Методы отбора алмазных кристаллов и пластин и разработка конструктивно-технологических решений для создания датчиков и изделий микроэлектроники на основе алмазных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Алтухов Андрей Александрович

• Алтухов Андрей Александрович
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Алтухов Андрей Александрович

Введение

Глава 1. Исследования структурных особенностей и электрофизических характеристик

алмазных кристаллов и пластин

1.1 Основные направления и результаты исследований по разработке комплексных методов отбора алмазных кристаллов и пластин для микроэлектроники

1.2 Исследования по разработке методов и аппаратуры контроля пространственной неоднородности алмазных кристаллов и пластин

1.3 Внедрение методов и аппаратуры для комплексного отбора алмазных кристаллов и пластин для обеспечения создания приборных структур на их основе

1.4 Исследования влияния параметров и функциональных особенностей алмазных материалов и пластин на характеристики детекторов ионизирующих излучений

1.5 Выводы и заключение по главе

Глава 2. Разработка оборудования и технологических процессов для прецизионной

обработки алмазных пластин

2.1 Исследования физико-технологических основ и разработка технологий и оборудования для лазерной размерной обработки алмазных кристаллов и пластин

2.2 Исследования физико-технологических основ и разработка технологий и оборудования для прецизионной обработки алмазных пластин термохимическим методом

2.3 Разработка технологий и оборудования для обеспечения серийного производства алмазных пластин

2.4 Выводы и заключение по главе

Глава 3. Исследования и разработка алмазных детекторов ионизирующих излучений

3.1 Детекторы ионизирующих излучений на основе алмазов 2-а типа

3.2 Комплекс конструктивно-технологических решений для повышения точности измерений энергетических спектров алмазными детекторами ионизирующих излучений

3.3 Алмазные детекторы ионных потоков и тяжелых заряженных частиц

3.4 Алмазные детекторы нейтронного излучения

3.5 Многодетекторная система для контроля электронного излучения

3.6 Устройств контроля импульсных излучений на основе алмазных детекторов

3.7 Системы радиационного контроля на основе алмазных детекторов

3.8 Оснащения изделий ракетно-космической техники системами радиационного

контроля на основе алмазных детекторов

3.9 Выводы и заключение по главе

Глава 4. Исследования физических основ и разработка технологических процессов для

создания алмазных фотоприемных матриц ультрафиолетового диапазона

4.1 Конструкторско-технологические решения для создания одноэлементных фоточувствительных структура ФП и ФПУ УФ-излучением

4.2 Исследование физических основ и процессов ионной имплантации для разработки конструктивно-технологических решений матричных алмазных УФ-ФП

4.3 Разработка конструктивно-технологических решений матричных УФ-ФПУ на алмазе

4.4 Применение алмазных УФ фотоприемных устройств в оптоэлектронной аппаратуре

4.5 Выводы и заключение по главе

Глава 5. Исследование физических основ и разработка технологических процессов

создания алмазных крупноформатных монокристаллических подложек и изготовления алмазных СВЧ транзисторов

5.1 Направления использования алмазных материалов для создания приборных структур и элементов твердотельной СВЧ-электроники

5.2 Исследование физических основ и разработка технологических процессов создания алмазных крупноформатных монокристаллических подложек

5.3 Исследование физических основ и разработка технологических процессов создания алмазных полевых транзисторных структур с поверхностным гидрированным каналом

5.4 Исследования физических основ и разработка технологических процессов алмазных полевых транзисторов с 5-слоем на основе ионной имплантации бора

5.5 Разработка и исследование базовых технологических процессов алмазных полевых транзисторов с 5-легированным каналом

5.6 Разработка конструкций и технологий алмазных полевых СВЧ-транзисторов с 5-легированными водородом и бором каналами

5.7 Выводы и заключение по главе

Глава 6. Исследования и разработка конструктивно-технологических решений для

создания элементов микроэлектромеханических систем основе алмаза

6.1 Анализ физико-механических свойств алмаза датчиков и элементов МЭМС

6.2. Разработка конструктивно-технологических решений алмазных датчиков давления

6.3 Разработка конструктивно-технологических решений алмазных датчиков

ускорения

6.4 Выводы и заключение по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы отбора алмазных кристаллов и пластин и разработка конструктивно-технологических решений для создания датчиков и изделий микроэлектроники на основе алмазных материалов»

Актуальность темы исследования

Перспективы развития современной электроники, а также связанных с ней отраслей радиоэлектронной, ракетно-космической, атомно-энергетической промышленности, во многом определяются разработками и опережающим внедрением новых материалов. Магистральное развитие радиоэлектроники в огромной степени определяется использованием полупроводниковых материалов, в сочетании с созданием и освоением новейших технологий и технологического оборудования для их обработки.

В последние десятилетия происходит неуклонное расширение номенклатуры применяемых полупроводниковых материалов: наряду с традиционными GaAs, Ge) активно внедряются новые материалы. К числу наиболее перспективных относятся широкозонные полупроводники (ШЗП), у которых ширина запрещенной зоны (Eg) заметно превышает соответствующее значение у традиционных полупроводников. Среди ШЗП особый интерес вызывает алмаз, который по совокупности электрофизических характеристик превосходит не только традиционные полупроводники, но и другие ШЗП. Алмаз имеет кубическую кристаллическую структуру с сильными ковалентными связями атомов углерода и с рекордно высокой атомной плотностью: 1,76-1023 см-3. Высокие подвижности электронов 4500 см2/(Вс) и дырок 3800 см2/(Вс), а также скорости их дрейфа в насыщении (1,5 ^ 2,7)-107 и (0,85 ^ 1,2)-107-см/с, - для электронов и дырок, соответственно; рекордная теплопроводность (20 ^ 22) Вт/(смК), высокая напряженность электрического поля пробоя 107 В/см и сравнительно низкая диэлектрическая проницаемость (в = 5,7) при высоком значении Eg = 5,47 эВ и высоком удельном сопротивлении нелегированного алмаза (1016 Омсм), делают его перспективным материалом для создания широкого класса электронных приборов, в т.ч. силовых и высокочастотных, сочетающих высокие быстродействие и температурную стойкость. Благодаря высокому напряжению пробоя и широкой запрещенной зоне, алмазные приборные структуры обладают низким уровнем шума (темнового тока), что в сочетании с большой величиной энергии смещения Ed = (37 ^ 47) эВ атома в кристаллической решетке, придает им высокую радиационную стойкость и позволяют приборам на основе алмаза функционировать в условиях интенсивных радиационных полей и повышенных температур.

Электрофизические свойства алмаза позволяет создать оптоэлектронные приборы, обладающие широким динамическим диапазоном, высоким быстродействием, работающие в экстремальных условиях окружающей среды. Эти особенности обеспечивают растущий интерес к разработкам и практическому применению алмазных ультрафиолетовых (УФ)

фотоприемников (ФП) и фотоприемных устройств (ФПУ), а также стимулируют исследования принципиально новых устройств, которые могут стать основой оптоэлектроники и радиофотоники в ближайшем будущем.

Большие перспективы имеются в направления использования в электронике механических свойств алмаза, включая его рекордные механическую твердость (до 90 ГПа), износостойкость, модуль упругости (1,21012 Н/м2), низкий коэффициент скольжения (сравнимый с пленками фторуглеродов) и коэффициент теплового расширения (10-6 /К). Данные свойства алмазных материалов востребованы для создания элементов микроэлектромеханических систем (МЭМС).

Именно поэтому исследования и разработки физических основ и технологических процессов создания новых и совершенствования существующих изделий микро- и твердотельной электроники на основе алмазных материалов являются актуальными и представляют большой научный и практический интерес.

Несмотря на очевидные преимущества и перспективы алмазных материалов, их массовое внедрение в электронику сдерживается наличием целого ряда нерешенных проблем, в т.ч. недостаточным приборным качеством и номенклатурой подложек, проблемами синтеза объемных и пленочных структур, небольшими линейными размерами подложек и высокой их стоимостью, сложностями в реализации ряда технологических процессов, недостаточным уровнем понимания влияния характеристик алмазных материалов на функционирование приборных структур на их основе, ограничениями применения стандартного оборудования, а также некоторыми другими проблемами. Значительная часть алмазных приборов и устройств являются только образцами, которые и еще не перешли в стадию серийного производства.

Все вышеперечисленные проблемы диктуют необходимость дальнейшего расширения и углубления научных и технологических исследований алмазных материалов и приборных структур на их основе, включая разработки и исследования физических основ и технологических процессов создания новых и совершенствования существующих изделий микро- и твердотельной электроники на основе алмазных материалов.

Несмотря на заметное увеличение количества публикаций, рост числа профильных научных коллективов во всем мире, а также на достигнутые успехи в алмазном приборостроении и материаловедении, значительное число научных и технологических задач в этих направлениях остаются актуальными и требуют своего решения.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка физико-технических основ методов отбора алмазных кристаллов и пластин приборного качества и разработка

конструктивно-технологических решений по созданию на их основе комплекса приборов и устройств твердотельной микроэлектроники для различных направлений радиоэлектронного приборостроения.

Для реализации поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

- выполнены экспериментальные исследования структурных особенностей и электрофизических характеристик алмазных кристаллов и пластин, имеющих неоднородное примесное и структурное строение, и установлены взаимосвязи и влияние данных характеристик и структурных особенностей на параметры приборных структур на их основе,

- выполнены экспериментальные исследования физико-химических процессов взаимодействия лазерного излучения УФ- и ИК диапазонов и термохимических процессов в среде водорода при высоких температурах переходных металлов с алмазными пластинами (АП) приборного качества, для разработки новых и усовершенствования существующих процессов прецизионной размерной обработки АП приборного качества,

- выполнены экспериментальные и теоретические исследования воздействия ионизирующих, корпускулярных и космических излучений (КИ) на процессы генерации, переноса и управления индуцированных данными излучениями носителей заряда в алмазных детекторах (АД) различных типов, для обеспечения разработки новых и усовершенствования существующих технологических процессов и образцов АД, а также радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) на их основе.

- выполнены экспериментальные и теоретические исследования процессов генерации, переноса и управления носителей заряда, индуцированных внешним электромагнитным излучением УФ и смежных диапазонов спектра, в планарных и объемных фоточувствительных приборных структурах на основе алмазных материалов, для обеспечения разработки новых и усовершенствования существующих технологических процессов и образцов алмазных ФП и ФПУ, а также оптоэлектронной аппаратуры на их основе,

- выполнены экспериментальные исследования методов формирования и контролируемой модификации алмазных материалов и эпитаксиальных СУВ-алмазных слоев приборного качества на составных («мозаичных») АП, а также выполнены экспериментальные и теоретические исследования по разработке конструктивно-технологических решений и образцов алмазных полевых СВЧ-транзисторов с дельта-каналами различных типов.

- выполнены экспериментальные исследования и разработки конструктивно -технологических решений алмазных датчиков динамических параметров и их чувствительных элементов, проведены их расчеты и моделирование, для обеспечения разработки новых и усовершенствования существующих конструкций, технологий и образцов датчиков давления и ускорения.

Научная новизна

1. Предложены методы сортировки природных алмазов с пониженным содержанием азота на основе изменения интенсивности сигнала СВЧ-фотопроводимости в зависимости от удельной оптической анизотропии, обусловленной наличием структурно-примесной неоднородности в кристаллах для создания датчиков и изделий микроэлектроники.

2. Впервые предложены методы сортировки алмазных кристаллов и пластин 2-а типа на основе аномального двупреломления и удельной оптической анизотропии для выявления эффектов, влияющих на функционирование детекторов ионизирующих излучений (патент РФ № 2165804).

3. Впервые предложен метод определения локальных областей АП, обладающих относительно высоким структурным совершенством, с использованием катодолюминесцентной топографии и катодолюминесценции в различных спектральных поддиапазонах для выбора дозиметрической толщины пластин в конструктивных решениях для высоковольтных и низковольтных детекторов ионизирующих излучений (патент РФ № 2167435).

4. Впервые проведено сравнение различных методов отбора кристаллов и пластин алмаза для создания датчиков и изделий микроэлектроники на основе спектральной и топографической катодолюминесценции, в сочетании с комплексом поляризационных, спектрофотометрических методов и установлены устойчивые взаимосвязи по влиянию параметров алмаза на характеристики и функционирование алмазных приборных структур.

