CC BY
27Обзорная статья
УДК 621.382.2/3:661.66:539.23:544.47 ао1:10.24151/1561-5405-2023-28-1-24-48
Характеристики и области возможных применений аморфных кремний-углеродных и металл-кремний-углеродных пленок. Обзор
В. К. Дмитриев1, Э. А. Ильичёв1, Г. Г. Кирпиленко1, Г. Н. Петрухин1, Г. С. Рычков1, В. Д. Фролов2
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва,
Россия
2
Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, г. Москва, Россия
Edil44@mail.ru
Аннотация. Уникальность свойств кремний-углеродных и кремний-металл-углеродных пленок, представляющих нанокристаллический и аморфный класс аллотропов углерода, обусловила широкий диапазон областей их возможных применений. В работе проведен анализ динамики развития технологий получения и расширения областей применений кремний-углеродных и кремний-металл-углеродных пленок. Так, эластичность, механическая прочность (1500-3000 кг/мм2) и химическая стойкость пленок обеспечивают эффективность их применений в качестве пассивирующих покрытий. Теплопроводность и высокий коэффициент черноты (0,8), высокие значения модуля упругости (94011 Н/м2), высоко-омность кремний-углеродных пленок (105-108 Ом-см) и их прозрачность для электромагнитных излучений (вплоть до частот в несколько десятков гигагерц) позволяют их использовать в широкополосных радиочастотных приборах в качестве подвижных элементов (балок, мостов, мембран) МЭМС-переключателей и варакторов. Термостойкость (до 600 °С в открытой системе), достаточно высокая электропроводность (удельное сопротивление ~ 10-5 Ом-см) и высокий коэффициент черноты пленок дают возможность формировать на основе кремний-металл-углеродных пленок широкополосные излучатели нагревательного типа со спектром излучения, зависящим от температуры пленки, в диапазоне 2-14 мкм. Фазовые преобразования аморфной кремний-углеродной пленки в графеновую пленку, осуществляемые посредством высокотемпературного отжига в вакууме в присутствии катализатора, позволяют создавать на ее основе как управляющие электроды с малыми «сеточными» потерями тока (не более 5 %) в вакуумных эмиссионных приборах силовой СВЧ-электроники, так и функциональный слой мультислойной гетероструктуры автоэмиссионной среды для холодных мобильных катодно-сеточных узлов. Обнаруженный эффект автомодуляции фазового и элементного состава кремний-металл-углеродной пленки в направлении роста представляет не только прикладной, но и фундаментальный интерес.
© В. К. Дмитриев, Э. А. Ильичёв, Г. Г. Кирпиленко, Г. Н. Петрухин, Г. С. Рычков, В. Д. Фролов, 2023
Ключевые слова: аллотропные соединения углерода, кремний-углеродные пленки, кремний-металл-углеродные пленки, графеновые пленки, полиорганический прекурсор, полифенилметилсилоксан, автомодуляция фазового состава металл-кремний-углеродных пленок, спектры комбинационного рассеяния
Финансирование работы: работа выполнена в рамках государственного задания № FSMR-2023-0003.
Для цитирования: Характеристики и области возможных применений аморфных кремний--углеродных и металл-кремний-углеродных пленок. Обзор / В. К. Дмитриев, Э. А. Ильичёв, Г. Г. Кирпиленко и др. // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 1. С. 24-48. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-1-24-48
Review article
Characteristics of amorphous silicon-carbon and metal-silicon-carbon films, areas of possible applications. Review
V. K. Dmitriev1, E. A. Il'ichev1, G. G. Kirpilenko1, G. N. Petrukhin1, G. S. Rychkov1, V. D. Frolov2
1National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia 2A. M. Prokhorov Institute of General Physics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
Edil44@mail.ru
Abstract. The uniqueness of the properties of silicon-carbon and silicon-metal-carbon films, representatives of the nanocrystalline and amorphous classes of carbon allotropes, has led to a wide range of areas of their possible application. In this work, the analysis of the dynamics of development of technologies for obtaining and expanding the areas of application of silicon-carbon and silicon-metal-carbon films has been conducted. Thus, the elasticity, mechanical strength (1500-3000 kg/mm2) and chemical resistance of the films ensured the effectiveness of their application as passivating coatings. Thermal conductivity and high emissivity (0.8), high modulus of elasticity (9-1011 N/m2), high resistivity of silicon-carbon films (105-108 Ohm-cm) and their transparency for electromagnetic radiation (up to frequencies of several tens of gigahertz) allow their application for broadband RF devices as moving elements (beams, bridges, membranes) of MEMS switches and varactors. Thermal resistance (up to 600 °C, in an open system), sufficiently high electrical conductivity (resistivity ~ 10-5 Ohm-cm) and high emissivity of the films make it possible to form broadband heating-type radiators based on silicon-metal-carbon films, with an emission spectrum (depending on film temperature) in the range of 2-14 ^m. Phase transformations of an amorphous silicon-carbon film into a graphene film, carried out by high-temperature annealing in vacuum over a catalyst, allows the formation on its basis of control electrodes with low "grid" current losses (no more than 5 %) in vacuum emission devices of power microwave electronics, as well as the functional layer of a multilayer heterostructure of a field emission medium for cold mobile cathode-grid units. The revealed effect of self-modulation of the phase and elemental composition of a silicon-metal-carbon film in the direction of growth is of not only applied but also fundamental interest.
Keywords, allotropie carbon compounds, silicon-carbon films, silicon-metal-carbon films, graphene films, polyorganic precursor, polyphenylmethylsiloxane, self-modulation of the phase composition of metal-silicon-carbon films, Raman spectra
Funding, the work has been supported by State Assignment № FSMR-2023-0003.
For citation. Dmitriev V. K., Il'ichev E. A., Kirpilenko G. G., Petrukhin G. N., Rychkov G. S., Frolov V. D. Characteristics of amorphous silicon-carbon and metal-silicon-carbon films, areas of possible applications. Review. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 1, pp. 24-48. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2023-28-1-24-48
Введение. В настоящее время среди множества аллотропных модификаций углерода, используемых в технических и электронных устройствах в качестве базовых материалов, активно применяются только его кристаллические (алмазы, графены, графиты и др.), аморфные и нанокристаллические (кремний-углеродные и «алмазоподобные» пленки) аллотропы. Это объясняется уникальностью их электрофизических, оптических и механических свойств, а именно: эластичностью, твердостью и механической прочностью, хорошей теплопроводностью и высоким коэффициентом черноты, широкозонно-стью, наличием отрицательной энергии сродства к электрону у некоторых кристаллических аллотропов, радиационной и термической стойкостью, химической инертностью и нетоксичностью развитых технологий синтеза этих материалов.
Алмазные пленки применяются в разработках как СВЧ силовых устройств, так и приборов терагерцового диапазона частот [1-3]. Экспериментально доказана эффективность использования алмаза в качестве сенсорно-преобразовательных слоев фотокатодов и умножителей потока электронов для оптоэлектронных эмиссионных приборов [4-6]. Нанокристаллический класс аллотропов углерода эффективно применяется в приборной базе эмиссионной электроники и наноэлектроники [7, 8].
За последние два десятилетия значительно расширилась область приборных применений аморфных и нанокристаллических углеродных пленок, в том числе кремний-углеродных (a-C:H:Si), металл-кремний-углеродных (a-C:H:Si:Me) и «алмазоподоб-ных» углеродных пленок. Такие пленки эффективно используются в упрочняющих и пассивирующих покрытиях [9] в качестве источников тепловых излучений, а также управляющих электродов эмиссионных приборов, имеющих пренебрежимо малые потери на токи утечки по управляющим электродам [10].
Развитие технологий получения различных структурных и фазовых модификаций аморфных и нанокристаллических углеродных пленок способствует существенному расширению функциональных возможностей их приборных применений. В области разработки и совершенствования СВЧ-приборов и устройств рассматриваемые углеродные материалы позволяют значительно увеличить мобильность изделий и расширить частотный диапазон устройств в субтерагерцовую область. В области оптической визуализации объектов использование алмазных пленок позволяет успешно освоить расширенный диапазон вакуумного ультрафиолета (20-300 нм).
