Название:	Радиационная стойкость карбида кремния и приборы на его основе для экстремальной электроники
Грантодатель:	Гранты РНФ
Область знаний:	02 - Физика и науки о космосе
Научная дисциплина:	02-202 - Полупроводники
Ключевые слова:	SiC, радиационная стойкость, радиационные дефекты, отжиг радиационных дефектов, детекторы ионизирующих излучений
Тип:	исследовательский
Руководитель(и):	Лебедев,АА
Подразделения:	лаб. физики полупроводниковых приборов (Лебедева,АА)
Код проекта:	16-12-10106; 19-12-13022
Финансирование 2016 г.:	5 550 000
Финансирование 2017 г.:	6 000 000
Финансирование 2018 г.:	5 000 000
Финансирование 2019 г.:	6 000 000
Финансирование 2020 г.:	6 000 000
Исполнители:	Козловский,ВВ: лаб. микроволновой спектроскопии кристаллов (Баранова,ПГ) Калинина,ЕВ: лаб. физики полупроводниковых приборов (Лебедева,АА) Левинштейн,МЕ: лаб. физики полупроводниковых приборов (Лебедева,АА) Стрельчук,АМ: лаб. физики полупроводниковых приборов (Лебедева,АА) Лебедев,СП: лаб. физики полупроводниковых приборов (Лебедева,АА) Амельчук,ДГ: лаб. физики полупроводниковых приборов (Лебедева,АА) Давыдовская,КС: лаб. физики полупроводниковых приборов (Лебедева,АА) Шахов,ЛВ: лаб. физики полупроводниковых приборов (Лебедева,АА) Елисеев,ИА: лаб. спектроскопии твердого тела (Старухина,АН) Григорьева,МВ: детский оздоровительный лагерь (детский оздоровительный лагерь)

Современное развитие атомной промышленности, ядерной энергетики, военной и аэрокосмической техники остро нуждается в разработках электроники нового поколения, способной работать при повышенных уровнях радиации, высоких температурах и в химически активных средах. Проблема создания таких приборов весьма актуальна для обеспечения безопасности работы стратегически значимых систем – атомных станций и космических аппаратов, при утилизации ядерных отходов, помехоустойчивой локации, дистанционного зондирования Земли, контроля добычи и использования природных ресурсов. Важность и актуальность проекта отражены в Указе Президента РФ №899 от 07.07.2011 г., где к приоритетным направлениям отнесены ядерная безопасность, создание перспективных видов вооружений, военной и специальной техники, разработки в космических технологиях. Также эти направления внесены в перечень критических технологий РФ. Кроме того, важность и актуальность проекта отражена в Целевой Федеральной программе “Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники” на период 2008-2015 г.г., в соответствии с которой создание радиационно-стойкой электронной компонентной базы отнесено к одной из основных задач при разработках, производстве и применении в стратегически значимых системах. Именно дефицит радиационно-стойкой электронной компонентной базы на космической станции “ Фобос-Грунт” явилось причиной ее аварии, по мнению Межведомственной комиссии и Роскосмоса. Наиболее вероятной причиной аварии названо разрушительное локальное воздействие на электронную аппаратуру высокоэнергетичных (Мегаэлектронвольт) тяжелых заряженных частиц космического пространства. Приборы с указанной совокупностью свойств до настоящего времени не выпускаются в мире и не могут быть реализованы с использованием традиционных полупроводниковых материалов (Ge, Si, CdTe, GaAs). Одним из наиболее перспективных широкозонных полупроводников является SiC, имеющий высокую электрическую и механическую прочность, а также высокие температурную, химическую и радиационную стойкость. В последние годы достигнут значительный прогресс в выращивании чистых эпитаксиальных слоев SiC с низкими значениями концентраций глубоких уровней и относительно высокими значениями диффузионных длин носителей заряда. Успехи в получении таких эпитаксиальных слоев SiC большой площади (более 50 мм в диаметре) и различной толщины позволяют развивать промышленное производство нового поколения высокоэффективных приборов на их основе, надежно работающих в жестких радиационных условиях. В настоящее время в мире выпускается широкий спектр приборов на основе SiC для работы в обычных температурных и радиационных полях – диоды, диоды Шоттки, полевые транзисторы, детекторы ультрафиолетового излучения. Однако благодаря уникальному набору электрофизических свойств, SiC рассматривается и как перспективный материал для изготовления приборов, способных работать в экстремальных условиях – при высоких температурах до 900оС и повышенном уровне радиации, а также в химически активных средах. Широкий спектр применения приборов на основе SiC требует более детального изучения влияния различных типов излучения на процессы радиационного дефектообразования с целью моделирования и оценок поведения материала в экстремальных условиях. Одним из основных направлений проекта является решение фундаментальной проблемы дефектообразования в многокомпонентных полупроводниках с использованием метода облучения различными частицами высоких энергий. Задача выяснения природы, структуры и эволюции радиационно индуцированных дефектов в SiC, образующихся в результате облучения высокоэнергетичными (выше 1 МэВ) электронами, протонами, нейтронами, легкими и тяжелыми ионами с последующим отжигом, является основным направлением в рамках указанной проблемы. Особый интерес представляет изучение дефектообразования при облучении SiC тяжелыми ионами, т.