5. Впервые выполнены экспериментальные исследования взаимодействия АП приборного качества с лазерным излучением УФ-диапазона при использовании эксимерного лазера на А^ (длина волны X = 193 нм) и на ЮГ (длина волны X = 248 нм,), лазерного излучения ИК диапазона (длина волны X = 1,06 мкм, твердотельный АИГ:№ лазер), выполнены экспериментальные исследования термохимических реакций переходных металлов (N1, Fe) с АП приборного качества при температурах (700 ^ 1100) °С в среде водорода, в результате которых получены новые данные о физико-химических процессах прецизионной неабразивной обработки АП приборного качества, что обеспечило создание научно-технического задела по разработке новых и усовершенствованию существующих технологических методов и оборудования прецизионной обработки АП и микроэлектронных структур на их основе.

6. Впервые предложены конструктивно-технологические решения для прецизионной обработки АП приборного качества на основе динамической активации процесса термохимической полировки, включая ультразвуковую активацию процесса, при полуавтоматизированном многоступенчатом контроле скорости удаления материала с обратной связью по температуре и газовому составу реакционной среды (патент РФ № 90375).

7. Впервые проведены экспериментальных исследований алмазных датчиков (АД) для регистрации различных типов ионных потоков и тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) и использования в энергетических спектрометрах тяжелых ионов для специализированной РЭА и для создания ряда устройств:

- разработка конструктивно-технологических и схемотехнических решений для оптимизации параметров АД (патент РФ № 26007300),

- разработка конструктивно-технологических решений АД для повышения точности измерения линейной передачи энергии космических излучений (патент РФ № 162960),

- разработка конструктивно-технологических решений АД для снижения эффектов поляризации (патент РФ № 2744317);

- разработка конструктивно-технологических решений повышения точности измерения энергетических спектров заряженных частиц космического излучения (патент РФ № 162961),

- разработка конструктивно-технологических решений повышения точности измерения энергетических спектров ТЗЧ КИ, спектров а и в-частиц радиоактивных материалов (патент РФ № 219039),

- разработка конструктивно-технологические решения АД для регистрации нейтронного излучения (патент РФ № 2565829).

8. Впервые разработаны новые методы контроля и селектирования космических излучений на основе алмазных датчиков по результатам экспериментальных и теоретических исследований с использованием многодетекторной системы и нейросетевых алгоритмов для использования в бортовой аппаратуре для ракетно-космической техники.

9. Впервые разработаны конструктивно-технологические решения алмазных фотоприемников УФ-диапазона (УФ ФП) фотовольтаического типа (ФВ-типа), которые позволили получить улучшенные характеристики, в т.ч. сокращение полосы обнаруживаемого фотоприемником УФ-излучения до 50 нм (для снижения фоновых помех) и лучший порог чувствительности, вплоть до близкого к теоретическому Рпор =5 10-15 Вт/Гц1/2 при Хшах = 220 нм на частоте до 2 кГц и ограниченной постоянной фотоответа Тф = 250 мкс (патент РФ № 2270494), а также организовать серийное производство изделия ФПЯ-1 (ТУ ИЛУЮ.432231.034 ПС) в ПТЦ «УралАлмазИнвест.

10. Впервые разработаны конструктивно-технологические решения и изготовлены образцы многоэлементных (МЭ) алмазных УФ-ФП на основе планарных интегральных структур фоторезистивного типа с имплантацией бора (В+) для различных конструкций и форматов, в т.ч. линейные с форматами (2 х 64) и (2 х 128) и матричные с форматами (64 х 64) и (128 х 128), а также базовые технологические маршруты для различных вариантов изготовления алмазных матричных УФ-ФП (ТУ ИЛУЮ.203319.007), которые внедрены в

серийное производство «ПТЦ «УралАлмазИнвест».

11. Впервые выполнены экспериментальные исследования по созданию алмазных монокристаллических гомоэпитаксиальных CVD слоев на составных («мозаичных») АП с ориентацией (100), на которых показана возможность формирования монокристаллических слоев толщиной от 100 мкм до 350 мкм достаточно высокого качества (превышающего качество затравочной алмазной подложки 2-а типа) и получения образцов с кристаллической структурой без присутствия значительных дефектов (с высокой степенью однородности), а также значения дырочной подвижности составили 1150 см2/(Вс), что является одним из наибольших значений, полученных в полупроводниковом алмазе с помощью ионной имплантации при уровне легирования ионами бора 5 1014 см-2 и предложенном оптимальном режиме отжига алмаза после имплантации.

12. Впервые разработаны конструктивно-технологические решения и защищены патентами ряд алмазных транзисторов:

- с 5-каналом на основе гидрированного слоя (патент РФ № 121101),

- многоэлектродного полевого транзистора с 5-каналом, легированным бором (патент РФ № 125391),

- с 5-каналом с использованием технологии полиэнергетической имплантации бора (патент РФ № 216911),

- алмазного меза-транзистора (патент РФ № 227820).

13. Впервые разработаны конструкция, технология и образцы элементов МЭМС на основе алмазных моно- и поликристаллических материалов, и внедрены в серийное производство «ПТЦ «УралАлмазИнвест»:

- алмазный датчик давления емкостного типа (патент РФ № 89240),

- алмазный датчик ускорения емкостного типа (патент РФ № 89241).

Теоретическая значимость работы

Предложены и обоснованы критерии взаимосвязей структурно-примесных дефектов и пространственных кристаллографических неоднородностей в алмазных монокристаллах и пластинах, влияющие на параметры микроэлектронных приборов на их основе.

Экспериментально установлено и теоретически обосновано влияние таких параметров алмазных монокристаллов 2-а типа, как совокупность характерных узоров двупреломления, значения величины удельной оптической анизотропии выше определенного критического значения, измеренной поляризационно-оптическим методом, наличие пространственно-разориентированных локальных зон кристаллов 2-а типа, имеющих фрагментационное строение, выявленных электронно-микроскопическими и рентгено-дифракционными

исследованиями, методами топографической цветной КЛС и КЛТ, на проявление аномалий и функциональные особенности детекторов ионизирующих излучений.

Получены новые данные в области физики взаимодействия ионных потоков с алмазом, включая ионы цинка (7^п) с Е = 346,1 МэВ, ионы гафния (18аНГ), ионы урана (238и), ионов углерода (13С), в диапазоне Е от 12 до 38 МэВ, ионов неона (№+9) с Е = 81 МэВ; ионов аргона (Лг+15) с Е = 148 МэВ; ксенона (Хе+54) с Е = 470 МэВ.

Разработана и теоретически обоснована возможность измерения спектра в - излучения с помощью АД и системы селективных фильтров, в совокупности формирующие спектрометр поглощённого излучения и анализатор спектра в-излучения.

Разработана и теоретически обоснована модель поверхностной проводимости алмаза и формирования проводящего 5-канала, позволяющая рассчитать характеристики алмазных полевых транзисторов.

Выполнены расчеты и представлена модель формирования 5-легированного канала алмазных полевых транзисторов с помощью низкоэнергетической ионной имплантации.

Установлены механизмы физико-химической и технологической модификации алмазных материалов и приборных структур на их основе при формировании алмазных чувствительных элементов емкостного типа для датчиков динамических параметров.

Практическая значимость работы

Разработаны и внедрены в технологический маршрут усовершенствованные методы контроля неоднородностей внутренней структуры алмазных кристаллов, включая методы поляризационно-оптического и фотолюминесцентного контроля (X = 254нм и 366 нм), спектрофотометрические методы в ИК и УФ-диапазонах, вкл. количественный и качественный контроль неоднородностей состава; методы цветной католюминесценции и цветной катодолюминесцентной топографии (КЛТ), - для контроля неоднородности внутренней структуры и наличие примесных центров в различных состояниях, что позволило контролировать влияние совокупности электрофизических характеристик алмазных кристаллов на параметры как изготовляемых АП, так и приборных структур на их основе.

Результаты исследований позволили обеспечить организацию серийного производства сертифицированных монокристаллических АП приборного качества для опто- и микроэлектроники, для обеспечения серийного производства приборов и устройств твердотельной электроники на их основе, а также для экспорта АП приборного качества в 12 зарубежных стран.

Разработаны и внедрены в технологические маршруты изготовления микро- и оптоэлектронных приборов комплекс конструктивно-технологических решений и

технологического оборудования для лазерной размерной обработки (конфигурирования) алмазных материалов и АП приборного качества и для изготовления элементов микроэлектронных приборов.

Разработаны и внедрены в технологические маршруты изготовления микро- и оптоэлектронных приборов комплекс конструктивно-технологических методов и технологического оборудования для прецизионной неабразивной обработки и конфигурирования АП приборного качества, а также для изготовления элементов микроэлектронных приборов, на основе термохимического травления алмаза при высоких температурах в газовых средах на основе водорода и водородосодержащих смесей.

В результате экспериментальных исследований и конструктивно-технологических расчетов впервые разработаны образцы новых типов АД ионизирующих и корпускулярных излучений, включая модификации АД погружного типа; АД для лучевой медицины и для мониторов импульсного нейтронного выхода аппаратуры нейтрон-нейтронного каротажа (ННК) для геологоразведки.

Разработаны и изготовлены приборы и устройства для контроля ИИ и КИ, в том числе:

- детекторы АДИИ-1, включая модификации дозиметрического и спектрометрического типов; детекторы АДИИ-2 (радиометрического типа) для измерения объемной и удельной активности радионуклидов в газах и воздушной среде; детекторы АДИИ-3 (дозиметрического типа) для измерения доз излучений в составе дозиметрической аппаратуры; детекторы у-излучения, в т.ч. дозиметрические детекторы для лучевой терапии; детекторы а-излучения погружного типа; специализированные устройства со встроенными интерфейсами приема-обработки данных для контроля импульсных пучков, образцы нейтрон-чувствительных АД для мониторов импульсного нейтронного выхода для аппаратуры ННК для геологоразведки,

Впервые разработаны и изготовлены образцы систем контроля КИ и ИИ на основе АД для изделий ракетно-космической техники (РКТ), включая:

- блоки «АДИИ» для космических аппаратов (КА) серии «Глонасс» и КА производства «ИСС им. М. Ф. Решетнева»,

- блоки контроля параметров радиационной обстановки для перспективных и модернизируемых отечественных КА в интересах «НИИ КП»,

- спектрометрические блоки контроля радиационной обстановки для перспективного космического корабля, в интересах «РКК «Энергия» им. С.П.Королева.

Разработаны ТУ, комплекты КД и ТД, изготовлены образцы оптоэлектронных приборов, включая одноэлементные УФ ФП фоторезистивного, фотодиодного и фотовольтаического типов различных типономиналов, алмазные УФ-ФП с интегрированными схемами усиления сигнала; многоэлементные алмазные УФ-ФП различных конструкций и форматов, в т.ч.

линейные, с форматами (2 х 64 и 2 х 128) и матричные с форматами (64 х 64) и (128 х 128); многоэлементные интегрально-комплексированные УФ-ФП биспектрального типа; алмазные биспектральные гибридные ФПУ для УФ и видимой областей спектра; образцы алмазной гибридной фоточувствительной схемы (ГФС) для регистрации изображения в УФ, видимом и ИК диапазонах спектра.

Разработаны, изготовлены и внедрены оптоэлектронные устройства, в том числе датчик Солнца на базе УФ-ФП ФПЯ-1 для бортовой оптико-электронной аппаратуры спутника ТНС 1 в интересах «РКС», оптоэлектронные устройства в интересах «КБП» и для «Корпорация «Комета», мобильные рабочие эталоны энергетической освещенности для РКТ, в интересах «ЦНИИ Машиностроения», алмазные ФП для объектов РКТ в интересах «НИИФИ», образцы оптоэлектронных устройств экологического контроля состава жидких сред.

Разработаны и изготовлены транзисторные и диодные приборные структуры в интересах «ЦНИТИ «Техномаш», НПП «Пульсар», НПП «Исток» им. Шокина».

Разработаны ТУ, комплекты КД и ТД и изготовлены алмазные датчики давления и ускорения для перспективных МЭМС и устройств контроля параметров движения.