В настоящей работе проводится анализ динамики развития технологий получения и инфраструктуры областей применений аморфных углеродных пленок (пленок с отсутствием дальнего порядка, но имеющих ближний кристаллографический порядок), в частности пленок a-C:H:Si и a-C:H:Si:Me.
Способы получения и классификация пленок по составу. Впервые пленки a-C:H:Si были получены и исследованы В. Ф. Дорфманом. Результаты этих исследований были представлены на Первой европейской конференции «Diamond and diamond-like carbon coatings» [11]. Пленки a-C:H:Si, полученные методом PECVD (Plasma Enhanced Chemical
Vapor Deposition) из полиорганического прекурсора [12], оказались химически стойкими, а
технология их синтеза позволяла получать сплошные (без наличия пор) эластичные и
2 „ механически прочные (1500-3000 кГ/мм) покрытия толщиной 10-20 нм [13].
В. Ф. Дорфман выдвинул предположение, что внутренняя структура пленок a-C:H:Si представляет собой две взаимопроникающие случайные сетки атомарного масштаба с углеродом и кремнием в качестве базовых элементов. Углеродная сетка, по представлениям В. Ф. Дорфмана, стабилизируется водородом, а кремниевая - кислородом, концентрация которого составляет от общей массы всего несколько атомных процентов. В рамках данной концепции введено условное обозначение кремний-углеродных пленок -a-C:H:Si:O. Стабилизация таких взаимопроникающих сеток атомарного масштаба предотвращает появление в процессах синтеза графитовой фазы, несмотря на высокую температуру распыления плазмотроном материала при формировании пленок. Пленки a-C:H:Si:O являются высокоомными, температурная зависимость их электропроводности имеет активационный характер, а удельное сопротивление таким образом полученных пленок достигает ~ 104-105 Ом см.
Аморфная a-C:H:Si-структура является идеальной матрицей для введения в нее атомов металла. В качестве базовой технологии формирования пленки a-C:H:Si:Me используется комбинация методов плазмо-химического разложения при температуре более 1500 °С кремний-органических соединений (полиорганического прекурсора) и метода магнетронного распыления металлов [14, 15]. Предполагается, что распыляемые металлы входят в пленку как отдельными атомами, так и комплексами в виде неупорядоченных сеток. Более поздние исследования позволили внести некоторую детализацию в эти предположения. Исследования электропроводности «термостабилизиро-ванных» пленок a-C:H:Si:Me показали, что их зависимость от температуры пленки имеет металлический характер [15, 16], а удельное сопротивление близко соответствующим значениям для карбидов металлов (~ 10-5 Омсм).
Области возможных применений пленок a-C:H:Si и a-C:H:Si:Me. В. Ф. Дорфман предсказал ряд областей возможных применений пленок a-C:H:Si. Например, использование пленок наноразмерной толщины в качестве износостойких покрытий активной поверхности магнитных дисков запоминающих устройств ЭВМ [14], рабочего тела излучателя нагревательного типа, где спектральный диапазон излучений приходится на тепловой диапазон длин волн (рис. 1).
Рис. 1. МЭМС ИК-излучатель в микрокорпусе ТО-5 (размер кристалла 3,75 х 3,75 мм) и схематичное представление сечения кристалла излучателя: 1 - алюминиевые контакты; 2 - пленка a-C:H:Si:Me на диэлектрической мембране общей толщиной менее 1 мкм; 3 - подложка Si; 4 - окно для вывода теплового излучения [17] Fig. 1. MEMS IR emitter in a TO-5 micropackage (crystal size 3.75 х 3.75 mm) and a schematic representation of the cross section of the emitter crystal: 1 - aluminum contacts; 2 - a-C:H:Si:Me film on a dielectric membrane, with a total thickness of less than 1 ^m; 3 - silicon wafer; 4 - area of exit of thermal radiation [17]
Рабочим телом излучателя нагревательного типа является нагретая до высоких температур термостабилизированная металлосодержащая композитная пленка а-С:Н:Б1:Ме с коэффициентом излучений (степенью черноты) порядка 0,8. Пленка излучает выделяющуюся при протекании электрического тока тепловую энергию в спектральном диапазоне 2-14 мкм с зависящим от температуры пленки максимумом интенсивности полосы излучения. В силу мембранной конструкции пленки наблюдаемая инерционность кинетики излучений при работе в открытой системе не хуже 10 с. Термостабилизация сопротивления пленки осуществляется плавным ее нагревом до температуры 750-800 °С с последующим отжигом в вакууме при указанной температуре. Максимальный рабочий ресурс у излучателей нагревательного типа наблюдается для композитных кремний-молибден-углеродных пленок (а-С:Н:Б1:Мо).
Область эффективных применений пленок а-С:Н:Б1 - малоинерционные подвижные элементы МЭМС-переключателей и варакторов (балки, мосты, мембраны) [18-20]. Для этих применений аморфные пленки а-С:Н:Б1 получают посредством термического разложения полифениметилсилоксана (СН3)38Ю(СН3СбН58Ю)381(СН3)3. Удельное сопротив-
8 3 3
ление таких пленок ~ 10 Ом-см, плотность вещества пленок ~ 3,5 10 кг/м , модуль уп-112
ругости ~
8,510" Н/м2. Селективное травление пленок а-С:Н:Б1 при изготовлении приборов осуществляется по заданному рисунку в атмосфере смеси аргона, кислорода и элегаза. Это позволяет сформировать на их основе балки и мосты широкополосных МЭМС-переключателей, а также мембраны варакторов с подвижными электродами перестраиваемых конденсаторов. На рис. 2 представлены растровые электронно-микроскопические (РЭМ) изображения МЭМС-переключателей, в том числе полной релейной пары (рис. 2, а). С целью исключения возможных упругих деформаций пленок, а также для уменьшения пороговых переключающих напряжений разработана технология, позволяющая формировать пленки а-С:Н:Б1 с ребристой поверхностью. Для предотвращения деформаций используется подход, связанный с формированием «пла-нарных» пружин (рис. 2, б, в).
В широкополосных полупроводниковых переключателях при работе в субтерагерцо-вом диапазоне наблюдаются значительные потери добротности, связанные с паразитной емкостью барьерных p-n-переходов либо переходов металл - полупроводник. МЭМС-переключатели являются широкополосными, характеризуются большими значениями модуля упругости, высокой прочностью и высокоомностью аморфных пленок а-С:Н:Б1, прозрачны для радиочастотных электромагнитных излучений СВЧ-диапазона. Высокая упругость пленок а-С:Н:Б1 позволяет избежать эффекта «залипания» контактов, часто наблюдаемого при использовании стандартных материалов и МЭМС-технологий.
Эксперименты показали, что рассматриваемые МЭМС-переключатели, расположенные на монокристаллических кремниевых подложках либо на структурах кремний на изоляторе, эффективно работают вплоть до частот ~ 2 ГГц. Наблюдаемое падение добротности МЭМС-переключателей при более высоких частотах связано с поглощающим влиянием носителя (кремниевой подложки с оксидированной поверхностью). Дополнительные исследования показали отсутствие поглощения СВЧ-мощности собственно пленкой а-С:Н^ вплоть до частот ~ 20 ГГц. Поэтому замена кремниевых подложек-носителей МЭМС-переключателей на подложки-носители из поликора либо ар-сенида галлия позволит существенно расширить верхнюю границу рабочих частот. Детальные исследования характеристик широкополосных МЭМС-переключателей подтвердили, что использование аморфных пленок а-С:Н:Б1 в качестве подвижных элементов МЭМС-переключателей позволяет реализовать высокую добротность и надежность
в
Рис. 2. РЭМ-изображения сдвоенных МЭМС-переключателей: а - сдвоенные переключатели балочной конструкции; б - сдвоенные переключатели мостовой конструкции с «гасителями» упругих напряжений в форме меандра; в - коммутирующий узел переключателя мостовой конструкции с четырьмя и двумя
подвесами [18, 20]
Fig. 2. SEM images of dual MEMS switches of various designs: a - dual balk switches; b - dual bridge switches with meander-shaped "dampers" of elastic stresses; c - bridge switch switching unit with four and two hangers [18, 20]
работы радиочастотных схем и устройств в целом. На рис. 3 показана плата схемы СВЧ-передатчика с амплитудным модулятором несущей частоты на основе МЭМС-переключателя, его частотная характеристика приведена на рис. 4. Пороговые напряжения переключения составляют 20-25 В, рабочая частота ~ 1,5-1,7 ГГц, коммутируемый ток ~ 2-5 мА.
