Лаборатория физических свойств наноструктур

Заведующий лабораторией - д.ф.-м.н. Буга С.Г.

Основные направления работ

  • Разработка технологических основ изготовления многослойных структур на основе синтетического монокристалла алмаза
  • Разработка конструкции элементов электронной компонентной базы алмазной силовой и высокочастотной электроники нового поколения.
  • Исследование электрофизических, транспортных свойств полупроводниковых синтетических монокристаллов алмаза, в том числе при оптическом и ионизирующем возбуждении.
  • Разработка численных моделей для расчета характеристик электронных приборов на основе синтетического алмаза.
  • Исследования электрофизических свойств композиционных наноструктурированных функциональных материалов, таких как термоэлектрические сплавы, легированные фуллереном С60 и другие.
  • Исследование наноразмерных эффектов в новых электронных материалах, таких как топологические изоляторы и др.

Методики исследований

  • Измерение электросопротивления и ЭДС Холла в диапазоне от 0,1 мОм до 200 ГОм при вариации температуры от 1,8 К до 800 К и магнитном поле до 9 Тл, в том числе при оптическом возбуждении.
  • Измерение теплоемкости и теплопроводности твердых тел в диапазоне температур от 1,8 К до 400 К.
  • Измерение статических электрических характеристик диодных и триодных структур. Диапазон измеряемых напряжений от 1 нВ до 400 В, токов от 1 фА до 10 А.
  • Исследование центров захвата в полупроводниках структурах методами токовой и емкостной спектроскопии глубоких уровней при вариации температуры от 77 до 800 К.
  • Исследование механизмов релаксации и транспорта неравновесных носителей заряда методом измерения эффекта Холла при оптическом возбуждении.

Технологические возможности

  • Формирование контактных и диэлектрических структур методом прямой и обратной фотолитографии с минимальным размером элемента до 1 мкм.
  • Магнетронное напыление металлических покрытий с контролем толщины в диапазоне от 1 до 1000 нм.
  • Осаждение оксидных и нитридных покрытий (в том числе high-k) толщиной до 2 мкм методом реактивного высокочастотного напыления.
  • Формирование контактных площадок с помощью отжига до 800 °С металлических и интерметаллических покрытий в условиях высокого вакуума (менее 10-6 Тор).
  • Реактивное ионное травление полупроводниковых материалов, том числе синтетического алмаза, с использованием широкого спектра газов (Ar, O2, H2, CF4, SF6).


Примеры структур изготовленных с помощью литографии и реактивного ионного травления (РЭМ)

Полученные результаты

1. Разработана конструкция и освоена технология изготовления высоковольтных быстродействующих радиационно- стойких диодов Шоттки на основе синтетических монокристаллов алмаза.

Основные характеристики диодов:

• обратное напряжение, Uобр
• средний прямой ток, Iпр
• ток утечки при Uобр = 1000 В
• прямое падение напряжения при Iпр = 2 А
• диапазон рабочих температур
• время восстановления

> 1000 В
> 2 А
< 100 мкА
< 4 В
от -60 до 250 °С
менее 10 нс

Диоды Шоттки на основе синтетического алмаза

2. Исследованы электрофизические свойства синтетических HPHT монокристаллов алмаза легированных бором. Установлена взаимосвязь между эл. свойствами и условиями синтеза. Определены оптимальные параметры синтеза алмазов для электронных применений.



Изменение примесного состава полупроводникового алмаза при увеличении содержания бора в ростовой смеси

3. Отработан метод механической полировки, отмывки и последующего контроля алмазных пластин для получения гладкой и чистой поверхности, подходящей для электронных применений

4. Разработан макет полевого транзистора с затвором Шоттки на основе синтетического монокристалла алмаза.

5. Совместно с лабораторией функциональных наноматериалов разработаны и исследованы композиционные наноструктурированные термоэлектрические материалы нового типа на основе сплавов Bi-Sb-Te с фуллереном С60. Получено повышение коэффициента качества термоэлектрика ZT на 30-70% в широком диапазоне температур. Обнаружен эффект «резонансных» концентраций фуллерена С60 с захватом до 6 электронов на молекулу фуллерена.


Зависимость концентрации свободных носителей заряда (дырок) от концентрации фуллерена С60 в сплаве Bi0.5Sb1.5Te3-C60
Зависимость коэффициента качества термоэлектрика ZT сплавов Bi0.5Sb1.5Te3-C60 от температуры при различных концентрациях С60

6. Отработаны методы измерения теплопроводности и теплоемкости синтетического монокристалла алмаза в диапазоне температур 2 - 400 К.



Структуры в держателях для исследования теплоемкости и теплопроводности алмаза

Перспективные разработки на основе синтетического алмаза

  • Солнечно-слепые детекторы ультрафиолетового диапазона (спектральный диапазон менее 250 нм), в том числе матричные.
  • Дозовые детекторы рентгеновского излучения и гамма-квантов, в том числе матричные.
  • Спектрометрические детекторы ионизирующих излучений с высоким энергетическим разрешением.
  • Детекторы счетного типа для измерения плотности потока ионизирующего излучения.
  • Сенсоры температуры широкого диапазона от 77 до 800 К.
  • Акустоэлектрические фильтры, линии задержки и резонаторы СВЧ-диапазона.
  • Силовые быстродействующие диоды Шоттки.
  • Силовые и высокочастотные полевые транзисторы.
  • Одно- и широкополосные генераторы СВЧ диапазона.
  • Элементы оперативной памяти.
  • Автономные источники питания с длительным сроком службы.