Достоверность результатов диссертации

Для исследований использовались современные методы и оборудование для контроля электрофизических параметров алмазных материалов и приборных структур, включая вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики, измерения концентрации, поверхностного и объемного распределения, подвижности и времен жизни носителей, контактные и бесконтактные системы профилометрии, установки спектрофотометрического анализа в ИК, видимом и УФ диапазонах; методы и оборудование люминесцентного и поляризационного контроля, электронная и атомно-силовая микроскопия, методы спектральной и топографической катодолюминесценции, методы электронно-ионного и рентгеновского элементного и структурного анализа. Для изготовления образцов устройств использовались методы и оборудование вакуумного нанесения проводящих, полупроводниковых и вспомогательных слоев, включая магнетронное, электронно-лучевое, молекулярно-лучевое осаждение, СУВ и НРНТ технологии синтеза алмаза, технологию ионной имплантации, лазерные, ионно-плазменные и ионно-лучевые технологии обработки. Интерпретация экспериментальных результатов осуществлялась на основе положений физики полупроводников, современных методов анализа процессов взаимодействия радиационных и электромагнитных излучений с веществом.

Методология выполненных исследований основана на сочетании использования различных методов анализа электрофизических характеристик алмазных материалов и

приборных структур на их основе, использования современной приборной базы, позволяющей оценить результаты изменения этих характеристик при воздействия на них технологических факторов, внешних контролируемых воздействий и протекающих процессов.

Положения выносимые на защиту

1. Методы сортировки алмазных кристаллов и пластин 2-а типа на основе аномального двупреломления и удельной оптической анизотропии для выявления эффектов, влияющих на функционирование детекторов ионизирующего излучения (патент РФ № 2165804).

2. Метод определения локальных областей алмазных пластин, обладающих относительно высоким структурным совершенством, с использованием катодолюминесцентной топографии и катодолюминесценции в различных спектральных поддиапазонах для выбора дозиметрической толщины пластины высоковольтных и низковольтных детекторов ионизирующих излучений при использовании в конструктивных решениях алмазных датчиков (патент РФ № 2167435).

3. Конструктивно-технологические решения для прецизионной обработки алмазных пластин на основе динамической активации процесса термохимической полировки, включая ультразвуковую активацию процесса, при полуавтоматизированном многоступенчатом контроле скорости удаления материала с обратной связью по температуре и газовому составу реакционной среды (патент на полезную модель РФ № 90375).

4. Комплекс конструктивно-технологических решений и образцы детекторов на основе алмаза для повышения точности измерений энергетических спектров ионизирующих излучений и регистрации различных типов ионных потоков и тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) при использовании в энергетических спектрометрах тяжелых ионов специализированной радиоэлектронной аппаратуры и создания ряда устройств:

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Алтухов Андрей Александрович, 2025 год

- j

■

ш \

г " ■

?

Irvl .

Рисунок 4.39 - Фотография алмазного матричного МЭ УФ-ФП формата (64 х 64)

Рисунок 4.40 - Фотография фрагмента металлизации МЭ ФП формата (64 х 64)

Базовый техпроцесс МЭ УФ-ФПУ включает в себя: операции вакуумного напыления платины с подслоем титана/хрома (Ti/Cr); операции осаждения золота (Au), вакуумного напыления тонкого слоя алюминия ^Г); фотолитография по алюминию ^Г) для вскрытия окон для УФ-засветки. На рисунке 4.40 показана фотография фрагмента металлизации МЭ ФП формата (64 х 64). На рисунке 4.41 цифрами обозначены: (1) - алмазный кристалл, (2) - область генерации носителей, (3) - полупрозрачный Pt -электрод, (4) - непрозрачная Аи-маска, (5) -напряжение смещения (через объем АП), (6) - Pt -электрод, (7) - напряжение смещения (по поверхности АП, между электродами), (8) - УФ-излучение.

bin voltage ~f

Рисунок 4.41 - Конструктивное исполнение МЭ УФ-ФП формата (64 х 64)

Для измерения фотоэлектрических параметров МЭ УФ-ФП образец был смонтирован в корпус, на выводы которого были выведены контакты от тестовых элементов. Корпус

МЭ УФФП имел прозрачное окно для засветки с обратной стороны.

Выполнены экспериментальные исследования алмазного МЭ УФ-ФП (64 х 64) конструкции тестовых МЭ ФП на основе ФР-структур (рисунок 4.41). На рисунке 4.42 показаны зависимости дифференциального сопротивления (Я) изготовленных ФР-структур для межэлектродных расстояний: кривая 1: 40 мкм и кривая 2: 80 мкм, а напряжение смещения прикладывалось между электродами вдоль поверхности (а) и между электродом и подложкой (б) [4.83], [4.84]. Вольт - амперные характеристики (ВАХ) МЭ УФ-ФП измерялись:

- при приложении напряжения (Ц,) между Pt электродом с обратной стороны матрицы и ФЧЭ с планарной стороны (ток шел через объем алмазного кристалла),

- при приложении напряжения между тестовыми структурами (ток шел по поверхности.

Рисунок 4.42 - Дифференциальное сопротивление приборных ФР-структур алмазного

МЭ УФ-ФП формата (64 х 64)

Результаты измерения поверхностных токов алмазного МЭ УФ-ФП формата (64 х 64) в целом соответствовали результатам измерения аналогичных параметров линейного МЭ УФ-ФП формата (2 х 64), в котором были выявлены поверхностные токи утечки.

На рисунке 4.43 показана относительная спектральная характеристика тестового элемента (№ 48) матричного МЭ ФПУ формата (64 х 64) при напряжении смещения Ц = 100 В и при интегральной засветке лампой ДДС-30.

Из рисунка 4.43 видно, что максимум чувствительности алмазного МЭ УФ-ФП находится в области 210 нм; кроме того, на графике имеется «хвост» чувствительности в области 230 ... 260 нм, обусловленный примесными (азотными) центрами.

Рисунок 4.43 - Спектральная характеристика ФЧЭ МЭ УФ-ФП формата (64 х 64)

На рисунке 4.44 представлены ВАХ ФЧЭ алмазного МЭ УФ-ФП формата (64 х 64), где цифрами обозначены: (1) - зависимость темнового тока 48 пикселя от напряжения смещения; (2) - зависимость темнового тока 47 пикселя от напряжения смещения; (3) -зависимость фототока 48 пикселя от напряжения смещения при засветке его излучением с X = 210 нм; (4) - зависимость фототока 47 пикселя от напряжения смещения при засветке с

X = 210 нм.

Из графиков на рисунке 4.44 видно, что световые ВАХ алмазного МЭ ФП формата (64 х 64) имеют выраженный нелинейный выпрямляющий характер, связанный с большим различием времен жизни генерируемых светом электронов и дырок.

На рисунке 4.45 приведено распределение темнового тока по элементам алмазного МЭ ФП формата (64 х 64) при различных напряжениях смещения: (значения 1) - 50 В; (значения 2) - 100 В. Видно, что с ростом прикладываемого напряжения на некоторых элементах темновой ток растет нелинейно и однородность его распределения по элементам уменьшается, что, по-видимому, связано с локальными микронеоднородностями в АП.

Рисунок 4.44 - ВАХ тестовых элементов МЭ УФ-ФП формата (64 х 64)

Рисунок 4.45 - Распределение темнового тока по элементам МЭ ФП (64 х 64) при напряжениях: (1) - 50 В; (2) - 100 В

Технологические процессы и маршруты изготовления алмазных УФ-МЭ ФПУ формата (64 х 64) внедрены в производство «ПТЦ «УралАлмазИнвест».

Конструктивно-технологические основы матричных МЭ ФПУ формата (128 х 128) гибридного типа

Разработаны и изготовлены впервые алмазные УФ МЭ ФПУ формата (128 х 128) и внешний вид показан на рисунок 4.46 и цифрами обозначены (1) - алмазный МЭ ФПУ формата (128 х 128); (2) - мультиплексор ISC 9705 INDIGO [4.87]; (3) - корпус типа PLCC с 84 выводами.

Исследованы и разработаны

конструктивно-технологические и физико-

технические основы матричных МЭ ФПУ

формата (128 х 128) гибридного типа,

разработаны конструкция и технологические

процессы, изготовлены образцы МЭ ФПУ [4.65]

- [4.67], [4.88], [4.89]. Продемонстрированы

экспериментальные УФ изображения с Рисунок 4.46 - Внешний вид алмазного

МЭ ФПУ формата (128 х 128) помощью МЭ ФПУ форматом (128 х 128).

Рабочий спектральный диапазон МЭ ФПУ

составлял от 180 ... 270 нм.

Изготовление МЭ ФП формата (128 х 128) включает 2 основных этапа:

- изготовление ФЧ-матрицы на монокристаллической алмазной подложке (АП),

- сборка ФЧ матрицы с мультиплексором.

Рисунок 4.47 - Конструкция алмазного Рисунок 4.48 - ВАХ МЭ ФП (128 х 128):

матричного УФ-МЭ ФПУ формат (128 х 128) темновые ВАХ (1) и при освещении трех

произвольных пикселей (2)

На рисунке 4.47 показана конструкция матричного алмазного УФ- МЭ ФПУ формата

(128 х 128) и цифрами обозначены: (1) - металлокерамический корпус (без крышки); (2) -мультиплексор; (3) - алмазный ФП.

На рисунке 4.48 показаны типичные ВАХ для трех произвольных пикселей МЭ ФП формата (128 х 128): (1) - темновые и (2) - при освещении.

Технологические процессы и базовые технологические маршруты для различных вариантов изготовления алмазных УФ-МЭ ФПУ формата (128 х 128) внедрены в производство «ПТЦ «УралАлмазИнвест» по ТУ ИЛУЮ.203319.007 [4.89].

4.4 Применение алмазных УФ фотоприемных устройств в оптоэлектронной аппаратуре

Конструктивно-технологические решения для создания многоспектральных фоточувствительных устройств

Наиболее разработанными двух- и многодиапазонных ОЭС являются 2-х спектральные охлаждаемые матричные инфракрасные (ИК) детекторы для длинноволнового 8 ... 12 мкм и средневолнового 3 ... 5 мкм диапазонов на основе квантовых ям GaAs/AlGaAs и узкозонных твердых растворов Cd-Hg-Te [4.90] - [4.99]. Формирование селективной чувствительности в разных спектральных ИК-диапазонах в данных матричных приемниках может производиться в пределах одного ФЧЭ - пикселя. Расширение области чувствительности многоспектральных комплексированных ИК-многоэлементных ФПУ вплоть до УФ-диапазона, очевидно, окажется полезным как для обнаружения и идентификации объектов, так и помехозащищенности ОЭС на их основе. Такие разработки в настоящее время ведутся как за рубежом [4.9], [4.95], [4.96], так и у нас в России [4.97] - [4.99], [4.104] - [109].

Продемонстрировано, что в интегрально-комплексированных биспектральных (ИК + УФ диапазон) ФП алмаз эффективно сочетает свойства как широкозонного полупроводника, чувствительного в УФ-диапазоне, так и оптического материала, прозрачного в ИК- и видимом диапазоне, что позволяет создание интегральных-комплексированных ФП, функционирующих одновременно в УФ- и ИК- диапазонах. Конструкция одного из вариантов интегрально-комплексированных биспектральных алмазных ФП и ФПУ, которая защищена патентом РФ № 135185 [4.104], представлена на рисунке 4.49. На рисунке 4.49 цифрами обозначены (1) -первая фоточувствительная (ФЧ) линейка; (2) - полупрозрачное металлическое покрытие; (3) -первый ФЧ элемент (ФЧЭ); (4) - вторая ФЧ линейка; (5) - область ФЧ-линейки, легированная бором; (6) - второй ФЧЭ; (7) - область ионной имплантации; (8) - индиевые (Ей) столбики; (9) -общая коммуникационная плата, на которой расположены ФЧЭ.

При разработке данной конструкции, в качестве прототипа конструкции выбрана конструкция 2-х спектрального ФП, содержащего модуль, состоящий из двух ФЧЭ, двух МЭ ФЧ-линеек [4.105]. Ионно-имплантируемый слой (7) может быть выполнен на основе бериллия (Ве), имплантация которого с энергиями до (300 ^ 400) кэВ позволяет создать слой достаточной протяженности (несколько мкм), соизмеримый по величине с областью полного поглощения УФ-излучения [4.106].