Пленки а-С:Н^ могут эффективно применяться при формировании графеновых пленок [21, 22]. Суть метода - доставка посредством термодиффузии атомов углерода из твердой аморфной пленки а-С:И:81 сквозь каталитический слой никеля к границе раздела М/БЬ^ с последующим накоплением на ней атомов углерода. На границе раздела каталитический слой никеля / барьерный слой Б13К4 (барьерный в отношении процессов диффузии) накапливаются диффундирующие атомы углерода, и в присутствии катализатора (N1) при температурах 1200-1300 °С реализуется фазовый переход углеродная квазижидкость - твердая углеродная пленка. Сравнительный анализ фазовых состояний исходных пленок, а также пленок после перечисленных технологических воздействий осуществлен посредством изучения их спектров комбинационного рассеяния (КР), анализа картин РЭМ-изображений их поверхности, а также спектров локального рентгеновского микроанализа. Параметры характерных линий КР-спектров и соотношения между амплитудами О-, Б- и 2G-пиков КР-спектров пленок указывают на факт реализации мультислойной (3-5 слоев) графеновой пленки. Изучены КР-спектры как исходных пленок а-С:И:81,
Рис. 3. Плата СВЧ-передатчика (/" — 1,7 ГГц) с амплитудным модулятором несущей частоты
на основе МЭМС-переключателя [18, 20] Fig. 3. Microwave transmitter board (f ~ 1.7 GHz) with a carrier frequency amplitude modulator based on a MEMS switch [18, 20]
Agilent 11:06:47 21 Aug 2006
Ref 10 dBm Fitten 20 dB Mkrl 1.517362 GHz -5.313 dBm
Peak Log
10 dB/ i I
Jfl К
Spai г \ iVVn ,
iXjJyiL if Tf^l % Шл ЛА|Ш1
my 14 1 1 г Г
Hl S2
S3 FC
flfl
Center 1.517 GHz Res BW 30 kHz
Ш 30 kHz
Span 2.174 MHz Sweep 5 ms (401 pts)
¡.17412200 MHz Span Zoom
Рис. 4. Частотная характеристика радиосигнала СВЧ-генератора с МЭМС-переключателем в качестве амплитудного модулятора [18, 20] Fig. 4. Frequency response of the radio signal of a microwave generator with a MEMS switch as an amplitude modulator [18, 20]
так и пленок, подвергнутых в вакууме термическим обработкам в расширенном температурном диапазоне 800-1300 °С в присутствии катализатора (№). Фазовые изменения зарегистрированы только при температурах, превышающих 1100 °С На рис. 5 схематично представлено изображение исходной («прямой») гетероструктуры, используемой при модификации фазового состава пленки a-C:H:Si.
Исследована «обращенная» гетерост-руктура, в которой верхний слой - никель, а наноразмерный аморфный слой а^Л^ нанесен непосредственно на пленку SiзN4. Исследования структур обоих типов показали, что результатом их температурного отжига (1100-1300 °С) в вакууме является формирование наноразмерной толщины пленок, имеющих КР-спектры, аналогичные спектрам графеновых пленок. КР-спектры исходных пленок а^Л^ представляют собой суперпозицию характеристических линий множества аллотропных соединений углерода (рис. 6), в то время как КР-спектры пленок, отожженных в присутствии катализатора (рис. 7), указывают на близость кристаллических структур модифицированных пленок а^Л^ и графена (рис. 8).
В результате экспериментальных исследований установлено (см. рис. 7), что при термической обработке в диапазоне температур 1100-1300 °С в условиях вакуума (10-5 мм рт. ст.) и при наличии катализатора на гетерогранице Si3N4/Ni формируется пленка, КР-спектры которой подобны КР-спектрам графеновой пленки. Об этом говорит появление ярко выраженных G-пика (~ 1580 см-1) и 2D-пика (~ 2710 см-1) с характерными для графеновой пленки значениями отношений их амплитуд. Наличие в KP-спектрах (в области значений волнового числа 2200-3500 см 1) пиков малой интенсивности может указывать как на следы от включений в полученные графеновые пленки примесей других аллотропных углеродных форм, так и на возможное присутствие на поверхности термически обработанной гетероструктуры счетного числа графеновых слоев. Наличие в спектрах интенсивной линии перехода D-пика (~ 1350 см 1 ) указывает на sp3-гибридизацию в пленке.
Полученные результаты экспериментальных исследований позволяют заключить, что начиная с температуры 1100 °С происходит фазовый переход углеродная квазижидкость - графен. Чрезвычайно высокая степень однородности параметров исходных пленок а^Л^, реализуемая рассмотренными методами на подложках большой площади, позволяет утверждать, что предлагаемый подход получения графеновых пленок может быть эффективен при создании приборных структур и интегральных схем на основе сформированных графеновых пленок.
Рис. 5. Гетероструктура для формирования пленки графена из аморфной пленки a-C:H:Si Fig. 5. Heterostructure for obtaining graphene from an amorphous a-C:H:Si film
60
4 <u 55
X 50
i- o
rn О 45
X 40
jf
p о 35
о
3 £0 30
3
0 1 25
о
н 3 20
s
15
0
Волновое число, xlO3 см"'
Рис. 6. КР-спектры исходной пленки a-C:H:Si [21, 22] Fig. 6. Raman spectra of the original a-C:H:Si film [21, 22]
Рис. 7. КР-спектры модифицированных пленок: а - «прямая» гетероструктура с пленкой a-C:H:Si; б - «обращенная» гетероструктура с пленкой a-C:H:Si после отжига при температуре 1100 °C
и последующем удалении каталитического слоя никеля [21, 22] Fig. 7. Raman spectra of the modified films: a - a-C:H:Si films of the "direct" heterostructure; b - a-C:H:Si films of the "inverted" heterostructure after annealing at a temperature of 1100 °C and removal of the nickel catalytic layer on the "inverted" heterostructure [21, 22]
Рис. 8. КР-спектры эталонных графеновых пленок [23] Fig. 8. Raman spectra of reference graphene films [23]
Для приборных применений крайне важна возможность формирования из аморфных пленок a-C:H:Si слоев с КР-спектрами, подобными спектрам графеновых пленок, с использованием экологически чистых и малозатратных технологий. В частности, эффективно формирование управляющих электродов для катодно-сеточных узлов (КСУ) триодов и тетродов силовых приборов эмиссионной электроники. В работе [21] экспериментально показано (рис. 9), что «сеточные» потери в управляющих электродах на основе графеновых пленок для электронов с энергией более 400 эВ не превышают 5 % от полного тока (ось энергии электронов нормирована на энергию ионизации Еион атома водорода). В то же время в стандартных эмиссионных приборах с металлическими (либо кремниевыми) управляющими электродами, выполненными в виде сеток, потери полного тока из-за «сеточных» токов достигают 20-40 %.
Аморфные углеродные пленки, подвергнутые фазовой модификации посредством их термической обработки в вакууме в присутствии катализатора, могут эффективно использоваться как функциональные при формировании автоэмиссионной среды КСУ в приборах вакуумной эмиссионной силовой электроники. В работах [24, 25] предложен инновационный подход к формированию микроострийных автоэмиссионных КСУ и исследованы изготовленные экспериментальные образцы. КСУ выполнены на основе гетероструктур кремний / алмаз с массивами кремниевых микроострий на гетерограни-це и осажденной на поверхности структуры термически обработанной туннельно-проз-рачной пленки а-С:И:81:Ме с катализатором -металлом, например никелем. РЭМ-изображения исходных фрагментов гетероструктуры для автоэмиттера КСУ и топология кристалла автоэмиттера представлены на рис. 10. Кристалл автоэмиттера содержит совокупность мезаструктур, на поверхностях которых сформированы массивы микроострий, погруженных в алмазную пленку.
