Группа исследователей из университета
Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison) разработала новый способ
легирования монокристаллических алмазов, введения в материал атомов примесей, в
данном случае атомов бора.
Новый процесс легирования производится при
относительно низкой температуре, благодаря чему кристаллы алмаза не подвергаются
разрушению и деградации.
У алмаза имеется ряд свойств, которые могут сделать их
идеальными полупроводниками для производства мощной силовой электроники.
Алмазы могут использоваться в условиях высоких
электрических потенциалов, а низкое удельное сопротивление в случае правильного
легирования кристалла позволит кристаллу проводить сильный электрический ток.
Алмаз является одним из наилучших проводников тепла, поэтому проблема отвода и
рассеивания выделяющегося тепла решается достаточно простыми способами.
Несмотря на столь интересные характеристики, практическое использование алмазов
в качестве полупроводников затрудняется тем, что из-за прочности структуры
этого материала очень тяжело правильно вводить в кристалл атомы легирующих
добавок.
В ходе экспериментов ученые выяснили, что если физически
соединить монокристаллический алмаз с кремнием, предварительно легированным
атомами бора, и нагреть все это до 800 градусов Цельсия, атомы бора под
воздействием тепловых колебаний мигрируют из кремния внутрь алмаза. Процесс
происходит при относительно низкой для таких процессов температуре и это
обусловлено некоторыми особенностями строения легированного кремния. В
структуре такого кремния присутствуют вакансии, места в кристаллической решетке
с отсутствующими там атомами. Под влиянием тепловых колебаний атомы углерода из
алмаза заполняют эти вакансии, оставляя пустое место в структуре алмаза,
которое заполняется атомом бора.
Такая технология получила название избирательного
легирования и она позволяет получить высокую степень контроля над производимым
процессом. При помощи такого метода достаточно просто легировать определенные
места монокристаллического алмаза, для этого требуется лишь наложить кремний на
необходимые места и нагреть это до указанной выше температуры.
Пока новый метод работает в отношении легирования
P-типа, при котором атомы примесей создают носители положительного
электрического заряда, так называемые электронные дырки, места в
кристаллической решетке с одним отсутствующим электроном. И, используя
полученные алмазные полупроводники p-типа, исследователи уже изготовили первые
образцы простейших электронных приборов, таких, как диод.
Но, для того, чтобы создать более сложные электронные
приборы, такие, как транзистор, требуется легирование N-типа, легирование
примесью, атомы которой создают носители отрицательного электрического заряда,
лишние электроны в кристаллической решетке. Пока у ученых нет технологии такого
легирования, но, вполне вероятно, что результаты данных исследований вдохновят
других исследователей и кому-нибудь из них все же удастся найти подходящее
решение. И если это произойдет, то на свет появятся новые полупроводниковые
приборы, которые с высокой эффективностью будут использоваться для управления
электрическим током большой мощности, к примеру, в энергетических сетях.