Разработаны конструктивно-технологические решения алмазного биспектрального гибридного ФПУ, способного работать в УФ и в видимой областях спектра, который защищен патентом РФ № 134700 [4.107]. Конструкция ФПУ представлена на рисунке 4.50.

На рисунке 4.50 цифрами обозначены (1) - алмазная пластина; (2) - полупрозрачное Р1> покрытие; (3) - электроды, расположенные на нижней поверхности АП; (4) - площадки, легированные бором; (5) - 1п столбики; (6) - площадки мультиплексора; (7) - мультиплексор; (8) - площадки, состоящие из материала, поглощающего УФ-излучение и пропускающего ИК-излучение; каждая из площадок (8) расположена, соответственно, над площадкой, легированной бором (4).

Рисунок 4.49 - Конструкция Рисунок 4.50 - Конструкция биспектрального

двухспектрального алмазного ФП [4.104] ФП на основе алмаза [4.107]

Конструкция ФПУ включает полупрозрачный Р11- электрод на верхней поверхности АП, электроды и площадки, легированные В+, расположенные на нижней поверхности АП, мультиплексор, 1п столбики, соединенные с электродами, расположенные на нижней поверхности пластины и с чувствительными площадками МП, над каждой легированной В+ площадкой нижней поверхности АП, соответственно; на верхней поверхности АП сформированы площадки из материала, поглощающего УФ-излучение и пропускающего ИК излучение, например, на основе оксида индия (1ПхОу) и оксида олова (Бп02), соотношение

оксида индия и оксида олова 9 : 1 при толщине площадок 0,1 ... 2 мкм.

При разработке конструкции ФП приняты во внимание аналоги [4.108]. Технический результат заключается в повышении селективности и разрешающей способности многоспектрального ФП. Испытания показали, что разрешающая способность 2-х спектрального алмазного гибридного ФП при детектировании УФ-излучения может быть увеличена на (30 ... 35) % по сравнению с прототипом.

Разработаны конструктивно-технологические решения алмазной ГФС, защищенной патентом РФ № 2504043 [4.109], которая позволяет осуществить одновременную регистрацию изображения в УФ, видимом и ИК диапазонах спектра. ГФС содержит алмазный матричный ФП, Ш-столбики и мультиплексор. В состав МФП входят верхний электрод, на который подается напряжение смещения, алмазная пластина и нижние электроды ЧЭ МПФ, с которых снимается сигнал. Нижние электроды гальванически связаны через Ш-столбики с расположенными в виде прямоугольной матрицы с осями X и Y ЧЭ мультиплексора. Число Ш столбиков на каждой осей X и Y должно быть не менее двух. Кроме того, матрица ФП по оси X и Y имеет в 2 раза шаг больше, чем матрица мультиплексора, и нижние электроды ЧЭ МПФ расположены в шахматном порядке. Нижние электроды ЧЭ МПФ соединены гальванически Ш столбиками только с нечетными или четными чувствительными площадками мультиплексора, поэтому, свободные чувствительные площадки мультиплексора могут использоваться для регистрации видимого и ИК-излучений.

Конструкция ГФС представлена на рисунке 4.51, на котором цифрами обозначены (1) -верхний электрод МЭ ФП; (2) - алмазная пластина; (3) - нижний электрод ЧЭ МЭ ФП; (4) -индиевые столбики; (5) - чувствительные площадки кремниевого МП; (6) - кремниевый МП; (7) - падающее излучение; (8) - отфильтрованное (селектированное) излучение.

На рисунке 4.52 показано расположение (топология) ФЧ-площадок (5) на МП.

Рисунок 4.51 - Конструкция ГФС; патент РФ Рисунок 4.52 - Расположение

№ 2504043 чувствительных площадок

Технический результат изобретения - расширение детектируемого диапазона излучения,

за счет одновременной регистрации изображения в УФ, видимом и ИК спектре, увеличение срока службы ГФС за счет исключения попадания жесткого УФ излучения на мультиплексор.

На рисунке 4.53 показано расположение (топология) нижних электродов (3) на МЭ ФП. На рисунке 4.54 показана топология верхнего Р1 электрода (1), где цифры означают: (1) -области нанесения Р1, (2) - окна в электроде для прохождения видимого и ИК излучения.

Рисунок 4.53 - Расположение нижних Рисунок 4.54 - Топология верхнего Р1 электродов электрода

При разработке приняты во внимание технические решения [4.110], [4.111]. В результате выполненных исследований разработаны конструктивно-технологические решения ФПУ МБ-типа на основе ШЗП (алмаз и/или карбид кремния, SiC), интегрированных с Б1 ИС-считывания, см. [4.115], [4.116], 4.126] - [4.128].

ФП МБ-типа относятся к перспективным типам твердотельных ФП [4.117] - [4.125]. Предложены новые конструктивно-технологические решения планарных МБ МЭ ФП на основе ШЗП [4.115] - [4.117], включая планарный МЭФП биспектрального типа (ИК + УФ) на основе ШЗП, интегрированных со схемой считывания (рисунок 4.55). В структуре планарные ФЧЭ Б1С-матрицы ФР-типа формируются на диэлектрике (3), нанесенного на Бьпластину (1), и которые присоединяются металлическими электродами (5) к Б1 ИС-считывания (4) через окна в диэлектрике (3); поток УФ-излучения - обозначен (6). Данная технология может быть использована для создания биспектрального (ИК+УФ) матричного ФП на основе МБ [4.116], [4.117] и SiC (см. рисунок 4.56), в которой ФЧЭ МБ и SiC фоторезисторов в матрице располагаются в шахматном порядке.

На рисунке 4.56 цифрами обозначены: (1) - Б1 пластина; (2) - слой Б1С; (3) слой диэлектрика; (4) - Бьсхемы считывания; (5)- металлизация; (6) - УФ-излучение; (7) ИК-излучение; (8) - МБ; (9) - 2-й слой металлизации; (10) - отражатель.

ФЧЭ микроболометров и Б1С ФР в матрице располагаются в шахматном порядке. Оптимальным вариантом является полное согласование сопротивления терморезистивных МБ-мостиков и Б1С ФР, что позволило бы реализовать в одном цикле изготовления идентичные Б1 ИС считывания для ИК и УФ каналов матрицы.

Помимо использования алмаза в качестве материала многоэлементных УФ-ФП,

привлекательным также является использование SiC по причине обеспечения совместимости процессов создания его слоёв и кремниевых технологий.

Рисунок 4.55 - Схема элементов Б1С ФР-матрицы на Бь подложке со сформированными ИС считывания

Рисунок 4.56 - Схема элементов комплексированного МЭ-ФП МБ-типа со сформированными ИС считывания

Использование SiC позволяет создавать ФЧ-слой для ФП непосредственно на схеме считывания, без использования контактных столбиков для гибридизации.

Оптоэлектронный датчик Солнца на основе алмазного УФ-фотоприемника

Разработан и изготовлен датчик Солнца, который представляет собой устройство на базе алмазного УФ-ФП типа ФПЯ-1, который установлен на борту первого российского технологического наноспутника ТНС-0 № 1 для экспериментов по астроориентации.

На рисунках 4.57 (а ^ в) показаны: (а) - спутник ТНС-0 № 1 с датчиком Солнца ДС-4 (на рисунке в центре); (б) — запуск спутника с борта МКС космонавтом С. ТТТяриповым [4.129], [4.130]; (в) - сообщение АО «РКС» об успешном запуске спутника и использовании в составе бортовой ОЭС датчика Солнца.

а) б) в)

Рисунок 4.57- Спутник ТНС с датчиком Солнца ДС-4 (а), запуск ТНС с борта МКС (б), сообщение изготовителю ДС-4 от РКС о запуске ТНС (в)

Датчик ДС-4 имеет характеристику спектральной чувствительности, охватывающую только УФ диапазон 150 ... 240 нм. Это позволяет исключить из измерений паразитную засветку от облачного слоя Земли, свойственную широкоугольным датчикам.

Датчик спроектирован и изготовлен в «ПТЦ «УралАлмазИнвест» для проведения совместно с АО «РКС» сертификационных испытаний в космических условиях и является одним из первых отечественных оптоэлектронных приборов на основе алмаза, который использован в составе бортовой аппаратуры для ракетно-космической техники [4.129] - [4.131].

Разработка и изготовление оптоэлектронного устройства обнаружения объектов в УФ-диапазоне

Разработано и изготовлено оптоэлектронное устройства обнаружения объектов в диапазоне 0,22 ... 0,24 мкм на УФ-ФПУ на основе алмазного одноэлементного ФП [4.132]. Проведенные исследования позволили оценить параметры обнаружения объектов в УФ-диапазоне от 180 до 225 нм с максимумом в районе 220 нм; пороговая облучённость, эквивалентная шуму, составила 2,8-10-7 Вт; порог чувствительности 8,710-11 Вт/Гц 1/2.

Основные электрофизические параметры устройства измерялись согласно [4.133] и приведены в Таблице 4.8.

Таблица 4.8 - Основные параметры устройства обнаружения объектов

Параметр Значение

Рабочий диапазон детектируемого УФ-излучения, нм 180 ... 225

Максимум спектральной чувствительности, нм 220

Порог чувствительности (Рпор), Вт/Гц 1/2 8,710-11

Напряжение шума ФПУ УФ, В 0,2 ± 0,03

Пороговая облученность УФ ФП, эквивалентная шуму, Вт 2,8 10-7

Разработка и изготовление перспективного оптоэлектронного прибора наблюдения объектов в УФ-диапазоне спектра

Разработан комплекс конструктивно-технологических решений оптоэлектронного прибора УФ-диапазона на основе алмазного МЭ УФ ФПУ [4.133], который показан на рисунке 4.59, а на рисунке 4.60 показан график его спектральной чувствительности.

В приборе установлен алмазный ФП (АМФД) формата (128 х 128), изготовленный по базовой технологии [4.34], [4.133], в комплекте с отечественным мультиплексором М30Р.

Технические параметры прибора наблюдения составили:

- рабочий диапазон от 190 до 230 нм,

- порог чувствительности 1,1410-18 ВтГц-1/2,

- динамический диапазон 1,5 104,

- средний порог чувствительности Фп

- постоянная времени т < 3 мкс.

171

= 3,610-15 ВтГц-1/2,

а) б)

Рисунок 4.59 - Прибор наблюдения: в транспортном положении (а); в рабочем положении (б)

1Л з р.

= ад Б 1

% Н

н ■ 1 1

№ и ™ 0.5

140 г<ю 210 «о >зо 140 зм звл Л.1НШ налим, лы

Рисунок 4.60 - График спектральной чувствительности прибора наблюдения

Разработка алмазных УФ-фотоприемников для мобильных рабочих эталонов для РКТ

Разработан и изготовлен алмазный ФП вакуумного УФ (ВУФ) и УФ-диапазонов для мобильных рабочих эталонов энергетической освещенности и для обеспечения экспериментального и аппаратурного освоения УФ-диапазона в двух вариантах:

- АПИ УФ в корпусе DIP-16 с герметизированной крышкой на основе MgF2 с пропусканием до 110 нм либо на основе КУ-1, для диапазона до 160 нм (рисунок 4.61),

- АПИ УФ в металлокерамическом корпусе DIP-8 (рисунок 4.62).

Разработан и изготовлен алмазный УФ-ФП (обозначен как ПИУФ) с пропусканием излучения видимого и ближнего ИК диапазонов, см. рисунок 4.63. На рисунке 4.63 показана фотография ПИУФ, и цифрами обозначены: (1) - алмазный УФ-ФП с электродами; (2) - плата-носитель для подключения к схеме измерений.

Рисунок 4.61 - АПИ ВУФ Рисунок 4.62 - АПИ ВУФ в в корпусе DIP-16 корпусе DIP-8-16

Рисунок 4.63 - Образец ПИУФ

На рисунках 4.64 и 4.65 представлены характеристики ФЧ АПИ ВУФ-6 и АПИ ВУФ-5.