Неравновесность процессов формирования пленок а-С:Н^:Ме и результаты экспериментальных электрофизических исследований привели к необходимости детального изучения профиля состава пленок [22, 26]. В процессе исследований профиля
Рис. 9. Энергетические потери электронов
в графеновом электроде [21] Fig. 9. Energy losses of electrons in a graphene electrode [21]
Рис. 10. РЭМ-изображения гетероструктуры для КСУ: а - вершина кремниевого микроострия; б - массивы кремниевых микроострий; в - гетерост-руктура кремний / алмаз / a-C:H:Si:Ni; г - топология
кристалла автоэмиттера [24, 25] Fig. 10. SEM images of the structure for the cathode grid knot: a - top of silicon micropoint; b - arrays of silicon micropoints; c - silicon / diamond / a-C:H:Si:Ni heterostructure; d - topology of field-emitter chip [24, 25]
элементного и фазового составов пленок обнаружен эффект автомодуляции в направлении, перпендикулярном поверхности подложки, т. е. в направлении роста пленки. Исследована устойчивость параметров автомодуляции состава пленки к процессам последующих высокотемпературных отжигов. На рис. 11-15 представлены результаты экспериментальных исследований профилей элементного и фазового составов пленок при различных температурах отжига.
Рис. 11. Профили концентрации элементного состава исходных композитных пленок а-С:Н^:Ме [22, 26] Fig. 11. The concentration profiles of the elemental composition of the initial composite a-C:H:Si:Me films [22, 26]
Рис. 12. Профили концентрации элементного состава композитных пленок а-С:Н^:Ме, отожженных в вакууме при температуре 600 °С в течение 1 ч [22, 26] Fig. 12. The concentration profiles of the elemental composition of composite a-C:H:Si:Me films annealed 1 hour in vacuum at 600 °C [22, 26]
Рис. 13. Профили концентрации элементного состава композитных пленок a-C:H:Si:Ме, отожженных при 850 °С в термокамере в атмосфере азота (a) и при
пропускании электрического тока в атмосферной среде (б) [22, 26] Fig. 13. The concentration profiles of the elemental composition of composite a-C:H:Si:Me films annealed at 850 °C in a heat chamber in a nitrogen atmosphere (a), and by passing an electric current in an atmospheric environment (b) [22, 26]
Рис. 14. Профили концентрации элементного и фазового составов исходных композитных пленок а-С:Н^:Ме [22, 26] Fig. 14. Concentration profiles of elemental and phase composition of initial composite a-C:H:Si:Me films [22, 26]
Рис. 15. Профили концентрации элементного и фазового составов композитных пленок a-C:H:Si:Ме, отожженных в вакууме при температуре 850 °С [22, 26] Fig. 15. Concentration profiles of elemental and phase composition of composite a-C:H:Si:Me films annealed in vacuum at 850 °C [22, 26]
Возможность коррелированных периодических изменений (автомодуляции) концентрации элементных и фазовых составов по толщине пленки обусловлена неравновесностью процесса ее формирования. Случайные начальные флуктуации концентраций атомов С либо Si в пленке запускают процесс автомодуляции. Так, флуктуация
концентрации атомов С либо Si в сторону увеличения сопровождается флуктуацией вероятности образования соответственно фаз МоС либо MoSi. Доминирование процесса образования одной из фаз (например, МоС) ведет к локальному обеднению концентрации по этому элементу (в данном случае С) в окрестностях атомов Мо, что замедляет темп образования данной фазы, повышая при этом вероятность образования связей атомов Мо с альтернативным партнером (МоБ1). При профильных измерениях фазового состава экспериментально наблюдается (см. рис. 14) соответствие темпов изменений концентраций фазы МоС и атомов свободного углерода (С). Параллельно этому идет процесс образования фазы SiC, максимумы и минимумы флуктуации которой коррелируют с максимумами и минимумами концентрациями кремниевой и углеродной фаз. В то же время из результатов оже-спектроскопии следует, что концентрации элементного состава по Мо и Si изменяются в направлении роста с незначительным «разбалансом» по толщине пленки амплитудных максимумов концентраций для атомов Мо и Si. Измерения методом вторичной ионной масс-спектрометрии показали, что это результат образований карбидных или «силицидных» фаз.
В процессе отжига пленок а-С:И:81 посредством пропускания электрического тока в открытой системе в течение ~ 0,5 ч с контролем температуры (более 600 °С) поверхности пленки замечена смена активационного характера температурной зависимости проводимости пленки на температурную зависимость, имеющую металлический характер. Полевые зависимости электропроводности исходных пленок как до, так и после отжига током при температурах не более 600 °С носят нелинейный характер. При дальнейшем увеличении температуры отжига энергия активации проводимости пленок а-С:Н^ начинает монотонно уменьшаться. По мере приближения температуры отжига током к значению ~ 700 °С возрастает термостабильность пленок, но исчезает актива-ционный характер ее проводимости. Активационный характер изменений сопротивления исходной пленки от температуры, скорее всего, является следствием термоактивированного транспорта носителей заряда в пленке с участием локализованных глубоких центров. Стремительное уменьшение энергии активации проводимости с повышением температуры отжига в диапазоне 650-700 °С указывает на разрушение активационного канала транспорта заряда, а последующая смена активационного характера зависимости тока от температуры на металлический указывает на реализацию фазовых превращений.
В пленках а-С:Н^, отожженных при температурах ~ 850 °С, качественно изменяется характер температурной зависимости проводимости. Температурные измерения электропроводности после отжига током в диапазоне данных температур указывают на изменения знака температурной зависимости проводимости. В результате температурная зависимость проводимости начинает проявлять «металлический» характер (сопротивление пленок растет с ростом температуры измеряемого образца), а абсолютное сопротивление резко (на несколько порядков) падает. Для пленок а-С:И:81:Ме картина изменений удельного сопротивления с ростом температуры несколько иная. Исходные пленки имеют существенно меньшие значения удельного сопротивления (~ 103 Омсм), характер температурной зависимости их проводимости так же активационный, но энергия активации проводимости крайне мала, при приближении температуры отжига к значениям ~ 600 °С их электропроводность резко возрастает, а характер температурной зависимости меняется с «полупроводниковой» (активационной) на «металлическую» с удельным сопротивлением ~ 10-5 Ом см. Максимальная термостабильность электрической проводимости наблюдается для композитных пленок а-С:Н^:Ме, отожженных при температурах ~ 650-700 °С.
Согласно рис. 11-15 при приближении температуры отжига к значениям 600-700 °С в пленках а-С:Н^:Ме значительно уменьшаются амплитуды автомодуляции элементного и фазового составов в направлении, нормальном к поверхности пленки. Однако пространственный сдвиг относительных изменений концентраций между фазами MoC и MoSi остается неизменным. Энергия деструкции квазиравновесного состояния пленки, наблюдаемая при температуре отжига, превышающей ~ 750 °С, составляет ~ 0,15-0,17 эВ. Полевые зависимости электропроводности отожженных пленок а-С:Н^:Ме имеют линейный характер.
Развитие технологических методов воздействий на пленки a-C:H:Si и а-С:Н^:Ме привело к возможности формирования на их поверхности наноразмерных объектов посредством воздействия локального электрического поля от острия кантилевера с платиновым покрытием, проводимого в сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) Solver P47 (ООО «НТ-МДТ», Россия). Исходная шероховатость поверхности образцов пленок составляла ~ 1 нм. На кантилевер подавалась серия (N = 1...1000) прямоугольных импульсов электрического напряжения U амплитудой, изменяющейся в диапазоне от -10 до +10 В, и длительностью s = 1.1000 мс. Суммарная длительность электрических импульсных воздействий T = Ns варьировалась от 3 мс до 300 с.
