмаза в зависимости от содержания метана в рабочей газовой смеси и от угла разориентации алмазной подложки (угола между нормалью к поверхности алмазной подложки и кристаллографическим направлением [001]). В результате установлены скорости роста эпитаксиальных слоев и определены требования к величине угла разориентации для получения высококачественных слоев.
Исследована эффективность встраивание бора в монокристаллический алмаз в зависимости от режимов осаждения CVD алмаза. Установлены оптимальный диапазон температур подложки и отношения концентраций бора и углерода B/C в газовой смеси, при которых наблюдается максимальное встраивание бора в решетку алмаза.
Изготовлены экспериментальные образцы легированных дельта-слоев алмаза, получены дельта-слои с малой толщиной 1.4-2.5 нм и высокой концентрацией бора (3-9)·1020 см-3.
По результатам измерений экспериментальных образцов методом Ван-дер-Пау определена величина максимальной подвижности дырок равная 300 В2/см×с. При этом явно проявляется разделение дырок и легирующих атомов бора, поэтому подвижность дырок включает интегральное значение из разных областей алмаза – легированной с малой подвижностью и нелегированной с высокой подвижностью. Это подтверждается исследованием зависимости подвижности и концентрации дырок от температуры. Таким образом, впервые в эпитаксиальных пленках алмаза с дельта-слоями наблюдался эффект возрастания подвижности дырок из-за разделения с легирующими атомами бора. Это доказывает высокое качество изготовленных структур – резкость переходов профиля легирования, высокое качество нелегированных эпитаксиальных слоев и высокую концентрацию атомов бора в дельта-слое.
С использованием методов литографии и прецизионного травления алмаза в кислородной плазме была сформирована тестовая меза-структура с вертикальным протеканием тока для проведения C-V измерения профиля дырок в CVD алмазе с дельта-слоями. С ее использованием был измерен профиль концентрации дырок и определена его температурная зависимость в диапазоне температур 260 – 400К. Для исследованного дельта-слоя бора в алмазе энергия активации была определена равной порядка 60 мэВ, что оказывается значительно меньше величины энергии активации бора в алмазе 370 мэВ и соответствует высокой концентрацией бора, которая по данным ВИМС превышает 3×1020 см-3.
Проведено численное моделирование структуры с несколькими легированными дельта-слоями с учетом квантово-механических эффектов. Установлено, что два и более дельта-слоев в алмазной CVD-структуре могут увеличить концентрацию примеси, а, следовательно, и носителей в канале полевого транзистора. При этом оптимизация расположения дельта-слоев может обеспечить и высокую подвижность носителей заряда.
С помощью численного моделирования проведена оптимизация положения легированного бором дельта-слоя относительно поверхности эпитаксиального слоя для достижения максимальных рабочих характеристик полевого транзистора.
Исследовано плазмохимическое травление алмаза в различных смесях газов, содержащих хлор, гексафторид серы, кислород с буферным газом аргоном или гелием. Определены режимы, при которых не происходит развития шероховатости распыляемой поверхности, проведено сравнение скорости травления различных материалов и их селективность по отношению к алмазу. Таким образом, была отработана технология травления эпитаксиальных слоев CVD алмаза на сверхмалые глубины с целью вскрытия окон к легированному дельта-слою.
Отработана технология получения низкоомных омических контактов на основе слоистой композиции титан – никель к алмазным пленкам p-типа проводимости, а также качественно показано, что использование платины и алюминия приводит к формированию перехода Шоттки.
Разработана конструкция полевого транзистора на основе легированного дельта-слоя алмаза, в том числе с контактами Шоттки. Построена модель транзистора с дельта-слоем, позволяющая учесть разный закон изменения подвижности и неполной ионизации в разных областях структуры транзистора. Рассмотрено влияние глубины залегания дельта-слоя на ВАХ и ВФХ транзистора. Установлено критическое влияние на основные характеристики транзистора качества омических контактов истока и стока.
Показано, что транзистор на основе гидрогенизированного алмаза обладает низкой стабильностью и низкой технологической воспроизводимостью. Изготовлены экспериментальные образцы транзисторных структур на основе дельта-легированного алмаза, которые являются наиболее стабильными и технологически воспроизводимыми по сравнению с транзисторами на основе гидрогенизированного алмаза. Продемонстрирован транзисторный эффект (управление проводимостью канала) на образце с дельта слоем толщиной 1,4 нм.