Рисунок 4. 64 - Относительная спектральная Рисунок 4. 65 - Относительная спектральная чувствительность АПИ ВУФ-6 чувствительность АПИ ВУФ-5

Результаты измерения токовой чувствительности в максимуме спектральной фоточувствительности (МСФЧ) АПИ ВУФ-5 и АПИ ВУФ-6 представлены в таблице 4.9.

Таблица 4.9 - Результаты измерения токовой чувствительности АПИ ВУФ-5 и АПИ ВУФ-6

АПИ ВУФ Ток в МСФЧ, нА Положение МСФЧ, нм Поток излучения на длине волны МСФЧ, мкВт Токовая чувствительность в МСФЧ, А/Вт

5 9,4 213 0,052 0,18

6 7,2 210 0,052 0,14

Разработаны и изготовлены опытные образцы алмазных УФ-ФП (АПИ УФ) и комплекты КД (фрагмент КД АПИ УФ приведен на рисунке 4.66) и ТД. Модуль сопряжения АПИ ВУФ с модулем приёма излучения (МПИ) МЭ ВУФ показан на рисунке 4.67.

Х^Щ

-г*? ОООГ) ,,

\ ф Ф 4 Ь

\UvOC оо|

Рисунок 4 66 - Фрагмент КД АПИ Рисунок 4 67 - Фото модуля АПИ ВУФ с модулем

УФ МПИ МЭ ВУФ; (а) - передняя сторона; (б) - обратная

сторона

На рисунках 4.68 и 4.69 показаны относительная спектральная характеристика ФЧ и спектр пропускания ПИУФ, соответственно.

Рисунок 4.68 - Спектральная характеристика Рисунок 4.69 - Спектр пропускания фоточувствительности ПИУФ ПИУФ

На рисунке 4.70 представлены фрагмент КД (сборочный чертеж платы МС-6) модуля сопряжения АПИ ВУФ с МПИ МЭ ВУФ (а) и электрическая схема модуля сопряжения АПИ ВУФ с МПИ МЭ ВУФ(б).

а) б)

Рисунок 4.70 - Сборочный чертеж платы МС-6 модуля сопряжения АПИ ВУФ с МПИ МЭ ВУФ (а) и электрическая схема модуля сопряжения АПИ ВУФ с МПИ МЭ ВУФ (б)

На рисунке 4.71 представлена разработанная структурная схема стенда для измерения спектрального диапазона, токовой и вольтовой ФЧ АПИ.

Выполненные разработки позволили изготовить алмазные ФЧ-устройства типа «АПИ-ВУФ» и «АПИ-УФ» для выполнения прикладных исследований на борту МКС.

Рисунок 4.71 - Структурная схема стенда для измерения спектрального диапазона, токовой

и вольтовой фоточувствительности АПИ

Разработка технологии фоточувствительных элементов алмазных датчиков параметров излучения

Выполнены исследования по разработке технологии и образцов алмазных ЧЭ датчиков параметров излучения (ДНИ), в рамках которых разработаны:

- базовые технологические процессы ЧЭ ДПИ УФ-спектра,

- опытные образцы алмазных ЧЭ ДПИ УФ-диапазона,

- комплекты ТД и КД на опытные образцы ЧЭ,

- подготовка производства для изготовления МО и ОО ЧЭ,

- предварительные испытания ЧЭ и корректировка комплектов КД и ТД по результатам предварительных испытаний с присвоением литеры «О1»,

- внедрение технологических процессов изготовления ЧЭ,

- испытания с целью утверждения типа средства измерения.

На рисунке 4.72 показаны фотография (а) и конструкция (б) алмазных ЧЭ ДПИ, разработанных на основе одноэлементных УФ ФП типа ФА-1

а)

б)

Рисунок 4.72 - Внешний вид (а) и конструктив (б) ДПИ на основе одноэлементных УФ ФП

типа ФА-1в корпусе ТО-8

Разработка и изготовление 4-х канального детектора УФ-излучения

Выполнены исследования по созданию перспективного оптоэлектронного устройства двойного назначения - высокоскоростного 4-х канального алмазного детектора УФ-излучения с постоянной времени 1,8 нс [4.137]. Актуальность разработки устройства связана с необходимостью создания перспективных систем оптической связи, локации и дальнометрии, использующих УФ-диапазон [4.138] - [4.140]. Появление лазеров УФ-диапазона требует контроль электрофизических параметров лазерного УФ-излучения (например, такие как форма и энергия импульса, пространственное распределение энергии в пучке) [4.143], [4.144] и регистрации наносекундных импульсов алмазными УФ-ФП ФР-типа.

Разработанное устройство представляет собой 4-х канальный алмазный детектор УФ-излучения с рабочим диапазоном от 180 до 230 нм и постоянной времени 1,8 нс [4.137]. Состав и структурная схема устройства представлены на рисунке 4.73, на котором цифрами обозначены (1) - алмазный ЧЭ УФ-ФП; (2) - плата ФПУ; (3) - плата усилителей; (4) - блок питания. Внешний вид устройства показан на рисунке 4.74.

ЧЭ детектора изготовлен на основе АП с контактной системой, включающей полупрозрачный Р11-электрод (см. верхний квадрат на рисунке 4.74), а также 4 разделенные между собой электрода, которые образуют 4 канала сбора фотосигналов. ЧЭ монтируется на плату ФПУ (см. нижний квадрат на рисунке 4.74).

На плате ФПУ также смонтирован модуль высокочастотных ИС усилителей, который включает в себя 4 идентичных канала усиления, каждый из которых имеет три каскада усиления, собранных на СВЧ ИС. Элементы модуля усилителей размещены на печатной плате усилителей, см. средний квадрат на рисунке 4.74 .

Рисунок 4.73 - Структурная схема 4-х канального детектора

Рисунок 4.74 - Внешний вид 4-х канального детектора

Разработанный четырехканальный детектор УФ-излучения позволяет устанавливать факт воздействия лазерного УФ-излучения на объект, определять распределение энергии в пучке лазерного излучения и форму его импульса. Временные характеристики детектора позволяют конструировать на его основе лазерные локаторы и дальномеры, а также использовать его в качестве приемного устройства в линиях оптической космической связи.

Оценки чувствительности детектора при энергии импульса лазерного излучения в 1 мДж показывают возможность осуществлять локацию объектов на расстоянии до 25 000 км в космическом пространстве [4.25], [4.26], [4.145].

Разработка оптоэлектронных устройств УФ-диапазона для аппаратуры контроля пламени и сгорания газообразного топлива

Алмазные УФ-ФП типа ФПЯ обладают высокой ФЧ с Рпор = (1 ^ 2)10-14 Вт/Гц1/2 и высоким квантовым выходом Si = 0,15 А/Вт в «солнечно-слепой» УФ-области и могут применяться для автоматизированных устройств контроля горения топлива (ТЭЦ и т.п.) УФ-С диапазона [4.146].

Такие устройства используют метод непрерывного контроля мощности УФ излучения факела и по его результатам выполняется регулировка смеси «природный газ / воздух». За точку полного сгорания в методе принят минимум мощности УФ - излучения от факела в «солнечно-слепом» диапазоне оптического спектра. Показано, что УФ-ФП на основе алмаза типа может применяться для детектирования неравновесного УФ излучения пламени при горении газа объемом ~ 1 см3 [4.147], [4.148] В ходе экспериментальных исследований использован УФ-ФП ФР-типа, который изготовлен в виде структуры металл - алмаз - металл. Толщина пленки Р1 на лицевой поверхности ФП не превышает 20 нм, пропускание пленки в УФ-диапазоне составляет 20 ... 25 %. Толщина пленки А1 на тыльной поверхности составляет 0,5 мкм. Оба контакта металл - алмаз являются омическими.

Напряжение, прикладываемое к электродам УФ-ФП составляет 50 ... 200 В. Темновой ток детектора пропорционален приложенному напряжению и для разных образцов при 100 В лежит в диапазоне 1 ... 10 пА. Входное окно ФП изготовлено из плавленого кварца КУ-1 с коротковолновым краем пропускания вблизи 160 нм. Для согласования высокого сопротивления алмаза (R > 1 ГОм) с низким входным сопротивлением регистрирующего прибора используется электрометрический предусилитель (конвертер ток - напряжение) на ИС AD 820. Постоянная времени детектора 0,25 мс. Спектр ФЧ УФ-ФП определяли с помощью установки, включающей источник света (дейтериевая лампа), дифракционный монохроматор МДР-23 и калиброванный кремниевый ФД типа UDT.

Токовая чувствительность УФ-ФП на длине волны 210 нм составляет 2 А/Вт. С помощью алмазного УФ-ФП проведено детектирование интегрального УФ-излучения пропанового пламени. Регистрация спектра излучения пламени проведена с помощью спектрометра S-2000 Avantes в диапазоне длин волн 200 . 850 нм.

На рисунке 4.75 приведен сигнал от пламени длиной 2 см, регистрируемый ФП с расстояния 6 см в помещении, освещаемом газоразрядными лампами дневного света. Площадь АП составляет 7 мм2.

Ток, КГ111 А

№г

■

О 2 4 6 8: 10

и, с

Рисунок 4.75 - Сигнал ФП (3 < t < 8) с при освещении пропановым пламенем

Интенсивность, усл. цд.

о шш* HIU 11|1ИШ>Л«ГГ.„. Н——L-1-1—1о

200 300 400 500 600 700 800

Длина волны, нм

Рисунок 4.76 - Спектр излучения пропанового пламени до (1) и после коррекции (2)

Приложенное напряжение 100 В, на освещаемом платиновом электроде - отрицательный потенциал. Темновой ток составляет 4 пА, а фототок ~ 30 пА. Участок спектра пламени до и после коррекции приведен на рисунке 4.76. В длинноволновой области спектра наблюдается континуум от теплового излучения пламени (рисунок 4.77).

Поскольку оптическая толщина пламени мала (пламя толщиной ~ 1 см прозрачно в видимом диапазоне) и коэффициент излучения неизвестен, определить температуру пламени методом яркостной пирометрии нельзя. На рисунке 4.78 показан участок спектра в диапазоне 200 ... 400 нм. Там же приведен спектр чувствительности ФП. Наиболее сильные полосы

излучения, лежащие в области чувствительности ФП, принадлежат молекулам СО и NO.

Интенсивность, уел ед. Фо"очу|и:т">иiел:,Н|,Ч I :>. усл. си

Рисунок 4.77 - Спектры излучения Рисунок 4.78 - УФ-спектр излучения

абсолютно черного тела (1) и пламени (2) пропанового пламени (1); спектр ФЧ ФП (2)

Путем сопоставления спектров ФЧ и спектров поглощения алмаза можно оценить толщину нарушенного приповерхностного слоя кристалла. Глубина проникновения в алмаз излучения с длиной волны 210 нм, соответствующей максимуму чувствительности, составляет ~ 3 мкм (на этой глубине интенсивность ослабляется в 2,7 раза) [4.149].

Для более коротковолнового излучения коэффициент поглощения увеличивается, глубина проникновения уменьшается, при этом влияние нарушенного поверхностного слоя, возникшего при механической обработке кристалла, проявляется в уменьшении времени жизни носителей заряда и их подвижности, что приводит к падению фоточувствительности. Способом устранения эффектов, обусловленных присутствием нарушенного слоя толщиной 1 ^ 3 мкм, может быть его удаление методом плазмо- или термо- химической обработки (ТХО) перед нанесением электродов на поверхность алмаза.

Продемонстрировано, что при регистрации интегрального УФ-излучения газового пламени вблизи 200 нм в присутствии фонового излучения газоразрядных ламп фотоотклик алмазного ФП формируется только неравновесным излучением пламени. В области максимальной чувствительности (X = 210 нм) токовая чувствительность ФП составила 2 А/Вт. Возможность детектирования основана на том, что неравновесное излучение пламени в максимуме чувствительности ФП на 6 порядков интенсивнее равновесного (температурного) излучения.

В [4.150] представлен первый в РФ прибор контроля горения топлива «Оптический датчик пламени (ДПЕ-1)» на основе алмазного УФ ФП типа ФПЯ.