В процессе экспериментов установлено, что воздействия на пленку a-C:H:Si импульсами положительной полярности (положительное напряжение на острие кантиле-вера равно 5 В) приводят к формированию нанообъектов, высота H и диаметр D которых зависят от напряжения U и времени T воздействий. На рис. 16, а представлено сформированное за временной интервал T = 8 с на пленке a-C:H:Si СЗМ-изображение такого конусообразного нанообъекта с радиусом вершины r = 5 нм. Процесс формирования нанообъектов имеет пороговый характер. Параметры процесса формирования нанообъектов в сильном поле острия кантилевера (контактный режим) таковы: пороговое напряжение ~ 5 В, время (экспозиция) формирования нанообъекта ~ 1 с при U = 10 В. Высота формируемого нанообъекта при больших значениях временных экспозиций имеет тенденцию к насыщению, в то время как диаметр нанообъекта на уровне основания с ростом длительности экспозиции увеличивается (рис. 16, б). Воспроизводимость процесса формирования нанообъектов позволила сформировать из них регулярную матрицу с мощностью массива 5-108 элементов/см2 (рис. 17).
нм -
Рис. 16. Результаты воздействия СЗМ на пленку a-C:H:Si:0 при U = 10 В: а - конусообразная структура, полученная при T = 8 с; б - зависимость высоты H формируемых наноразмерных конусов
и их диаметра D от заданной длительности экспозиции T [27-29] Fig. 16. Results of exposure to SPM on the a-C:H:Si:O film at U = 10 V: a - cone-shaped structure obtained at T = 8 s; b - dependence of the nanoscale cone height H and diameter D from a given exposure time T [27-29]
Результат воздействий на пленки а-С:И:81:Ме локального электрического поля имеет качественно другие проявления. При воздействии локального электрического поля от острия кантилевера на поверхность такой пленки формируется нанообъ-ект, форма которого имеет квазисферическую симметрию (рис. 18). Полярность формирующих импульсов так же положительна, но зависимость процесса формирования от величины поля уже не носит ярко выраженного порогового характера. Возможно, в сильном электрическом поле наличие в пленке атомов металла (а-С:И:81:Мо) облегчает прохождение процесса локального окисления пленки.
Процесс формирования в пленках а-С:Н^ нанообъектов с конической симметрией хорошо воспроизводим и может иметь прикладное значение. Поэтому его исследованию уделено большее внимание [27-29]. Экспериментально установлено, что максимальные высоты Нтах наноконусов пропорциональны толщине пленки ё и достигают ~ 50 нм для пленок толщиной 100 нм. Также установлено, что начальный момент формирования локальных участков таких конусообразных нанообъектов на поверхности пленок а-С:Н^ сопровождается резким уменьшением тока проводимости (рис. 19). Это говорит о значительных фазовых изменениях в пленке, протекающих в сильном электрическом поле. Данные изменения могут быть связаны как с локальным окислением элементного состава пленки, так и с изменением фазовых соотношений в пленке (между sp2- и sp3-фазами).
нм
Рис. 17. Массив из регулярных нанообъектов, сформированных в сильном локальном электрическом поле в пленке a-C:H:Si [27-29] Fig. 17. An array of regular nano-objects formed in a strong local electric field in a a-C:H:Si film [27-29]
Рис. 18. Результаты локальных полевых воздействий на пленку (a-C:H):Si:0:Mo при U = 8 В: а - нанообъект в форме полусферы, сформированный при воздействии локального электрического поля в течение T = 60 мс; б - зависимость высоты H сформированных нанообъектов от времени Т
экспозиции [27-29]
Fig. 18. Results of local field effects on the film (a-C:H):Si:O:Mo at U = 8 V: a - a hemisphere-shaped nano-object formed at the time of exposure to a local electric field T = 60 ms; b - dependence of the height H of the formed nano-object from the exposure time T [27-29]
Время Т, с
Рис. 19. Динамика изменений высот нанообъ-ектов H и тока I в течение времени T формирования объекта локальным электрическим
полем [27-29] Fig. 19. Dynamics of changes in the height H of the nano-object and the magnitude of the current I during the time T of the formation of the object by the local electric field [27-29]
Рис. 20. Спектры комбинационного рассеяния света структуры a-C:H:Si/Si до (кривая 1) и после
(кривая 2) воздействий СЗМ [30] Fig. 20. Raman scattering spectra of the a-C:H:Si/Si structure before (curve 1) and after (curve 2) SPM treatment [30]
Сравнительная оже-спектроскопия исходной и модифицированной областей поверхности пленки в диапазоне кинетических энергий 220-260 эВ указывает на изменения фазового состава пленки. Изучение КР-спектров позволило установить, что пленка, исходно содержащая множество фаз аллотропных соединений углерода, при локальных электрических полевых воздействиях превращается в пленку, содержащую нанораз-мерные объекты с доминированием в их составе кластеров из упорядоченных кристаллитов (sp3, карбиды, силициды). КР-спектр исходной пленки (рис. 20, кривая 1) характеризуется широкой полосой при 1500 см 1 и низкочастотным «плечом» до 900 см 1. Такой КР-спектр характерен для аморфной углеродной пленки a-C:H:Si:0 и вызван наличием в кластерах ароматических колец и углеродных цепей, связанных с sp2. Отметим, что пик КР в отсутствие кремния (пленка a-C:H) приходится на ~ 1550 см 1, а сдвиг полосы за счет вхождения Si смещает его в положение ~ 1500 см 1 за счет слабой связи Si-C по сравнению со связью C-C [30, 31]. Спектр комбинационного рассеяния света в области модифицированной пленки (рис. 20, кривая 2) включает в себя по меньшей мере пять полос. Полосы 550, 800 и 1100 см 1 относятся соответственно к колебательным связям Si-Si, Si-C [30] и C-C [32] в sp3-гибридизации, полосы 1580 см-1 -G-пик и 1350 см 1 - D-пик [33].
Изучено поведение сформированных в локальном поле нанообъектов при проведении температурных отжигов образцов. На рис. 21 представлены схематическое изображение динамики поведения профиля сечения кластера в процессе отжига при температурах 400 и 700 °C и вакууме 1,3 Па и его РЭМ-изображение.
60
-20-1-1-1-1-1-1-1
0 100 200 300 400 500 600 б
Диаметр D, им а
Рис. 21. Схематические изображения эволюции топологии нанообъектов, сформированных локальным электрическим полем: 1 - профиль сечения кластера; 2, 3 - изменения топологии нанообъектов в процессе термообработки при температурах 400 и 700 °C соответственно (а); РЭМ-изображение
конечного состояния нанообъекта после термической обработки (б) [27, 28] Fig. 21. Schematic representations of the evolution of the topology of nano-objects formed by the local electric field of nano-objects: 1 - cluster cross-section profile; 2, 3 - variations in the topology of nano-objects after heat treatment at temperatures 400 and 700 °C respectively (a); SEM image of the final state
of a nanoobject after heat treatment (b) [27, 28]
Заключение. В результате развития технологий получения пленок a-C:H:Si и а-С:Н^:Ме, поиска и освоения областей их возможных применений в приборных разработках появились опытные разработки компактных приборов силовой СВЧ-электроники (~ 150 ГГц, 20-30 Вт) [34], существенно расширились возможности регистрации и распознавания объектов, излучающих в ультрафиолетовой области (150-250 нм, 10 Вт/Гц ), разработаны излучатели спектрального диапазона 2-14 мкм, успешно используемые в анализаторах спектров. Технология формирования нанообъектов на поверхности пленок a-C:H:Si может применяться для разработки запоминающих сред постоянной энергонезависимой радиационно и термически стойкой памяти.
Продолжающийся поиск альтернативных методов получения углеродных пленок [35] и детальные исследования их характеристик позволят расширить области их эффективных применений.
