Зачем России собственные CVD-алмазы: от теплоотводов для СВЧ-электроники до детекторов радиации в космосе

Почему алмаз интересен электронике

Алмаз – не драгоценный камень для микроэлектроники. Это широкозонный полупроводник с набором физических свойств, которые кремний, нитрид галлия и карбид кремния обеспечить не могут. Именно сочетание нескольких экстремальных характеристик в одном материале делает алмаз уникальным:

• Теплопроводность – 2 000 Вт/(м·К), в пять раз выше меди и в тринадцать раз выше кремния. Для мощных СВЧ-транзисторов, работающих при плотности мощности в десятки ватт на миллиметр, отвод тепла определяет, будет ли прибор работать или сгорит;
• Поле пробоя – порядка 10 МВ/см, в тридцать раз выше кремния. Позволяет создавать силовые приборы на экстремальные напряжения;
• Радиационная стойкость: алмаз выдерживает потоки высокоэнергетичных частиц, при которых кремниевая электроника деградирует за часы. Критично для космических аппаратов и ядерной энергетики;
• Рабочая температура – электронные свойства сохраняются до 500–700 °C, тогда как кремний теряет полупроводниковые свойства уже при 150–200 °C;
• Насыщенная дрейфовая скорость носителей выше, чем у кремния и нитрида галлия, что определяет предельное быстродействие приборов.

Каждое из этих свойств по отдельности можно найти в других материалах. Нитрид галлия превосходит кремний по полю пробоя. Карбид кремния работает при высоких температурах. Но все пять параметров одновременно только у алмаза.

Где алмаз уже используется и где будет

Применения синтетического алмаза электронного качества делятся на два класса: те, где алмаз работает как пассивный материал (теплоотвод, окно, подложка), и те, где он функционирует как активный полупроводник (транзистор, детектор, диод).

Пассивные применения уже освоены промышленностью:

• Теплоотводы для СВЧ-диодов и транзисторов – НПП «Исток» (Фрязино) внедряет CVD-алмазные теплоотводы в мощные СВЧ-приборы. Алмазная пластина отводит тепло от активной зоны транзистора в десятки раз эффективнее, чем керамика или медь;
• Выходные окна гиротронов – CVD-алмазные диски пропускают мощное СВЧ-излучение (частоты 70–200 ГГц, мощность свыше мегаватта) без разрушения. Используются в термоядерных установках;
• Рентгеновские окна – алмаз прозрачен для рентгеновского излучения и выдерживает высокие мощности, что применяется в синхротронных источниках.

Активные применения – на стадии исследований и первых образцов:

• Детекторы ионизирующего излучения – алмазные детекторы регистрируют альфа-частицы, нейтроны и гамма-кванты с высоким энергетическим разрешением. Востребованы в ядерной энергетике, дозиметрии и космических исследованиях;
• Диоды Шоттки – Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН, Нижний Новгород) разрабатывает алмазные диоды Шоттки для мощных преобразователей и детекторов излучения;
• Силовые и СВЧ-транзисторы – перспективное направление для радиолокационных станций и систем радиоэлектронной борьбы, где требуется одновременно высокая мощность, высокая частота и радиационная стойкость;
• Квантовые сенсоры – NV-центры (азотно-вакансионные дефекты) в алмазе позволяют измерять магнитные поля с атомарным разрешением. В МИФИ развёрнут проект квантового сканирующего микроскопа на основе NV-центров.

Проблема: легирование

Главное препятствие на пути от алмаза-теплоотвода к алмазу-транзистору – легирование. Чтобы алмаз работал как полупроводниковый прибор, в его кристаллическую решётку нужно внедрить примесные атомы, создающие свободные носители заряда (электроны или дырки). У кремния эта задача решена десятилетиями назад: бор даёт p-тип, фосфор – n-тип.

У алмаза всё сложнее. Энергия активации легирующих примесей значительно выше, чем у кремния. Бор создаёт p-тип проводимости, но с энергией активации 0,37 эВ (у кремния – 0,045 эВ). Фосфор для n-типа – ещё хуже: 0,57 эВ. Это означает, что при комнатной температуре лишь малая доля примесных атомов ионизирована и отдаёт носители. Алмазный транзистор при комнатной температуре работает значительно хуже, чем предсказывает теория для полностью ионизированных примесей.

Именно эту проблему решают исследователи ИПФ РАН и МИФИ – и именно поэтому алмазная электроника остаётся на стадии лабораторных образцов, а не серийных приборов.

Что нужно России

Представители отрасли формулируют проблему в промышленных терминах: без собственного производства монокристаллических CVD-алмазов электронного качества Россия не сможет развивать ни алмазную электронику, ни квантовые сенсоры, ни радиационно-стойкие детекторы. Огранка ювелирных синтетических алмазов – отдельная индустрия, но электронный алмаз и ювелирный – разные продукты с разными требованиями к чистоте, дефектности и кристаллическому совершенству.

Мощности ИПФ РАН, МИФИ и других лабораторий достаточны для исследований, но не для промышленного производства. Стране нужны CVD-реакторы, способные выращивать монокристаллы площадью в десятки квадратных миллиметров с контролируемым содержанием примесей на уровне единиц ppb (частей на миллиард).

Грант 960 млн рублей на три года для НЦМУ МИФИ – серьёзный шаг. Но от лабораторного образца алмазного диода до серийного прибора в составе радиолокационной станции – дистанция, которая измеряется не только деньгами, но и годами отработки технологии выращивания, легирования, обработки и корпусирования.

Российские физики продолжают публиковать результаты мирового уровня в области нанофотоники – одном из направлений, где отечественная наука конкурентоспособна не за счёт бюджетов на строительство фабрик, а за счёт фундаментальных знаний и школы, которую невозможно скопировать или купить. Алмазная электроника – ещё одно такое направление. ИПФ РАН, МИФИ, НПП «Исток» располагают компетенциями, которые при достаточном финансировании и промышленной инфраструктуре могут превратиться в реальные приборы для обороны и космоса.