Группа разработки и исследований акустоэлектронных устройств на основе алмаза

Руководитель группы - профессор, д.ф.-м.н. Сорокин Б.П.

Акустоэлектронные устройства на объемных (ОАВ) и поверхностных (ПАВ) акустических волнах активно используются для создания акустических резонаторов, генераторов, эффективных сенсоров и пр. Задачами группы являются разработка экспериментальных установок, акустоэлектронных структур, проведение экспериментов по исследованию физических свойств кристаллов и слоистых структур, моделирование распространения акустических волн в кристаллах, в том числе в условиях конечных внешних воздействий.

Основные направления работ

  • Создание экспериментальных образцов ОАВ-резонаторов, работоспособных на частотах 1 - 20 ГГц;
  • Создание ПАВ устройств на основе слоистой структуры “ВШП/AlN/алмаз”;
  • Разработка высокочувствительных сенсоров на основе акустоэлектронных пьезоэлектрических структур для анализа газового состава, напыления сверхтонких пленок и т.п.;
  • Разработка технологии напыления тонких пьезоэлектрических пленок состава ScxAl1-xN с целью применения в СВЧ пьезоэлектрических преобразователях;
  • Исследования акустических свойств материалов и пьезоэлектрических слоистых структур и их зависимости от давления, температуры и т.п.;
  • Теоретические и экспериментальные исследования СВЧ затухания в слоистых структурах типа “Me1/AlN/Me2/алмаз”.

Оборудование



Анализатор цепей E5071C, рабочая станция M-150
и тестируемое устройство: ОАВ-резонатор
Электромеханическая испытательная машина
с термокамерой Instron 5965

Методики


Метод длинного импульса (установка RAM-5000) применяется для измерений скоростей акустических волн в диапазоне 20 – 200 МГц с точностью не хуже 0,1%. Применяются тонкие образцы в виде пластин толщиной не менее 1 мм. Акустических волны возбуждаются пьезоэлектрические преобразователи из кварца X- и Y-срезов, а также 36° и 163° Y-срезы ниобата лития.

Импульсный эхо-метод (генератор видеоимпульсов AVRK-2-B, осциллографа DPO71254B) используется для точных измерений скоростей ОАВ, а также их изменений в результате внешних воздействий (давление, температура, электрическое поле) в образцах монокристаллов.

Измерения АЧХ, ФЧХ и других характеристик акустоэлектронных устройств производятся векторным анализатора цепей E5071C и рабочей станции M150, рабочие частоты 300 МГц – 20 ГГц, температуры от 20 до 300 °С.

Температурные исследования акустических свойств экспериментальных образцов производятся с помощью установки Quantum Design в диапазоне температур 4 – 400 °К.



Принципиальная схема ОАВ-резонатора


ОАВ-резонатор на подложке из синтетического монокристалла алмаза


Разработка конструкторской документации ОАВ-резонатора в среде AutoCad
ОАВ-резонаторы на алмазной подложкой со сложной конфигурацией электродов



ПАВ резонатор на алмазной подложке.
Резонанс на 418 МГц – ПАВ мода Рэлея (R0),
566 МГц – ПАВ мода Сезавы (R1)

Результаты

  • Получены упругие постоянные 2-го порядка синтетического монокристалла алмаза типа IIa. Из измерений зависимостей скоростей ОАВ от одноосного давления впервые определены упругие постоянные 3-го порядка алмаза
  • Созданы экспериментальные образцы композитных ОАВ-резонаторов со структурой “Me1/AlN/Me2/алмаз” с рекордно высокими резонансными частотами до 20 ГГц и параметром качества Q×f ≤ 105 ГГц. На основе данных образцов созданы эффективные сенсоры давления и температуры.
  • Характеристики полученных структур:
    • Шероховатость алмазной подложки Ra < 15 нм;
    • Точность ориентации кристаллографических граней не более 10’;
    • Толщина пьезоэлектрической пленки AlN в диапазоне от 0,5 до 5,5 мкм;
    • Толщина металлических пленок в диапазоне от 100 до 300 нм;
    • Работоспособность от -100 до +600 °С;
    • Работоспособность в диапазоне одноосного давления от 0 до 10 ГПа;
    • Область рабочих частот: 300 МГц - 20 ГГц;
  • Разработаны образцы ОАВ сенсоров давления, работоспособные в интервале давлений до 10 ГПа
  • Разработаны экспериментальные образцы ПАВ-резонаторов и линий задержки на 400 - 1600 МГц
  • Разработаны экспериментальные образцы ПАВ-сенсоров давления на основе подложек из алмаза, работоспособные в интервале давлений до 150 МПа
  • ПАВ- и ОАВ-сенсоры давления на слоистых пьезоэлектрических структурах на основе алмаза имеют конкурентоспособные характеристики и могут быть использованы для измерений высоких и сверхвысоких давлений