Литература
1. Diamond FET using high-quality polycrystalline diamond with fT of 45 GHz and fmax of 120 GHz / K. Ueda, M. Kasu, Y. Yamauchi et al. // IEEE Electron Device Letters. 2006. Vol. 27. Iss. 7. P. 570-572. https://doi.org/10.1109/LED.2006.876325
2. Bunch characteristics of an electron beam generated by a diamond secondary emitter amplifier / K. L. Jensen, J. E. Yater, J. L. Shaw et al. // Journal of Applied Physics. 2010. Vol. 108. Iss. 4. Art. ID: 044509. https://doi.org/10.1063/L3462437
3. Il'ichev E. A., Kuleshov A. E., Poltoratskii E. A., Rychkov G. S. Electron multiplier concentrator on the base of polycrystalline diamond film // Diamond & Related Materials. 2011. Vol. 20. Iss. 1. P. 23-25. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2010.11.002
4. Image converter tubes with diamond photocathodes and electron flow multipliers / V. A. Bespalov, E. A. Il'ichev, I. P. Kazakov et al. // Diamond & Related Materials. 2021. Vol. 120. Art. No. 108603. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2021.108603
5. Characteristics of solar-blind electron-optical converters with diamond photocathodes / V. A. Bespalov, E. A. Il'ichev, G. A. Kirpilenko et al. // Tech. Phys. Lett. 2021. Vol. 47. Iss. 6. P. 432-435. https://doi.org/10.1134/S1063785021050047
6. Design and investigation of UV image detectors / V. A. Bespalov, V. M. Glazov, E. A. Il'ichev et al. // Tech. Phys. 2015. Vol. 60. Iss. 4. P. 553-560. https://doi.org/10.1134/S1063784215040076
7. 100-GHz transistors from wafer-scale epitaxial graphene / Y.-M. Lin, C. Dimitrakopoulos, K A Jenkins et al. // Science. 2010. Vol. 327. Iss. 5966. P. 662. https://doi.org/10.1126/science.1184289
8. Lateral emitter as a base element of integrated emission electronics / S. A. Gavrilov, E. A. Il'ichev, A. I. Kozlitin et al. // Tech. Phys. Lett. 2004. Vol. 30. Iss. 6. P. 466-468. https://doi.org/10.1134/L1773337
9. Effects of UV laser micropatterning on frictional performance of diamond-like nanocomposite films / E. V. Zavedeev, O. S. Zilova, A. D. Barinov et al. // Appl. Phys. A. 2016. Vol. 122. Iss. 11. Art. No. 961. https://doi.org/10.1007/s00339-016-0508-7
10. Studying the transparency of graphene for low-energy electrons / E. A. Il'ichev, A. E. Kuleshov,
D. M. Migunov et al. // Tech. Phys. Lett. 2018. Vol. 44. P. 848-851. https://doi.org/10.1134/ S1063785018090201
11. Dorfman V. F. Preface // Diamond and diamond-like carbon coatings 1990: proc. of the 1st European conf. (Crans-Montana, Switzerland, Sept. 17-19, 1990). Amsterdam: Elsevier Science, 1991. P. 806.
12. Dorfman V. F. Diamond-like nanocomposites (DLN) // Thin Solid Films. 1992. Vol. 212. P. 267-273. https://doi.org/10.1016/0040-6090(92)90532-G
13. Diamond-like nanocomposites: electronic transport mechanisms and some applications / V. F. Dorfman, A. Bozko, B. N. Pypkin et al. // Thin Solid Films. 1992. Vol. 212. P. 274-281. https://doi.org/10.1016/0040-6090(92)90533-H
14. Control of properties of diamond-like silicon-carbon films / A. I. Popov, A. D. Barinov, V. M. Emets et al. // Phys. Solid State. 2020. Vol. 62. Iss. 10. P. 1780-1786. https://doi.org/10.1134/S1063783420100261
15. Nanoamorphe Kohlenstoffschichten für Infrarotstrahler / G. Kirpilenko, V. Dmitriev, T. Skotheim et al. // Photonik. 2008. Vol. 6. S. 35-37.
16. Thermostable resistors based on diamond-like carbon films deposited by CVD method / V. K. Dmitriev, V. N. Inkin, G. G. Kirpilenko et al. // Diamond & Related Materials. 2001. Vol. 10. P. 1007-1010. https://doi.org/10.1016/S0925-9635(00)00612-9
17. Исследование молекулярной структуры матрицы алмазоподобных кремний-углеродных нано-композитов / А. И. Белогорохов, А. М. Додонов, М. Д. Малинкович и др. // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2007. № 1. С. 69-71.
18. Микроэлектромеханические переключатели на основе аморфных алмазоподобных углеродных пленок / В. А. Власенко, С. Н. Беляев, А. Г. Ефимов и др. // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. № 15. С. 105-110.
19. Микроэлектромеханические коммутаторы для радиочастотных устройств / В. А. Власенко,
A. Г. Ефимов, Э. А. Ильичев и др. // Нано- и микросистемная техника. 2009. № 10 (111). С. 30-34.
20. Власенко В. А., Ефимов А. Г., Ильичев Э. А., Полторацкий Э. А. Перспективы использования элементов микроэлектромеханических систем в СВЧ-модулях // Вопросы радиоэлектроники. 2009. Т. 3. № 1. С. 137-143.
21. Peculiarities of graphene layer formation from amorphous carbon and silicon-carbon films /
E. A. Il'ichev, E. P. Kirilenko, G. N. Petrukhin et al. // Tech. Phys. Lett. 2014. Vol. 40. Iss. 1. P. 52-54. https://doi.org/10.1134/S1063785014010234
22. Способ формирования графеновых пленок / Э. А. Ильичев, Е. П. Кириленко, Г. Н. Петрухин и др. // ЖТФ. 2014. Т. 84. № 7. С. 62-66.
23. Free-standing epitaxial graphene / Sh. Shivaraman, R. A. Barton, X. Yu et al. // Nano Lett. 2009. Vol. 9. Iss. 9. P. 3100-3105. https://doi.org/10.1021/nl900479g
24. Development and investigation of a field emission medium for autocathodes of mobile power microwave devices / V. A. Bespalov, E. A. Il'ichev, S. V. Kuklev et al. // Techn. Phys. 2018. Vol. 63. Iss. 3. P. 443-451. https://doi.org/10.1134/S1063784218030027
25. Пат. 2629013 РФ. Автоэмиссионный сверхвысокочастотный диод и способ его изготовления /
B. А. Беспалов, Э. А. Ильичев, Г. С. Рычков и др.; заявл. 06.07.2015; опубл. 24.08.2017, Бюл. № 24. 9 с.
26. Evolution of properties in composite carbon films under thermal conditions and in the presence of a catalyst / S. N. Belyaev, G. G. Kirpilenko, E. P. Kirilenko et al. // J. Surf. Investig. 2016. Vol. 10. Iss. 4. P. 753-757. https://doi.org/10.1134/S1027451016040042
27. Synthesis, characterization and nanostructuring of (a-C:H):Si and (a-C:H):Si:metal films / G. G. Kirpilenko, V. D. Frolov, E. V. Zavedeev et al. // Diamond & Related Materials. 2006. Vol. 15. Iss. 4-8. P. 1147-1150. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2005.10.026
28. New type of regular carbon nanostructures: Nanocones on the surfaces of carbon-silicon (a-C:H) composite films / V. D. Frolov, S. M. Pimenov, E. V. Zavedeev et al. // J. Surf. Investig. 2007. Vol. 1. Iss. 3. P. 303-305. https://doi.org/10.1134/S1027451007030135
29. Nanocones on (a-C:H):Si composite films: Thermal stability, growth dynamics and electrical properties / V. D. Frolov, E. V. Zavedeev, S. M. Pimenov et al. // Diamond & Related Materials. 2007. Vol. 16. Iss. 4-7. P. 1218-1221. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2006.11.013
30. Optical properties of nanostructured a-C:H:Si films / V. D. Frolov, V. A. Gerasimenko, V. V. Kononenko et al. // Nanotechnol. Russia. 2009. Vol. 4. Iss. 5-6. P. 366-372. https://doi.org/10.1134/ S1995078009050152
31. Relation between mechanical and structural properties of silicon-incorporated hard a-C:H films / A. L. Baia Neto, R. A. Santos, F. L. Freire Jr. et al. // Thin Solid Films. 1997. Vol. 293. Iss. 1-2. P. 206-211. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(96)08948-1
32. Characterization of silicon-stabilized amorphous hydrogenated carbon / W. C. Vassell, A. K. Gangopadhyay, T. J. Potter et al. // J. Mater. Eng. Perform. 1997. Vol. 6. Iss. 4. P. 426-432. https://doi.org/10.1007/s11665-997-0112-2
33. UV studies of tetrahedral bonding in diamond-like amorphous carbon / V. I. Merkulov, J. S. Lannin, C. H. Munro et al. // Phys. Rev. Lett. 1997. Vol. 78. Iss. 25. P. 4869-4872. https://doi.org/10.1103/ PhysRevLett.78.4869
34. Diamond semiconductor technology for RF device applications / Y. Gurbur, O. Esame, I. Tekin et al. // Solid-State Electronics. 2005. Vol. 49. Iss. 7. P. 1055-1070. https://doi.org/10.1016/j.sse.2005.04.005
35. Влияние переходных металлов на диэлектрические свойства алмазоподобных кремний-углеродных пленок / А. И. Попов, А. Д. Баринов, В. М. Емец и др. // Физика твердого тела. 2021. Т. 63. № 11. С. 1844-1851. https://doi.org/10.21883/FTT.2021.11.51586.132
Обзор поступил в редакцию 12.09.2022 г.; одобрен после рецензирования 26.09.2022 г.;
принят к публикации 29.11.2022 г.