Разработка оптоэлектронной аппаратуры для экологического контроля жидких сред на основе алмазных УФ-фотоприемников

Загрязнение водной среды углеводородами неизбежно при работе промышленных предприятий, при эксплуатации транспорта и при обслуживания техники и т.п. Наиболее частыми загрязнениями являются углеводородные загрязнения [4.151], возникающие при работе предприятий, а также вследствие утечек топлива и смазочных материалов и т.д. Использование алмазных УФ-ФП для детектирования загрязнений сточных вод дает ряд преимуществ по сравнению с имеющимися на рынке УФ-устройствами на основе других полупроводников, в т.ч. Б1С, работающих в ЦУ-С диапазоне 220 ... 290 нм. Так рассеяние серосодержащих соединений (сульфиды, сульфиты, сульфаты), содержащихся в сточных водах в области глубокого УФ 190 ... 230 нм на один-два порядка превышает рассеяние в ЦУ-С диапазоне, что позволит повысить минимально определяемую концентрацию загрязнений.

Исследованы возможности использования алмазных УФ-ФП для создания оптоэлектронных устройств на их основе для экологического контроля загрязнения жидких сред [4.152] - [4.162]. В работах [4.152], [4.154], [4.155] - [4.158] представлены результаты разработки алмазных УФ-ФП для создания оптоэлектронных устройств экологического мониторинга в части контроля состояния загрязнения водных сред и жидких реагентов. Проведены экспериментальные исследования по управлению спектральными характеристиками УФ-ФП на основе алмаза 2-а типа [4.153], [4.158], [4.162], [4.163], [4.164], а также результаты экспериментов по контролю пропусканию и поглощению излучения УФ-С диапазона в водных средах, содержащих примеси и загрязнения [4.152], [4.154], [4.161]. Полученные результаты обеспечивают возможность практической реализации оптоэлектронных устройств на основе алмазных УФ-ФП для фотометрической диагностики состава многокомпонентных водных смесей, разработки устройств для экологического контроля жидких сред. В качестве фотодетекторов для оснащения подобных оптоэлектронных устройств могут быть использованы алмазные УФ ФП типа ФПЯ-1 (рисунок 4.79).

Разработка спектрофотометрического устройства на основе алмазного УФ ФП для диагностики наличия нефтепродуктов в сточных водах

Разработан образец спектрофотометрического устройства (рисунок 4.80), которое выполняет экспресс диагностику наличия нефтепродуктов в сточных водах [4.152], [4.157].

На рисунке 4.80 показана функциональная блок-схема устройства, где цифрами обозначены: (1) - немонохроматический источник УФ-излучения (дейтериевая лампа); (2) -оптический коллиматор; (3) - исследуемый образец (многокомпонентная водная смесь); (4) -

алмазный УФ-ФП; (5) - блок усиления сигнала УФ-ФП; (6) - аппаратура управления источником излучения; (7) - микроконтроллер с ПО для обработки сигналов УФ-ФП.

Рисунок 4.79 - Внешний вид УФ-ФП ФПЯ-1 для устройства контроля жидких сред

Рисунок 4.80 - Блок-схема установки экспресс-диагностики нефтепродуктов в сточных водах

Проведены эксперименты по выявлению общих закономерностей и особенностей пропускания УФ-излучения водными растворами нефтепродуктов.

Для измерения коэффициентов ослабления в водных растворах нефтепродуктов в УФ-диапазоне был использован спектрофотометр СФ-56. Зависимость коэффициентов пропускания водных эмульсий бензина с водой исследована в диапазоне длин волн от 200 до 230 нм.

Результаты экспериментов представлены на рисунке 4.81, где показана зависимость коэффициентов пропускания водных эмульсий бензина с водой.

На рисунке 4.81 обозначены: (1) - бензин (концентрация 100 %), (2) - бензин (концентрация 90 %) и вода (10 %); (3) - бензин (80 %) и вода -(20 %); (4) - бензин (70 %), вода - (30 %), (5) -бензин (60 %) и вода (40 %); (6) - бензин (50 %), вода - (50 %); (7) - бензин (40 %) и вода (60 %).

Из рисунка 4.81 видно, что оптическая плотность растворов нефтепродуктов с уменьшением длины волны излучения увеличивается, что приводит к увеличению точности фотометрического метода. Но это также может привести к нарушению закона Бугера-Ламберта-Бэра при больших оптических путях в проточных кюветах.

Поэтому оптимальным решением с точки зрения компромисса между точностью измерений и длиной оптического пути является выбор УФ-излучения с X = 220 нм.

Рисунок 4.81 - Спектральная зависимость пропускания водных эмульсий бензина с водой

В результате экспериментов установлено, что жёсткое УФ излучение в диапазоне от 200 до 230 нм не вызывает пиков резонансных поглощений в эмульсии нефтепродуктов, то есть кривая поглощения остаётся гладкой и пригодной для фотометрических измерений. Также не было замечено флюоресценции нефтепродуктов в этом диапазоне, что тоже могло бы повлиять на точность измерений.

Разработка измерителя оптической плотности жидкости на основе алмазного УФ ФП

На основании выполненных экспериментальных исследований [4.152] - [4.161], разработан измеритель оптической плотности проточной жидкости [4.161] на основе алмазного УФ-ФП и источника немонохроматического УФ излучения.

Известны спектрофотометры, колориметры и фотометры, измеряющие оптическую плотность жидкостей по закону Бугера-Ламберта-Бэра, т.е. за счёт ослабления интенсивности излучения при прохождении через жидкость [4.165]. При использовании УФ диапазона в конструкции измерителя оптической плотности проточной жидкости можно преодолеть ряд недостатков, присущих аналогам [4.166]. Молекулы углеводородов и нефтепродуктов на их основе имеют разрешенные электронные переходы, которые обуславливают исключительно интенсивное поглощение света в дальнем УФ спектральном диапазоне 150 ... 240 нм [4.156], [4.166]. Эти абсорбционные свойства углеводородов позволяют в реальном режиме времени обнаруживать следовые примеси в непрерывной проточной жидкости.

На основе УФ-ФП ФПЯ-1 и источника немонохроматического УФ излучения разработан измеритель оптической плотности проточной жидкости (рисунок 4.82). Устройство включает в состав источник непрерывного немонохроматического УФ излучения (1), излучающий в спектральном диапазоне 190 ... 240 нм, который снабжён блоком питания, подключаемым к электросети.

Проточная кювета (2) с коллиматором (5) для ввода слабо расходящегося пучка излучения и с кварцевыми оптическими окнами, установленными в местах наружного крепления отражающей дифракционной решетки (3) и двух ФПУ (4) для детектирования зондирующего излучения в диапазоне 190 ... 240 нм.

Блок ввода/вывода и анализа сигналов (6), подключён к трём ФПУ (4): к соединённому с кюветой двум ФПУ, и к третьему (опорному), служащему для определения и контроля интенсивности, входящего в кювету зондирующего излучения. Каждое из ФПУ (4) состоит из алмазного ФП и предусилителя. Устройство обладает новизной как за счёт использования УФ диапазона для анализа пропускания мутных сред, так и за счёт новизны использования алмазных УФ-ФП при решении задач экологического мониторинга.

Рисунок 4.82 - Блок схема измерителя оптической плотности потока жидкости,

загрязнённой углеводородами

Измеритель оптической плотности проточной жидкости [4.160] на основе алмазного ФП защищен патентом РФ № 157015 [4.156]. Конструкция измерителя оптической плотности проточной жидкости в [4.156], аналогична той, что показана на рисунке 4.82 и состоит из опорного оптоволоконного канала с ФП, проточной кюветы, двух оптических каналов разной длины для зондирования проточной жидкости и блока ввода-вывода и анализа сигналов. С целью повышения точности обнаружения углеводородных соединений вводятся один источник зондирующего УФ непрерывного немонохроматического излучения в диапазоне (190 ^ 240) нм, коллиматор ввода малорасходящегося излучения в проточную кювету под определенным углом к нормали к грани кюветы, которое после прохода через жидкость падает на отражающую дифракционную решетку, которая в одном порядке дифракции образует два луча, зондирующие жидкость по оптическим каналам разной длины, и детектируется двумя согласованными ФП, сигналы с которых используются для вычисления оптической плотности жидкости.

Таким образом, установлено, что жёсткое излучение УФ-С диапазона спектра от 190 до 225 нм, не вызывает пиков резонансных поглощений в эмульсии нефтепродуктов, то есть кривая поглощения остаётся гладкой, закон Бугера-Ламберта-Бера не нарушается и этот диапазон спектра пригоден для фотометрических измерений концентрации нефтепродуктов в воде. Показано, что оптимальной длиной волны для измерения концентрации нефтепродуктов в воде фотометрическим методом является диапазон длин волн в районе 220 нм. Это позволяет использовать алмазные УФ-ФП типа ФПЯ-1 рабочая длина волны 190 ... 225 нм для создания оптоэлектронной аппаратуры экспресс-контроля сточных вод содержащих нефтепродукты.

Разработано оптоэлектронное устройство на основе алмазного УФ-ФП для экспресс-контроля сточных вод, содержащих нефтепродукты, что позволило впервые предложить новые направления использования алмазных материалов и УФ ФП для создания оптоэлектронных устройств экологического мониторинга. Разработанное оптоэлектронное устройство на основе алмазного УФ-ФП для экспресс-контроля сточных вод, содержащих нефтепродукты, защищено патентом РФ № 157015.

4.5 Выводы и заключение по главе

Научная новизна выполненных исследований

Впервые разработаны конструктивно-технологические решения алмазных УФ ФП фотовольтаического типа (ФВ-типа), которые позволили получить улучшенные характеристики, в т.ч. сокращение полосы обнаруживаемого фотоприемником УФ-излучения до 50 нм (для снижения фоновых помех) и лучший порог чувствительности, вплоть до близкого к теоретическому Рпор =5 10-15 Вт/Гц 1/2 при Xmax = 220 нм на частоте до 2 кГц и ограниченной постоянной фотоответа Тф = 250 мкс (патент РФ № 2270494), а также организовать серийное производство изделий ФПЯ-1 (ТУ ИЛУЮ.432231.034 ПС) в ПТЦ «УралАлмазИнвест.

Впервые разработаны конструктивно-технологические решения и изготовлены образцы многоэлементные алмазные УФ-ФП на основе планарных интегральных фоторезистивного типа (ФР-типа), с имплантацией бора (В+) для различных конструкций и форматов, в т.ч. линейные с форматами (2 х 64) и (2 х 128) и матричные с форматами (64 х 64) и (128 х 128), а также базовые технологические маршруты для различных вариантов изготовления алмазных матричных УФ-МЭ (ТУ ИЛУЮ.203319.007), которые внедрены в серийное производство «ПТЦ «УралАлмазИнвест».

Практическая значимость выполненных исследований

Разработаны ТУ, комплекты КД и ТД, изготовлены образцы оптоэлектронных приборов, включая одноэлементные УФ ФП фоторезистивного, фотодиодного и фотовольтаического типов различных типономиналов, алмазные УФ-ФП с интегрированными схемами усиления сигнала; многоэлементные алмазные УФ-ФП различных конструкций и форматов, в т.ч. линейные, с форматами (2 х 64 и 2 х 128) и матричные с форматами (64 х 64) и (128 х 128); многоэлементные интегрально-комплексированные УФ-ФП биспектрального типа; алмазные биспектральные гибридные ФПУ для УФ и видимой областей спектра; образцы алмазной гибридной фоточувствительной схемы (ГФС) для регистрации изображения в УФ, видимом и ИК диапазонах спектра.

Разработаны, изготовлены и внедрены оптоэлектронные устройства, в том числе датчик Солнца на базе УФ-ФП ФПЯ-1 для бортовой оптико-электронной аппаратуры спутника ТНС 1 в интересах «РКС», оптоэлектронные устройства в интересах «КБП» и «Корпорации «Комета», мобильные рабочие эталоны энергетической освещенности для РКТ, в интересах «ЦНИИ Машиностроения», алмазные ФП для объектов РКТ в интересах «НИИФИ», образцы оптоэлектронных устройств экологического контроля состава жидких сред.