е. атомами с массой больше 80 и энергиями выше 100 МэВ в условиях высокого уровня ионизационных потерь и темпа генерации радиационных дефектов. В этом случае процессы дефектообразования моделируют структурные нарушения, создаваемые осколками деления ядер, и дают информацию о радиационной стойкости материала. Разработка фундаментальных аспектов радиационного дефектообразования при облучении SiC высокоэнергетичными тяжелыми частицами проводится коллективом проекта впервые в мире и находится на начальной стадии. Новым подходом в решении задачи радиационного дефектообразования является предположение, что природа центров, ответственных за рекомбинационные свойства SiC, не зависит от источника образования этих дефектов. При этом комплексность в использовании различных как радиационных воздействий на SiC в широком интервале их масс, энергий, флюенсов, температур облучения и отжигов, так и измерительных методик также характеризует новый подход. Исходные, облученные и отожженные образцы будут детально исследованы на каждом этапе работ с привлечением широкого спектра разноплановых исследовательских методик, включающих структурные, оптические и электрические измерения. Результатом проведенных научных разработок по радиационному дефектообразованию в SiC планируется создание высокотемпературных (до 500оС) радиационно-стойких диодов, детекторов ультрафиолетового (200-400 нм) и ядерных излучений. Для продолжения своего развития современная цивилизация нуждается во все большем потреблении энергии. В соответствии с наиболее надежными экспертными оценками в ближайшем будущем основными источниками энергии будут атомная энергетика и солнечное излучение, преобразованное с помощью наземных и орбитальных конверторов. Повышение надежности работы атомных электростанций, уже проектируемых термоядерных энергетических установок и устройств космической техники требует использования радиационно-стойкой электроники. Под радиационной стойкостью понимается способность полупроводниковых материалов и приборов сохранять исходные свойства и/или менять их в допустимых пределах при облучении различными типами излучений: протонами, электронами, нейтронами, alpha- и gamma -частицами. К радиационно-стойким материалам относятся полупроводники с большой энергией связи – алмаз, нитрид бора, GaN, SiC. Достигнутые в последние 20 лет успехи в развитии технологии, позволили получать на основе SiC приборы, реализовавшие предсказывавшиеся ранее прогнозы относительно потенциальных возможностях материала в области коммутируемой плотности мощности и высоких рабочих температур. В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем становится проверка соответствия радиационной стойкости SiC и приборов на его основе существующим теоретическим ожиданиям. В ходе выполнения предыдущего проекта РНФ 16-12-10106 был выполнен большой объём работ по исследованию радиационной стойкости SiC. Разработана и изготовлена мишень циклотрона для проведения облучения протонами при температурах до 500 С, что позволило впервые исследовать одновременное воздействие на SiC приборы облучения и повышенных температур. Разработана технология формирования структур 4H-SiC солнечно-слепых УФ фотоприёмников с прозрачными хромовыми (Cr) барьерами Шоттки в спектральном диапазоне 40-400 нм с квантовой эффективностью до 60%.. Отработана технология корпусирования Cr/4H-SiC детекторов различной площади, а также структур с ионно-легированными (ИЛ) p+-n переходами. Проведено исследование радиационной стойкости SiC диодов Шоттки, JBS-диодов и p-n структур. Показано, что радиационная стойкость диодов Шоттки на основе 4Н-SiC по отношению к протонному и электронному облучениям приблизительно в 200 раз превышает стойкость кремневых p–i– n-диодов с таким же напряжением пробоя. Исследование природы радиационной стойкости и путей ее повышения настоятельно требуют продолжения начатых исследований. Кроме того, в ходе выполненных исследований были обнаружены новые результаты, которые требуют дополнительного изучения. Поиск широкозонных радиационно стойких полупроводников, которые могли бы заменить кремний для создания различных типовых силовых приборов, проводились достаточно давно. Достигнутый в последние годы успех в технологии GaN и твёрдых растворов на его основе позволяет по новому взглянуть на эту проблему. Хотя GaN уступает SiC в теплопроводности и структурном совершенстве эпитаксиальных слоёв, рост GaN происходит при меньших температурах, с использованием более дешёвых материалов и на различных подложках. Таким образом, GaN диоды Шоттки (ДШ) могут конкурировать с аналогичными приборами на основе SiC в диапазоне напряжений до 1000 В. Поэтому представляется актуальным провести сравнительные исследования радиационной стойкости эпитаксиальных слоев GaN и диодов Шоттки на их основе, как при комнатной температуре, так и при температурах облучения до 500 С.