Публикации четвертого этапа проекта:
O.A.Ivanov, A.L.Vikharev and A.M.Gorbachev, Experimental study of plasma decay in pulsed microwave discharges of H2, CH4 and their mixtures. Plasma Sources Sci. Technol., 25 (2016) 035017, http://dx.doi.org/10.1088/0963-0252/25/3/035017
A.B.Muchnikov, D.B.Radishev, A.L.Vikharev, A.M.Gorbachev, A.V.Mitenkin, M.lN.Drozdov, Y.N.Drozdov, P.A.Yunin, Characterization of interfaces in mosaic CVD diamond crystal, Journal of Crystal Growth, 442 (2016) 62–67, http://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.02.026
V.A. Kukushkin, Simulation of a perfect CVD diamond Schottky diode steep forward current–voltage characteristic, Physica B 498 (2016) 1–6, http://dx.doi.org/10.1016/j.physb.2016.06.011
A.V.Golubkov, A.S.Ivanov, V.A.Ilyin, V.V.Luchinin, S.A.Bogdanov, V.V.Chernov and A.L.Vikharev, Stabilizing effect of diamond thin film on nanostructured silicon carbide field emission array, Journal of Vacuum Science & Technology B 34, 062202 (2016), http://dx.doi.org/10.1116/1.4965727
V.V. Chernov, A.M. Gorbachev, A.L. Vikharev, and M.A. Lobaev, Criterion for comparison of MPACVD reactors working at different microwave frequencies and diamond growth conditions, Phys. Status Solidi A, vol. 213, Issue 10, 2016, pp. 2564–2569, http://dx.doi.org/10.1002/pssa.201600193
A. Tumarkin, S. Razumov, A. Gagarin, A. Altynnikov, A. Mikhailov, R. Platonov, I. Kotelnikov, A. Kozyrev, J. E. Butler, Ferroelectric Varactor on Diamond for Elevated Power Microwave Applications, IEEE Electron Device Letters, V.37, N.6, p. 762-765, June 2016, http://dx.doi.org/10.1109/LED.2016.2554882
J.E. Butler, A. Vikharev, A. Gorbachev, M. Lobaev, A. Muchnikov, D. Radischev, V. Isaev, V. Chernov, S. Bogdanov, M.l Drozdov, E. Demidov, E. Surovegina, V. Shashkin, A. Davidov, H. Tan, L. Meshi, A. C. Pakpour-Tabrizi, M.-L. Hicks, R. B. Jackman, Nanometric diamond delta doping with boron, Phys. Status Solidi RRL, 1–6 (2016), http://dx.doi.org/10.1002/pssr.201600329
Е.А. Суровегина, Е.В. Демидов, М.Н. Дроздов, А.В. Мурель, О.И. Хрыкин, В.И. Шашкин, М.А. Лобаев, А.М. Горбачев, А.Л. Вихарев, С.А. Богданов, В.А. Исаев, А.Б. Мучников, В.В. Чернов, Д.Б. Радищев, Д.Е. Батлер, Атомный состав и электрофизические характеристики эпитаксиальных слоев CVD алмаза, легированных бором, Физика и техника полупроводников, 2016, том 50, вып. 12, стр. 1595-1598
Результаты реализации пятого этапа проекта:
На пятом этапе выполнения проекта были получены следующие основные результаты.
1. Проведены исследования гомоэпитаксиального выращивания монокристаллов CVD алмаза высокой чистоты с низким уровнем примесного азота менее 1 ppb. Предложена и опробована методика измерения содержания азота в рабочей смеси газов в процессе осаждения CVD алмаза основанная на измерении интенсивности излучения молекулы CN. 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/час.
2. 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, было проведено картирование значений ширины кривой качания и брэгговского угла отражения алмаза по площади образцов. Для эпитаксиальных CVD слоев среднее значений ширины кривой качания и ее разброс по площади демонстрирует хорошее качество выращенного алмаза.
3. 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.
4. 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.