Положения, выносимые на защиту

Конструктивно-технологические решения алмазных УФ ФП фотовольтаического типа (ФВ-типа), которые позволили получить улучшенные характеристики, в т.ч. сокращение полосы обнаруживаемого фотоприемником УФ-излучения до 50 нм (для снижения фоновых помех) и лучший порог чувствительности, вплоть до близкого к теоретическому Рпор = 5 10-15 Вт/Гц 1/2 при Xmax = 220 нм на частоте до 2 кГц и ограниченной постоянной фотоответа Тф = 250 мкс (патент РФ № 2270494).

Конструктивно-технологические решения многоэлементных алмазных фотоприемников ультрафиолетового диапазона на основе планарных интегральных УФ-ФП фоторезистивного типа с имплантацией бора (В+) для различных конструкций и форматов, в т.ч. линейные с форматами (2 х 64) и (2 х 128) и матричные с форматами (64 х 64) и (128 х 128).

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СОЗДАНИЯ КРУПНОФОРМАТНЫХ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ ПОДЛОЖЕК И ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНЫХ СВЧ ТРАНЗИСТОРОВ

В настоящей главе приведены результаты исследований физических основ и разработки технологических процессов для создания крупноформатных монокристаллических алмазных подложек и изготовления алмазных СВЧ транзисторов.

5.1 Направления использования алмазных материалов для создания приборных структур и элементов твердотельной СВЧ-электроники

Развитие радиолокационных и информационных устройств и систем, в т.ч. двойного применения, включая приемо-передающие станции, спутники связи и радиолокационные установки, предъявляет повышенные требования к твердотельной СВЧ ЭКБ в части увеличения рабочей частоты и мощности сигнала, а также к освоению миллиметрового диапазона длин волн, необходимых для радиолокационных станций (РЛС), головок самонаведения ракетного оружия, в радарах наземных зенитно-ракетных комплексов [5.1].

Использование алмазных материалов для создания приборных структур, ЭКБ и конструктивных элементов является актуальным для СВЧ-электроники и на рисунке 5.1 [5.1] показаны перспективные области их применения.

1 10 100 ГГц

РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ОБЪЕКТОВ ВВТ

Системы связи дрГг и навигации АРГС ракет

СГО бортовые РЛС РЛС ВТО

РЛС ОЦУ наземного, мобильного и корабельного базирования

Системы и средства радиоэлектронной разведки и РЭП

Рисунок 5.1 - Характеристики и области применения полупроводниковых материалов в

твердотельной СВЧ-электронике [5.1]

Алмаз является одним из наиболее перспективных материалов для создания ЭКБ СВЧ-диапазона, который существенно превосходит другие полупроводники по совокупности электрофизических параметров. На рисунке 5.2 показаны электрофизические параметры алмаза в сравнении с другими полупроводниками.

■

ГЧ

Алмаз

критическая напряженность поля, МВ/см

ширина запрещенной

Температура "' температурный

Дебая, К коэффициент

линейного

АЛМаЗ расширения,

\

теплопроводность, Вт/см*К

V | ■

Рисунок 5.2 - Электрофизические параметры алмаза и других полупроводников

Такие параметры алмаза, как высокие подвижности электронов (4500 см2/(В-с)) и дырок (3800 см2/(В-с)), а также высокие скорости дрейфа в насыщении 1,5 ^ 2,7107 и 0,85 ^ 1,2107 см/с, соответственно, рекордная теплопроводность (до 22 Вт/см-1-К-1), высокая напряженностью электрического поля пробоя и сравнительно низкая диэлектрическая проницаемость при удельном сопротивлении нелегированного материала ~ 1016 Ом-см, обеспечивают алмазу многообещающие перспективы при создании мощных и СВЧ структур [5.1] - [5.20].

При анализе перспектив и технологических направлений использования алмазных материалов для создания приборных структур твердотельной СВЧ-электроники рассмотрены как преимущества, так и существующие проблемы их практической реализации.

Как видно из таблицы 5.1, алмаз обладает, в частности, следующими преимуществами для использования в твердотельной СВЧ-электронике:

- высокое напряжение пробоя, что позволяет поднять рабочее напряжение без изменения размеров, тем самым, увеличивая мощность без ухудшения высокочастотных характеристик,

- рекордная теплопроводность, что позволяет осуществлять эффективный отвод тепла от активной зоны СВЧ-структуры, и теплопроводность алмаза в примерно, 10 раз выше, чем у нитрида галлия (GaN), транзисторы на основе которого демонстрируют рекордную на сегодняшний день удельную мощность на единицу длину затвора,

- низкая диэлектрическая проницаемость (примерно в 2 раза ниже, чем у Si, GaAs, SiC, GaN) обеспечивает и в 2 раза меньшие паразитные емкости, чем у полевых транзисторов на других полупроводниках, следовательно, меньшие потери при работе на высоких частотах.

Таблица 5.1 - Сравнительные свойства полупроводников

Характеристика полупроводника Si GaAs 4НЖ GaN Алмаз

Ширина запрещенной зоны (эВ) 1,12 1,4 3,2 3,44 5,47

Коэффициент теплопроводности (Вт/см К) 1,5 0,55 5 2,8 22

Подвижность электронов (см2/В с) 1450 8500 900 440 4500

Подвижность дырок (см2/В с) 480 400 120 200 3800

Скорость насыщения электронов (*107 см/с) 0,86 1 3 2,5 2

Скорость насыщения дырок (*107 см/с) - - 0,8

Напряжение пробоя ^В/см) 0,3 0,4 3 5 10

Диэлектрическая константа 11,9 12,5 9,7 10,4 5,7

Тепловое сопротивление алмазных полевых транзисторов, при сравнении с аналогами на других сверхширокозонных полупроводниках 0.70 Ga 0.30 N P-Ga2Oз) и широкозонного GaN, существенно меньше: а именно, на порядок, - при сравнении с GaN, и в 50 раз меньше, чем у других сверхширокозонных полупроводников 0.70 Ga 0.30 N P-Ga2Oз), что показано в [5.21]. В настоящее время оценки рабочих частот алмазных транзисторов находятся на уровне более 100 ГГц, что реализуется при снижении размера затвора до 0,1 мкм [5.22].

Исследования в данном направлении продолжаются. В последние годы создание алмазных транзисторов и их элементов продолжает совершенствоваться, и получены ряд новых результатов, см. [5.21] - [5.26].

К основным технологическим проблемам, сдерживающим практическое применение алмаза в твердотельной СВЧ-электронике, относятся, среди прочих, следующие:

- технологические проблемы формирования крупноформатных монокристаллических алмазных подложек приборного качества,

- конструктивно-технологические проблемы создания базовых приборных-СВЧ устройств (диодные и транзисторные структуры), включая конструктивно-технологические проблемы реализации алмазных планарных полевых СВЧ-транзисторов на основе сверхтонких

гидрированных и легированных бором 5-слоев,

- необходимость создания моделей алмазных полевых транзисторов с 5-легированными слоями, позволяющих рассчитать их характеристики по электрофизическим параметрам материала и геометрическим параметрам элементов.

5.2 Исследование физических основ и разработка технологических процессов создания алмазных крупноформатных монокристаллических подложек

Проблема формирования алмазных крупноформатных монокристаллических подложек приборного качества является одной из ключевых технологических задач, обеспечивающих успешное внедрение алмазных материалов в твердотельную СВЧ-электронику. Проблема связана с ограничениями микроэлектронного производства, ориентированного на использование подложек типовых размеров, как правило, не менее (3 ^ 4) дюйма (76 ^ 100 мм) в диаметре. Подобные размеры подложек характерны при использовании таких материалов, как SiC, GaN, GaP, Ga2O3 и др., и не относится к Si-подложкам, для которых характерны диаметры вплоть до 300 мм и более. В настоящее время на рынке имеются алмазные монокристаллические подложки с размерами, как правило, не более (4 ^ 5) мм в конфигурация - квадрат [5.27] - [5.31]. На отечественном рынке можно отметить предложения от компании «New Diamond Technology» (NDT) [5.31], которые включают монокристаллические подложки с размерами с размерами от 3 до 5 мм (конфигурация - квадрат). Для поликристаллических подложек достигнуты размеры порядка (76 ^ 100) мм и более [5.27] - [5.29].

Перспективным направлением решения проблемы крупноформатных монокристаллических алмазных подложек приборного качества могло бы быть использование технологий и оборудования типа «MINIMAL-FAB» [5.32] - [5.34], которые позволяют использовать в технологическом цикле подложки существенно меньших (диаметр 12,5 мм) размеров. На рисунке 5.3 (а) показана фотография первых в России крупноформатных (диаметр 12,5 мм) монокристаллических алмазных подложек для систем типа «MINIMAL-FAB», изготовленных группой компаний NDT и НПК «Алмаз».

Другими вариантами создания крупноформатных монокристаллических алмазных подложек являются технология «клонирования» и технология роста на составных («мозаичных») алмазных подложках [5.35] - [5.41]. В настоящее время на основе технологий клонирования созданы алмазные монокристаллические подложки с размерами на уровне 20 мм и более [1.27], [5.35] - [5.37], что показано на рисунке 5.3 (б) [5.35]. На рисунке 5.4 показаны текущее состояние и прогноз развития размеров полупроводниковых подложек, включая, алмазные (HSCD и SCD) [5.42], [5.43].

а) б)

Рисунок 5.3 - Фото монокристаллических алмазных подложек (диаметр 12,5 мм) (а) и монокристаллическая подложка с размером более 20 мм

0.15" 0.4" 1" 2" V жа(ег51ге

1 | I I I >

Ю» 10* 10' 2 уга(егсоМ(«)

Рисунок 5.4 - Текущее состояние и прогноз эволюции размеров полупроводниковых подложек,

вкл. алмазные подложки [5.42], [5.43]

Разработка конструктивно-технологических решений крупноформатных алмазных структур на мозаичных подложках

Для решения проблемы создания крупноформатных монокристаллических алмазных подложек приборного качества исследованы конструктивно-технологические решения по гомоэпитаксиальному выращиванию алмазных монослоев на мозаичных (комбинированных) подложках. Такие подложки содержат чередующиеся двумерные массивы монокристаллических затравок алмаза (как правило, в виде пластин) и показаны на рисунке 5.5 (а). Направление использования подобных подложек для создания алмазных монокристаллических структур обоснована автором и в дальнейшем реализована в рамках совместных исследований с коллегами из «НПП «Исток» и НИИ ПФ, которые явились первыми успешными исследованиями данной технологии в РФ [5.44] - [5.46].

Варианты технологической реализации комбинированной алмазной подложки показаны

на рисунках 5.5 (а) и (б). Подложка-носитель (1) содержит набор затравочных монокристаллов алмаза в виде плоскопараллельных ортогональных пластин (2) разного размера, установленных (прикрепленных) к носителю с небольшими зазорами относительно друг от друга. На рисунке 5.5 (б) показан вариант расположения затравочных монокристаллов алмаза и указаны кристаллографические направления, предпочтительные для роста слоя с минимальным количеством дефектов.

пГ г п

2

и □ и □ _

[100]

[001]

б)

Рисунок 5.5. Схема комбинированной подложки (а) и схема расположения монокристаллов

Рисунок 5.6 - Схема технологических операций обработки комбинированной подложки для формирования комбинированной алмазной мозаичной пластины

На рисунке 5.6 показана базовая последовательность технологических операций по

изготовлению комбинированной алмазной мозаичной пластины. Технология включает следующие этапы: (а) монокристаллы алмаза (2) прикрепляются к подложке-носителю (1), например, Бц далее (б) наращивается слой поликристаллического алмаза (3); (в) поверхность полируется термохимическим методом до образования плоскости, (г) удалятся кремниевая подложка, пластина обрезается до требуемой формы; (д) наращивается эпитаксиальный слой высокого качества (4); (е) поверхность подвергается ионной имплантации для образования нарушенного слоя, (ж) наращивается эпитаксиальный слой высокого качества (4) требуемой толщины, з) выращенный эпитаксиальный слой отделяется от мозаичной подложки.

На рисунке 5.7 показана базовая технология сепарации (отделения) выращенного эпитаксиального слоя (2) от затравочной пластины (1). Предложенная технология состоит из следующих операций:

а) создание нарушенного кристаллического слоя (отмечен штриховкой) с помощью ионной имплантации,

б) выращивание эпитаксиального слоя,

в) травление нарушенного слоя в плазме или электролите,

г) отделение выращенного слоя от затравки.

