Ученые превратили алмаз в практически идеальный полупроводник для силовой электроники - «Наука и технологии»

Группа исследователей из университета Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison) разработала новый способ легирования монокристаллических алмазов, введения в материал атомов примесей, в данном случае атомов бора. Новый процесс легирования производится при относительно низкой температуре, благодаря чему кристаллы алмаза не подвергаются разрушению и деградации.

У алмаза имеется ряд свойств, которые могут сделать их идеальными полупроводниками для производства мощной силовой электроники. Алмазы могут использоваться в условиях высоких электрических потенциалов, а низкое удельное сопротивление в случае правильного легирования кристалла позволит кристаллу проводить сильный электрический ток. Алмаз является одним из наилучших проводников тепла, поэтому проблема отвода и рассеивания выделяющегося тепла решается достаточно простыми способами. Несмотря на столь интересные характеристики, практическое использование алмазов в качестве полупроводников затрудняется тем, что из-за прочности структуры этого материала очень тяжело правильно вводить в кристалл атомы легирующих добавок.

В ходе экспериментов ученые выяснили, что если физически соединить монокристаллический алмаз с кремнием, предварительно легированным атомами бора, и нагреть все это до 800 градусов Цельсия, атомы бора под воздействием тепловых колебаний мигрируют из кремния внутрь алмаза. Процесс происходит при относительно низкой для таких процессов температуре и это обусловлено некоторыми особенностями строения легированного кремния. В структуре такого кремния присутствуют вакансии, места в кристаллической решетке с отсутствующими там атомами. Под влиянием тепловых колебаний атомы углерода из алмаза заполняют эти вакансии, оставляя пустое место в структуре алмаза, которое заполняется атомом бора.

Такая технология получила название избирательного легирования и она позволяет получить высокую степень контроля над производимым процессом. При помощи такого метода достаточно просто легировать определенные места монокристаллического алмаза, для этого требуется лишь наложить кремний на необходимые места и нагреть это до указанной выше температуры.

Пока новый метод работает в отношении легирования P-типа, при котором атомы примесей создают носители положительного электрического заряда, так называемые электронные дырки, места в кристаллической решетке с одним отсутствующим электроном. И, используя полученные алмазные полупроводники p-типа, исследователи уже изготовили первые образцы простейших электронных приборов, таких, как диод.

Но, для того, чтобы создать более сложные электронные приборы, такие, как транзистор, требуется легирование N-типа, легирование примесью, атомы которой создают носители отрицательного электрического заряда, лишние электроны в кристаллической решетке. Пока у ученых нет технологии такого легирования, но, вполне вероятно, что результаты данных исследований вдохновят других исследователей и кому-нибудь из них все же удастся найти подходящее решение. И если это произойдет, то на свет появятся новые полупроводниковые приборы, которые с высокой эффективностью будут использоваться для управления электрическим током большой мощности, к примеру, в энергетических сетях.