5. Разработана самосогласованная 2D модель непрерывного СВЧ разряда в водороде поддерживаемого в условиях больших удельных энерговкладов. Расчеты показали, что повышение степени диссоциации водорода приводит к резкому росту констант различных процессов с участием электронов. Для проверки модели было 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/куб.см и относительной концентрации водорода [H]/N от 0.1 до 0.7. Установлено, что модель в целом адекватно описывает разряд в условиях высоких удельных энерговкладов.
6. 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.
7. Выращены экспериментальные образцы с несколькими легированными бором дельта-слоями алмаза. Профили концентрации бора в слоях были измерены методом ВИМС. Реконструкция профилей ВИМС была проведена с учетом изменяющейся ширины аппаратной функции по глубине расположения слоя. Определено, что ширина выращенных дельта слоев составляла от 0.8 до 2 нм.
8. 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. Развита методика диагностики проводящих свойств полупроводниковых алмазных структур с помощью сканирующей ближнепольной микроволновой микроскопии. Проведены исследования структур алмаза с дельта-слоями методом адмиттансной спектроскопии. Для образца с концентрацией бора в дельта слое 3.2•1020 см-3 определена энергия активации равная 111 мэВ.
9. Исследованы технологии защиты поверхности эпитаксиальных слоев с нанесенными контактами методом осаждения атомных слоев.
10. Разработаны методики испытаний экспериментальных образцов приборов на основе легированного алмаза, включающие измерения частотных характеристик.
11. Разработана конструкция и технологический маршрут изготовления полевого транзистора на основе дельта-легированных слоев алмаза. Использована селективная эпитаксия высоколегированных слоев алмаза в контактных окнах металлической маски. Продемонстрирована применимость впервые предложенной в данной работе концепции селективного эпитаксиального роста алмаза в контактных окнах для создания полевого транзистора. Измерены профили концентрации атомов бора и носителей тока - дырок в экспериментальных образцах приборов на основе легированного алмаза. На основе температурной зависимости подвижности и концентрации дырок в диапазоне температур от 300К до 500К установлен сложный механизм протекания тока, включающий параллельное протекание носителей в нескольких областях с разной подвижностью и их перераспределение между этими областями при изменении температуры.
Публикации пятого этапа проекта:
V.I. Zubkov, A.V. Solomnikova, J.E. Post, E. Gaillou, J.E. Butler, Characterization of electronic properties of natural type IIb diamonds, Diamond & Related Materials, Volume 72, February 2017, Pages 87-93, https://doi.org/10.1016/j.diamond.2017.01.011
M.A. Lobaev, A.M. Gorbachev, A.L. Vikharev, D.B. Radishev, V.A. Isaev, S.A. Bogdanov, P.A. Yunin, M.N. Drozdov, J.E. Butler, Dependence of boron incorporation in delta layers on CVD diamond growth process and misorientation angle, EPJ Web of Conferences 149, 02014 (2017), 2 pages, http://doi.org/10.1051/epjconf/201714902014
A.L. Vikharev, A.M. Gorbachev, M.A. Lobaev, D.B. Radishev, V.A. Isaev, S.A. Bogdanov, M.N. Drozdov, E.V. Demidov, E.A. Surovegina, V.I. Shashkin, P.A. Yunin, J.E. Butler, CVD diamond with boron-doped delta-layers deposited by microwave plasma, EPJ Web of Conferences 149, 01010 (2017), 2 pages, https://doi.org/10.1051/epjconf/201714901010
J.E. Butler, A.L. Vikharev, A.M. Gorbachev, M.A. Lobaev, A.B. Muchnikov, D.B. Radischev, V.A. Isaev, V.V. Chernov, S.A. Bogdanov, M.N. Drozdov, E.V. Demidov, E.A. Surovegina, V.I. Shashkin, A. Davidov, H.Tan, L. Meshi, A.C. Pakpour-Tabrizi, M.L. Hicks, R.B. Jackman, “Nanometric Diamond Delta Doping with Boron” // Phys. Status Solidi RRL. 2017. 11(1). 1–6. DOI 10.1002/pssr.201600329
M.A. Lobaev, A.M. Gorbachev, A.L. Vikharev, V.A. Isaev, D.B. Radishev, S.A. Bogdanov, M.N. Drozdov, P.A. Yunin, and J.E. Butler. Investigation of boron incorporation in delta doped diamond layers by secondary ion mass spectrometry, Thin Solid Films, Volume 653, May 2018, Pages 215-222, https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.12.008