1

1

1

1

а) б) в) г)

Рисунок 5.7 - Схема операций базовой технологии сепарации (отделения) выращенного эпитаксиального слоя (2) от затравочной пластины (1)

Позднее, в этом направлении были продолжены работы [5.41], [5.47].

Исследование физических основ и разработка технологических процессов создания алмазных комбинированных подложек

Для исследований возможностей технологической реализации алмазных подложек приборного качества на основе комбинированных составных («мозаичных») подложек выполнены экспериментальные исследования гомо-эпитаксиальных слоев, выращенных из газовой фазы (метод СУВ), на подложках из природного алмаза 2-а типа. В результате исследований по выращиванию в плазмохимическом реакторе на основе объемного резонатора с СВЧ разрядом на частоте 2,45 ГГц [5.39], [5.44] - [5.46], найдены условия, при которых происходит синтез монокристаллических алмазных слоев толщиной от 100 до 350 мкм и ориентацией (100) с качеством, превышающим качество подложки алмаза 2-а типа.

2

2

2

Исследования выполнены совместно со специалистами АО «НПП «Исток» и НИИПФ. Исследования выращенных пленок CVD-алмаза показали, см. таблицу 5.2 и рисунок 5.8, что образцы А 049 и A 196 имеют кристаллическую структуру достаточно высокого качества без присутствия значительных дефектов и с высокой степенью однородности. Значения дырочной подвижности составили 1150 см2/(В с), что является одним из наибольших значений, полученных в полупроводниковом алмазе с помощью ионной имплантации. Найден оптимальный режим восстановления алмаза после имплантации путем отжига, обеспечивающий подвижность ионов равную 1150 см2/В с.

В таблице 5.2 приведены результаты осаждения для 4-х образцов. Видно, что при осаждении образца А 089 скорость роста почти в 2,5 раза выше, чем скорость роста остальных образцов. Это связано лишь с изменением температуры подложки, поскольку все остальные параметры процесса поддерживались одинаковыми.

Таблица 5.2 - Параметры и результаты осаждения монокристаллических алмазных слоев

Образец Скорость роста, мкм/ч Raman FWHM, см-1 Температура подложки, °С Толщина СУВ слоя, мкм

А05 7 1,8 880 125

А089 17 1,7 940 350

А049 7 1,9 880 170

А196 6,5 1,8 880 125

На рисунке 5.8 представлены оптические изображения выращенных слоев на подложках А 05, А 089, А 049, А 196 в отраженном свете. Монокристаллические слои на подложках А 049, А 196 и А 05 довольно однородны, оптически прозрачны и лишены таких дефектов, как бугорки роста, ямки травления. Кристаллическая структура выращенных слоев исследовалась методом спектроскопии комбинационного рассеяния (рамановского рассеяния) лазерного излучения. Рамановский спектр алмаза высокого качества имеет четкую линию 1 -го порядка с волновым числом 1332 см-1. Используемый стенд для измерения спектров комбинационного рассеяния дает погрешность измерения полной ширины на половине высоты (FWHM) алмазного пика не более 0,1 см-1.

Из таблицы 5.2 видно, что для образцов А 049, А 196 и А 05 значение FWHM алмазного пика составляют менее 2 см-1, что говорит о высоком качестве слоев. Для образца А 089 (рисунок 5.8) в местах, свободных от поликристаллических включений, значение FWHM алмазного пика составляет 1,7 см-1, а в местах, где присутствуют поликристаллические включения FWHM достигает значений 4,7 см-1.

На рисунке 5.9 приведены изображения подложки и алмазного слоя образца А 049 в скрещенных поляризаторах, что позволяет наблюдать поле напряжений, сформировавшееся

в СУВ алмазе [5.48]. Видно, что изображения различаются между собой, хотя известно, что выращенный СУВ слой «копирует» подложку. На рисунке 5.9 хорошо видны несколько крестообразных элементов, которые могут быть образованы дислокациями, возникшими в процессе СУВ роста.

А05 А089 А049 А196

Рисунок 5.8 - Оптические изображения выращенных алмазных слоев

(в отраженном свете)

н

р »

а) б)

Рисунок 5.9 - Оптическое изображение образца А 049 в скрещенных поляризаторах:

до осаждения (а) и после осаждения (б)

а б

Рисунок 5.10 - Фото образца А196, полученное СЭМ: общий вид (а), левый верхний угол (б)

Рисунок 5.11 - КЛ A196 со стороны поверхности роста

а) б)

Рисунок 5.12 - КЛ изображение образца А196 (а) и вид с торца

(левая грань) (б)

На рисунке 5.10 показано изображение поверхности образца А 196 (после осаждения) полученное сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) JEOL 6390 LA. Как видно из рисунка, поверхность обладает хорошей однородностью. Характерная картина катодолюминесценции (КЛ), полученная на СЭМ при сканировании монослоя на образце А 196, приведена на рисунке 5.11. Для сравнения качества подложки из природного алмаза и СУВ пленки образец А 196 отполирован с торца и КЛ торца показана на рисунке 5.12. Яркая область снизу - подложка из природного алмаза, темная сверху - СУВ слой. На рисунке 5.12 (б) показано увеличенное изображение средней зоны в районе трещины.

Ускоряющее напряжение при возбуждении КЛ составляло 18 кВ, что соответствует средней глубине торможения электронов в алмазе 2,3 мкм. Исследования КЛ образцов выполнялись канд. физ.-мат. наук П.В. Иванниковым (физический факультет МГУ). Известно, что чистый монокристаллический алмаз не люминесцирует в видимой области. Дефекты, дислокации и примеси азота в различных формах в алмазе приводят к люминесценции в синей части спектра. Также, СУВ образцы с добавкой азота в процессе роста демонстрируют оранжевое свечение [5.49].

Темная картина КЛ ростового слоя, показанная на рисунке 5.11, свидетельствует о высоком качестве СУВ пленки. Исключение составляют зоны со слабым синим свечением, выросшие на дислокациях подложки, которые наблюдаются в скрещенных поляризационных фильтрах. КЛ с торца на рисунке 5.12 демонстрирует четкую границу между подложкой и ростовым слоем. Как видно из рисунка 5.12, подложка природного алмаза имеет темную часть слева, и ярко люминесцирующую в голубом свете правую часть в районе трещины, что свидетельствует о высокой концентрации дефектов или азота в данной области. В тоже время, структура СУВ слоя однородна по всему сечению торца, даже в районе трещины в подложке.

Выращенные слои исследованы также на наличие примесей при помощи вторичной

ионной масс спектрометрии (ВИМС). Послойный элементный анализ показал, что содержание азота в приповерхностных слоях исследованных образцов не превышало 1 ppm.

Для легирования выращенных слоев использовалась ионная имплантация [5.50], [5.51]. Энергия ионов и их дозы выбирались, исходя из результатов исследований, проведенных с природным алмазом [5.51]. Слой CVD-алмаза также, как и подложки алмаза 2-а типа (обратная сторона этих образцов), были легированы ионами бора в режимах, представленных в Таблице 5.3. Для восстановления поврежденных приповерхностных слоев после имплантации и для активации примеси проводился отжиг легированных образцов в установке быстрого отжига в среде азота при температуре 1380 °С: образцы нагревались за 200 с до этой температуры и время отжига составило 60 с. После отжига все образцы проходили процедуру химической очистки в насыщенном растворе CrOз и H2SO4 при 200 °С, после чего следовала промывка в растворе [1 :1] 30 % H2O2 и NH4OH при 90 °С [5.52]. Для измерения характеристик на поверхность образцов напылялись контакты из Т и Al, толщиной 0,1 мкм и 1,0 мкм, соответственно.

Таблица 5.3 - Измеренные характеристики образца А049

№ Поверхность легирования Доза ионов В+, см-2 Температура отжига оС Материал контактов и температура вжигания оС Поверхностная концентра ция N5, см-2 Подвиж ность дырок ц, см2/В • с Поверхнос тное сопротивле ние, Я8, кОм/кв

1 Алмаз 2-а типа образец А049 51014 1380 Т1, Л!, 900 - - -

2 Эпитаксиальный CVD слой на образце А049 51014 1380 Т1, Л1, 900 41011 1150 43,3

3 Эпитаксиальный CVD слой на образце А049 31015 1380 Т1, Л1, без вжигания 2,71 • 1012 780 29,4

Результаты экспериментов показали, что качество (чистота слоя) CVD-алмаза превышает качество алмаза 2-а типа. На нем, при уровне легирования ионами бора 5 1014 см-2, получены качественные слои р-типа с рекордной для ионно-легированных слоев подвижностью 1150 см2/Вс [5.53]. Созданный приповерхностный высоколегированный слой р-типа позволяет использовать его в качестве приконтактного слоя в электронных приборах.

Исследования по созданию технологий и методов формирования алмазных монокристаллических подложек и приборных структур на их основе продолжаются и активно развиваются [5.54] - [5.56].

С целью разработки конструктивно-технологических основ формирования крупноформатных монокристаллических алмазных подложек приборного качества выполнены

экспериментальные исследования по созданию алмазных CVD гомо-эпитаксиальных слоев на составных («мозаичных») алмазных подложках с ориентацией (100). Результаты исследований показали возможность формирования монокристаллических слоев толщиной от 100 до 350 мкм с ориентацией (100) достаточно высокого качества, превышающим качество затравочной подложки алмаза 2-а типа. Полученные образцы имеют кристаллическую структуру без присутствия значительных дефектов и с высокой степенью однородности. Значения дырочной подвижности составили 1150 см2/(Вс), что является одним из наибольших значений, полученных в полупроводниковом алмазе с помощью ионной имплантации, при уровне легирования ионами бора 5 1014 см-2. Найден оптимальный режим восстановления алмаза после имплантации путем отжига.

Разработка конструктивно-технологических решений, изготовление и исследование экспериментальных образцов алмазных комбинированных подложек

С целью разработки конструктивно-технологических решений алмазных комбинированных подложек автором были предложены и разработаны конструктивно-технологических решений и выполнены экспериментальные исследования таких подложек на основе поликристаллических пластин алмаза [5.89].

Использовались пластины диаметром 76 мм и толщиной алмазного слоя 200 ^ 240 мкм, выращенного на кремнии специалистами ООО «ТВИНН», в которых в дальнейшем сформированы заглубленные посадочные позиции для затравочных алмазных монокристаллических подложек. Изготовление посадочных позиций выполнено с помощью лазерной установки DCS-300 швейцарской компании «Synova S.A.» по технологии Laser MicroJet, на программируемом водоструйном лазере (мощность 50 Вт, X = 532 нм; в комплектации с отдельным соплом; давление воды - приблизительно 350 бар). Формирование посадочных ортогональных позиций размером 4 х 4 мм, глубиной 0,1 ^ 0,15 мм в поликристаллической алмазной подложке диаметром 76 мм осуществлялось методом лазерной абляции проходами лазера (скорость движения луча 3 мм/сек); эксперименты выполнены в НПК «Алмаз» под руководством с.н.с. лаборатории «СВЧ алмазная электроника» РТУ МИРЭА канд. геол.-минер. наук Клепикова И.В.

На рисунке 5.13 представлен общий вид поликристаллического алмазного диска диаметром 76 мм на подложке кремния со сформированными посадочными позициями в количестве 16 шт. (слева - общий вид, справа - увеличенные изображения фрагментов).

На рисунке 5.14 представлен 3D скан фрагмента поверхности поликристаллического алмазного диска 76 мм со сформированными посадочными позициями, выполненный на оптическом профилометре.

Рисунок 5.13 - Поликристаллический 76 мм алмазный диск со сформированными посадочными

позициями в количестве 16 шт.

На рисунке 5.15 представлен 3D скан поверхности поликристаллического диска 76 мм с единичным лазерным углублением 4 х 4 мм.

Видно, что квадратная форма и размер углубления строго выдержаны, а его глубина составляет около 100 мкм. Поверхность углубления демонстрирует полосчатый рельеф и неравномерность выборки материала.

60 30

о

'30

Е

п -и

90 -120 -150

Л-' ..."

I 1 I .

МИ' i|

ii

i i"

'4U

|. \

МО im

250 pm