Информация об авторах
Дмитриев Виталий Константинович - кандидат технических наук, инженер научно-исследовательской лаборатории функциональной электроники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), 29dmv37@mail.ru
Ильичёв Эдуард Анатольевич - доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой физики и наноэлектроники, начальник научно-исследовательской лаборатории функциональной электроники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), edil44@mail.ru
Кирпиленко Григорий Григорьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры телекоммуникационных систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), ggkirpilenko @yandex.ru
Петрухин Георгий Николаевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории функциональной электроники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), gpetruhin@mail.ru
Рычков Геннадий Сергеевич - доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории функциональной электроники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), mstlena2@mail.ru
Фролов Вадим Дмитриевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук (Россия, 119991 ГСП-1, г. Москва, ул. Вавилова, 38), frolov@ran.gpi.ru
References
1. Ueda K., Kasu M., Yamauchi Y., Makimoto T., Schwitters M., Twitchen D. J., Scarsbrook G. A., Coe S. E. Diamond FET using high-quality polycrystalline diamond with fT of 45 GHz and fmax of 120 GHz. IEEE Electron Device Letters, 2006, vol. 27, iss. 7, pp. 570-572. https://doi.org/10.1109/LED.2006.876325
2. Jensen K. L., Yater J. E., Shaw J. L., Myers R. E., Pate B. B., Butler J. E., Feygelson T. Bunch characteristics of an electron beam generated by a diamond secondary emitter amplifier. Journal of Applied Physics, 2010, vol. 108, iss. 4, art. ID: 044509. https://doi.org/10.1063/1.3462437
3. Il'ichev E. A., Kuleshov A. E., Poltoratskii E. A., Rychkov G. S. Electron multiplier concentrator on the base of polycrystalline diamond film. Diamond & Related Materials, 2011, vol. 20, iss. 1, pp. 23-25. https://doi.org/10.1016/j .diamond.2010.11.002
4. Bespalov V. A., Il'ichev E. A., Kazakov I. P., Kirpilenko G. G., Kozlitin A. I., Minakov P. V., Saraikin V. V., Klekovkin A. V., Kuklev S. V., Petrukhin G. N. et al. Image converter tubes with diamond photocathodes and electron flow multipliers. Diamond & Related Materials, 2021, vol. 120, art. no. 108603. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2021.108603
5. Bespalov V. A., Il'ichev E. A., Kazakov I. P., Kirpilenko G. A., Kozlitin A. I., Minakov P. V., Saraikin V. A., Klekovkin A. V., Kuklev S. V., Petrukhin G. N. et al. Characteristics of solar-blind electron-optical converters with diamond photocathodes. Tech. Phys. Lett., 2021, vol. 47, iss. 6, pp. 432-435. https://doi.org/10.1134/S1063785021050047
6. Bespalov V. A., Glazov V. M., Il'ichev E. A., Klimov Yu. A., Kuklev S. V., Kuleshov A. E., Nabiev R. M., Petrukhin G. N., Potapov B. G., Rychkov G. S. et al. Design and investigation of UV image detectors. Tech. Phys., 2015, vol. 60, iss. 4, pp. 553-560. https://doi.org/10.1134/S1063784215040076
7. Lin Y.-M., Dimitrakopoulos C., Jenkins K. A., Farmer D. B., Chiu H.-Y., Grill A., Avouris Ph. 100-GHz transistors from wafer-scale epitaxial graphene. Science, 2010, vol. 327, iss. 5966, p. 662. https://doi.org/ 10.1126/science. 1184289
8. Gavrilov S. A., Il'ichev É. A., Kozlitin A. I., Poltoratskii É. A., Rychkov G. S., Dzbanovskii N. N., Dvorkin V. V., Suetin N. V. Lateral emitter as a base element of integrated emission electronics. Tech. Phys. Lett., 2004, vol. 30, iss. 6, pp. 466-468. https://doi.org/10.1134/1.1773337
9. Zavedeev E. V., Zilova O. S., Shupegin M. L., Barinov A. D., Arutyunyan N. R., Roch T., Pimenov S. M. Effects of UV laser micropatterning on frictional performance of diamond-like nanocomposite films. Appl. Phys. A, 2016, vol. 122, iss. 11, art. no. 961. https://doi.org/10.1007/s00339-016-0508-7
10. Il'ichev E. A., Kuleshov A. E., Migunov D. M., Nabiev R. M., Petrukhin G. N., Rychkov G. S., Teverovskaya E. G., Khaustov V. O. Studying the transparency of graphene for low-energy electrons. Tech. Phys. Lett., 2018, vol. 44, pp. 848-851. https://doi.org/10.1134/S1063785018090201
11. Dorfman V. F. Preface. Diamond and diamond-like carbon coatings 1990, proc. of the 1st European conf. (Crans-Montana, Switzerland, Sept. 17-19, 1990). Amsterdam, Elsevier Science, 1991, p. 806.
12. Dorfman V. F. Diamond-like nanocomposites (DLN). Thin Solid Films, 1992, vol. 212, pp. 267-273. https://doi.org/10.1016/0040-6090(92)90532-G
13. Dorfman V. F., Bozhko A., Pypkin B. N., Borra R. T., Srivatsa A. R., Zhang H., Skotheim T. A., Khan I., Rodichev D., Kirpilenko G. Diamond-like nanocomposites: electronic transport mechanisms and some applications. Thin Solid Films, 1992, vol. 212, pp. 274-281. https://doi.org/10.1016/0040-6090(92)90533-H
14. Popov A. I., Barinov A. D., Emets V. M., Chukanova T. S., Shupegin M. L. Control of properties of diamond-like silicon-carbon films. Phys. Solid State, 2020, vol. 62, iss. 10, pp. 1780-1786. https://doi.org/10.1134/S1063783420100261
15. Kirpilenko G., Dmitriev V., Skotheim T., 0hlckers P., Kunsch J. Nanoamorphe Kohlenstoffschichten für Infrarotstrahler. Photonik, 2008, vol. 6, ss. 35-37.
16. Dmitriev V. K., Inkin V. N., Kirpilenko G. G., Potapov B. G., Ilyichev E. A., Shelukhin E. Y. Thermostable resistors based on diamond-like carbon films deposited by CVD method. Diamond & Related Materials, 2001, vol. 10, pp. 1007-1010. https://doi.org/10.1016/S0925-9635(00)00612-9
17. Belogorokhov A. I., Dodonov A. M., Malinkovich M. D., Parkhomenko Y. N., Smirnov A. P., Shupegin M. L. Studying of molecular structure of matrix of diamond-like silicon-carbon nanocomposites. Izv. vuzov. Materialy elektronnoi tekhniki = Materials of Electronics Engineering, 2007, no. 1, pp. 69-71. (In Russian).
