В основе современных электронных приборов, компьютеров, приборов средств связи, датчиков, передающей и воспроизводящей аппаратуры лежат микросхемы, изготовленные на основе полупроводниковых материалов. Кремний является одним из основных материалов, на базе которого в настоящее время изготовлено большинство разнообразных приборов и, в частности, таких как: светодиоды, полупроводниковые лазеры, солнечные батареи, мобильные телефоны, спутниковое ТВ, радары, холодильники, стиральные машины, микроволновые печи и видеоаппаратура. Важным преимуществом кремния является простота обработки. Производство пластин из кремния для чипов и микросхем, их полировка, очистка и резка во всем мире хорошо освоены и поэтому приборы, изготовленные на основе пластин кремния недороги.

Главными недостатками являются то, что полупроводниковые приборы на основе кремния стабильно работают только в узком диапазоне температур, и плохо переносят радиационное воздействие. Одним из наиболее перспективных материалов, способных заменить кремний, без отказа от технологий его изготовления, доведенных до совершенства, может стать карбид кремния (соединение кремния с углеродом).

«В результате наших исследований был открыт принципиально новый метод выращивания монокристаллического карбида кремния на кремнии. Метод основан на согласованном замещении части атомов в кремнии на атомы углерода без разрушения кремниевой основы. Впервые в мировой практике реализована последовательная согласованная замена атомов одного сорта другими атомами прямо внутри исходного кристалла без разрушения его кристаллической структуры. Качество структуры слоев, полученных данным методом, значительно превосходит качество пленок, выращенных на кремниевых подложках ведущими мировыми компаниями. Метод дешев и технологичен», — рассказывает руководитель лаборатории структурных и фазовых превращений в конденсированных средах ИПМаш РАН Сергей Арсеньевич Кукушкин.

Главная проблема, с которой столкнулись ученые заключалась в том, что при стандартном выращивании пленки карбида кремния на кремнии кристаллическая структура карбида кремния не совпадает с кристаллической структурой кремния. В результате пленка карбида кремния растрескивается. Атомы не попадали на свои места, возникло механические напряжения, и пленка потрескалась. В таком виде она становится непригодной для изготовления приборов. Тогда ученые поняли, что необходимо часть атомов в подложке «изъять», то есть создать пустые места в кристаллической решетке подожки за счет образования в ней, так называемых, «вакансий». Основная сложность заключалась в том, чтобы создать вакансии в момент зарождения пленки, именно тогда, когда напыляемый из внешней среды пар начинает превращаться в пленку карбида кремния.

Ученые посчитали наиболее правильным заменить часть атомов в кремнии на углерод, то есть сразу превратить кремний в карбид кремния без его разрушения. Согласно данным теоретического исследования если в пустотах, имеющихся на поверхности кремния, разместить атом углерода, а соседний с ним атом кремния удалить, то оказывается, что размеры кристаллической решетки кремния содержащий такие дефекты практически совпадает с размерами решетки кремния без дефектов. То есть механическое напряжение будет отсутствовать.

«Теоретические выкладки были полностью подтверждены на практике. Нам необходимо было найти такое химическое вещество в результате взаимодействия, с которым в решетку кремния внедрился бы атом углерода, но так, чтобы химическая реакция не протекала сразу до образования карбида кремния, а образовалось бы промежуточная структура. И такое вещество нами было найдено. Им оказалась обычный угарный газ. Поняв это, мы начали выращивать монокристаллические пленки карбида кремния на кремнии, которые на сегодняшний день превосходят по своей структуре и составу пленки карбида кремния на кремнии, выращиваемые ведущими мировыми лидерами в области электронных материалов! И самое главное, их себестоимость более чем в десять раз ниже себестоимости этих пленок», — пояснил Сергей Арсеньевич Кукушкин.

Данное исследование открывает множество перспектив использования карбида кремния. На таких подложках можно: выращивать транзисторы с высокой подвижностью носителей заряда, выращивать гетероструктуру нитрида галлия для голубых лазеров, использовать их в качестве основы для квантовых компьютеров, создавать отечественные микрочипы для светодиодов, создавать сверхэффективные датчики, создавать приемники терагерцевого излучения для легочных заболеваний, и приборов после инсультной и после инфарктной терапии, создать прибор “сжигающий” избыточный сахар у людей болеющих диабетом.

Кроме того, приборы, в которых используется карбид кремния, могут работать почти до трехсот градусов Цельсия без потери полупроводниковых свойств, тогда как кремний «плывет» уже при температуре, превышающей 60 градусов Цельсия. Наконец, микросхемы на карбиде кремния могут работать в условиях высокого радиоактивного облучения, т.е. на ядерных станциях и в космосе.

Технология может лечь в основу высокотехнологического производства монокристаллических слоев карбида кремния на кремниевых подложках. Это позволило бы не только заместить импорт иностранных полупроводниковых структур, аналогов которых нет в России, но и выступить в качестве мирового технологического лидера в области разработки полупроводников нового поколения.