18. Vlasenko V. A., Belyaev S. N., Efimov A. G., Il'ichev E. A., Malenkovich M. D., Nemirovskii V. E., Poltoratskii E. A., Goryachev A. V. et al. Microelectromechanical switches based on amorphous diamond-like carbon films. Pis 'ma v ZhTF = JTP Letters, 2009, vol. 35, no. 15, pp. 105-110. (In Russian).
19. Vlasenko V. A., Efimov A. G., Il'ichev E. A., Nemirovskii V. E., Poltoratskii E. A., Gorjachev A. V., Popkov A. F., Frolova G. V., Shupegin M. L. MEMS commutators for -F devices. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika = Nano- and microsystem technology, 2009, no. 10 (111), pp. 30-34. (In Russian).
20. Vlasenko V. A., Efimov A. G., Ilyichev E. A., Poltoratsky E. A. Prospects for the use of microelectromechanical systems in microwave modules. Voprosy radioelektroniki = Questions of Radio Electronics, 2009, vol. 3, no. 1, pp. 137-143. (In Russian).
21. Il'ichev E. A., Kirilenko E. P., Petrukhin G. N., Rychkov G. S., Sakharov O. A., Khamdokhov E. Z., Chernyavskaya E. S., Shupegin M. L., Shchekin A. A. Peculiarities of graphene layer formation from amorphous carbon and silicon-carbon films. Tech. Phys. Lett., 2014, vol. 40, iss. 1, pp. 52-54. https://doi.org/10.1134/S1063785014010234
22. Il'ichev E. A., Kirilenko E. P., Petrukhin G. N., Rychkov G. S., Sakharov O. A., Khamdokhov Z. M., Khamdokhov E. Z., Chernyavskaya E. S., Shupegin M. L., Shchekin A. A. Method for the formation of graphene films. Tech. Phys., 2014, vol. 59, iss. 7, pp. 1007-1011. https://doi.org/10.1134/S1063784214070135
23. Shivaraman Sh., Barton R. A., Yu X., Alden J., Herman L., Chandrashekhar MVS, Park J., McEuen P. L., Parpia J. M. et al. Free-standing epitaxial graphene. Nano Lett., 2009, vol. 9, iss. 9, pp. 31003105. https://doi.org/10.1021/nl900479g
24. Bespalov V. A., Il'ichev E. A., Kuklev S. V., Kuleshov A. E., Nabiev R. M., Patyukov N. N., Petrukhin G. N., Rychkov G. S. et al. Development and investigation of a field emission medium for autocathodes of mobile power microwave devices. Techn. Phys., 2018, vol. 63, iss. 3, pp. 443-451. https://doi.org/10.1134/S1063784218030027
25. Bespalov V. A., Ilichev E. A., Rychkov G. S., Petrukhin G. N., Kuklev S. V., Kuleshov A. E., Sokolov D. S., Sokolova N. V., Yakushov S. S. Auto-emission super-frequency diode and method of its manufacture. Patent 2629013 RF, publ. 24.08.2017, Bul. no. 24. 9 p. (In Russian).
26. Belyaev S. N., Kirpilenko G. G., Kirilenko E. P., Goryachev A. V., Il'ichev E. A., Rychkov G. S., Petrukhin G. N., Migunova E. S., Shelyukhin E. Yu., Dronova D. A. Evolution of properties in composite carbon films under thermal conditions and in the presence of a catalyst. J. Surf. Investig., 2016, vol. 10, iss. 4, pp. 753757. https://doi.org/10.1134/S1027451016040042
27. Kirpilenko G. G., Frolov V. D., Zavedeev E. V., Pimenov S. M., Konov V. I., Shelukhin E. Y., Loubnin E. N. Synthesis, characterization and nanostructuring of (a-C:H):Si and (a-C:H):Si:metal films. Diamond & Related Materials, 2006, vol. 15, pp. 1147-1150. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2005.10.026
28. Frolov V. D., Pimenov S. M., Zavedeev E. V., Konov V. I., Lubnin E. N., Kirpilenko G. G. New type of regular carbon nanostructures: Nanocones on the surfaces of carbon-silicon (a-C:H) composite films. J. Surf. Investig., 2007, vol. 1, iss. 3, pp. 303-305. https://doi.org/10.1134/S1027451007030135
29. Frolov V. D., Zavedeev E. V., Pimenov S. M., Konov V. I., Loubnin E. N., Kirpilenko G. G. Nanocones on (a-C:H):Si composite films: Thermal stability, growth dynamics and electrical properties. Diamond & Related Materials, 2007, vol. 16, iss. 4-7, pp. 1218-1221. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2006.11.013
30. Frolov V. D., Gerasimenko V. A., Kononenko V. V., Pimenov S. M., Khomich A. V., Kovalev V. I., Kirpilenko G. G., Shelukhin E. Yu. Optical properties of nanostructured a-C:H:Si films. Nanotechnol. Russia, 2009, vol. 4, iss. 5-6, pp. 366-372. https://doi.org/10.1134/S1995078009050152
31. Baia Neto A. L., Santos R. A., Freire Jr. F. L., Camargo Jr. S. S., Carius R., Finger F., Beyer W. Relation between mechanical and structural properties of silicon-incorporated hard a-C:H Films. Thin Solid Films, 1997, vol. 293, iss. 1-2, pp. 206-211. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(96)08948-1
32. Vassell W. C., Gangopadhyay A. K., Potter T. J., Tamor M. A., Rokosz M. J. Characterization of silicon-stabilized amorphous hydrogenated carbon. J. Mater. Eng. Perform., 1997, vol. 6, iss. 4, pp. 426-432. https://doi.org/10.1007/s11665-997-0112-2
33. Merkulov V. I., Lannin J. S., Munro C. H., Asher S. A., Veerasamy V. S., Milne W. I. UV studies of tetrahedral bonding in diamond-like amorphous carbon. Phys. Rev. Lett., 1997, vol. 78, iss. 25, pp. 4869-4872. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.4869
34. Gurbur Y., Esame O., Tekin I., Kang W. P., Davidson J. L. Diamond semiconductor technology for RF device applications. Solid-State Electronics, 2005, vol. 49, iss. 7, pp. 1055-1070. https://doi.org/10.1016Zj.sse.2005.04.005
35. Popov A. I., Barinov A. D., Yemets V. M., Castro R. A., Kolobov A. V., Kononov A. A., Ovcharov A. V., Chukanova T. S. Effect of transition metals on the dielectric properties of diamond-like siliconcarbon films. Fizika tverdogo tela = Physics of the Solid State, 2021, vol. 63, no. 11, pp. 1844-1851. (In Russian). https://doi.org/10.21883/FTT.2021.11.51586.132
The review was submitted 12.09.2022; approved after reviewing 26.09.2022;
accepted for publication 29.11.2022.
Information about the authors
Vitaley K. Dmitriev - Cand. Sci. (Eng.), Engineer of the Research Laboratory of Functional Electronics, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), 29dmv37@mail.ru
Eduard A. Il'ichev - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof. of the Quantum Physics and Nanoelectronics Department, Head of the Research Laboratory of Functional Electronics, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), edil44@mail.ru
Grigoriy G. Kirpilenko - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Telecommunication Systems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), ggkirpilenko@yandex.ru
Georgiy N. Petrukhin - Cand. Sci. (Eng.), Senior Scientific Researcher of the Research Laboratory of Functional Electronics, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), gpetruhin@mail.ru
Gennadiy S. Rychkov - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Senior Scientific Researcher of the Research Laboratory of Functional Electronics, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), mstlena2@mail.ru
Vadim D. Frolov - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Scientific Researcher, A.M. Prokho-rov Institute of General Physics of the Russian Academy of Sciences (Russia, 119991, GSP-1, Moscow, Vavilov st., 38), frolov@ran.gpi.ru
Вниманию читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Подписку на электронную версию журнала можно оформить на сайтах:
• Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru
• ООО «Агентство «Книга-Сервис»: www.rucont.ru;www.akc.ru;
www.pressa-rf.ru
• ООО «Урал-Пресс Округ»: www.delpress.ru
• ООО «ИВИС»: www.ivis.ru
