Проводник электрического тока Российский патент 2017 года по МПК H01L29/16 

Настоящее изобретение относится к токопроводящему каналу, проводящему элементу, электронному компоненту и электронным устройствам.

Заявителем отмечено, что низкоэнергетическая ионная имплантация алмаза с использованием кислородной плазмы может обеспечить высокую плотность центров-доноров электронов, расположенных в непосредственной близости под поверхностью алмаза, так что из данного алмаза можно извлекать электроны посредством электрического поля, образованного между поверхностью алмаза и анодом (РСТ/IB02/03482). На фиг. 1 схематически изображено экспериментальное устройство. Заявителем установлено, что при значениях напряжения выше критического в угольном стержне, соединяющем поверхность алмаза с анодом, возникает электрический ток, который протекает через электрический контур. Не ограничиваясь теорией, заявитель полагает, что когда электроны экстрагируют из поверхности алмаза перпендикулярно, по поверхности формируется дипольный слой, состоящий из положительно заряженных доноров, расположенных непосредственно под поверхностью, и внешних электронов, имеющих сильные связи с поверхностью посредством указанных положительных зарядов. За счет приложения напряжения посредством анода ширина дипольного слоя возрастает до тех пор, пока внешние электроны с сильными атомными связями не войдут в контакт с анодом. В результате происходит освобождение сильно связанных внешних электронов, образующих отрицательный слой диполя. Таким образом, перпендикулярно поверхности алмаза через внешние связанные электроны от алмаза к аноду может протекать электронный ток.

Не ограничиваясь теорией, но основываясь на физических моделях полупроводниковых электронных переходов, заявитель полагает, что вдоль стержня отсутствует электрическое поле, даже если от алмаза к аноду по указанному стержню пропускают электрический ток. Поскольку такое поведение соответствует явлению сверхпроводимости, открытому в 1911 году Камерлинг-Оннесом, очевидно, что стержень представляет собой сверхпроводящую фазу.

В настоящее время область возможных применений в электронике образованного таким способом фазового состояния ограничена. Было бы предпочтительным создать, например, на электронной микросхеме низкоомные области продольного потока. Поэтому цель изобретения заключается в создании низкоомного токопроводящего канала, в котором внешние электроны могут свободно перемещаться вдоль поверхности подложки, такой как подложка из алмаза, легированного кислородом. В идеале данные области должны быть сверхпроводящими, но даже если их сопротивление будет намного ниже сопротивления применяемых в настоящее время материалов соединительных элементов, создание указанных областей существенно повлияет на быстродействие и размер электронных микросхем, включающих указанную легированную подложку.

Из научной литературы об алмазах хорошо известно, что низкоэнергетическая обработка алмазной подложки ионами кислорода полностью подавляет продольную проводимость вдоль поверхности указанного алмаза. Продольная проводимость наблюдается лишь при использовании водорода, но возникает только под поверхностью алмаза. Фактически, если такой обработанный водородом алмаз впоследствии подвергнуть обработке ионами кислорода, даже такой вид проводимости подавляется и таким образом исчезает. После этого поверхность становится изолирующей в продольном направлении.

Итак, заявителем установлено, что вопреки тому, что отмечено в научной литературе, увеличивая до очень высоких значений плотность имплантированных ионов кислорода (под поверхностью и вблизи поверхности) в процессе указанной последней обработки, выполняемой путем отжига алмаза для того, чтобы его поверхность не приобрела свойства графита, в конечном итоге возникает продольная проводимость. Таким образом понятно, что при указанных плотностях ионов обработка кислородной плазмой уже не приводит к подавлению продольной проводимости, а по существу вызывает возникновение проводимости. Последующие эксперименты показали, что данная продольная проводимость возникает на поверхности и с наружной стороны алмаза. Это означает, что некоторые электроны, связанные с поверхностью (тем самым образуя по поверхности дипольный слой), становятся свободными для переноса тока поперек поверхности и наружу алмаза. Это создает снаружи поверхности проводящую фазу со свободными электронами, имеющую очень низкое сопротивление и, следовательно, очень низкое удельное сопротивление. Данная фаза может быть использована при конструировании и изготовлении новых электронных устройств. Удельное сопротивление указанных фаз гораздо меньше по сравнению с удельным сопротивлением известных металлов и материалов, обычно применяемых при изготовлении соединений электронных микросхем.

В дальнейшем было установлено, что указанный тип проводимости также может быть получен при использовании ионов азота и даже ионов водорода при условии, что в последнем случае приповерхностная зона алмаза сначала была подвергнута низкоэнергетической имплантации ионами углерода для получения высокой плотности вакансий решетки. Любые другие ионы (и даже электроны) тоже могут быть использованы для вышеуказанной цели при условии, что слой с вакансиями образуется в непосредственной близости под поверхностью. После дальнейшей обработки водородной плазмой полученная проводимость больше не является приповерхностной, а в данном случае возникает в том числе и посредством свободных электронов, которые могут перемещаться в продольном направлении снаружи алмаза. По-видимому, наличие приповерхностных вакансий может быть критическим для образования на поверхности внешней продольной проводимости.

Таким образом, согласно первому аспекту изобретения предложен токопроводящий канал, по меньшей мере часть которого образована телом из материала подложки, по меньшей мере часть которой представляет собой легированный участок, в поверхность или под поверхность которого имплантированы атомы, при этом по меньшей мере часть поверхности образует низкоомную зону токопроводящего канала.

Согласно другому аспекту изобретения предложен продольный токопроводящий канал, состоящий из электронных зарядов, которые являются внешними относительно поверхности материала подложки n-типа и в отличие от расположенных на поверхности обычных электронов внешних орбиталей могут свободно перемещаться под влиянием электрического поля, приложенного вдоль поверхности материала подложки, при этом указанные заряды образованы точечными дефектами с донорными свойствами, расположенными внутри подложки с высокой плотностью, в поверхности подложки и в непосредственной близости к поверхности.

Токопроводящий канал может являться частью электрической цепи, которая может включать источник напряжения. Тело из материала подложки может составлять часть электронного компонента, а цепь и электронный компонент могут являться частью электронного устройства.

Электронный компонент может быть соединен с каналом посредством соединительных элементов. Значение удельного сопротивления низкоомной зоны токопроводящего канала может быть меньше значения, равного примерно 2×10^-8 Ом⋅м и, наиболее вероятно, будет меньше примерно 5×10^-13 Ом⋅м.

Материал подложки может быть выбран из материалов, которые имеют низкое сродство к электрону, например из таких материалов, как алмаз, материалы на основе углерода типа графена или материалов с преобладанием графена, полимеры, боразон, нитрид алюминия, нитрид галлия, β-корунд и тому подобные материалы. Материалы на основе углерода являются предпочтительными, поскольку они имеют более короткую длину связей между атомами, что предполагает более высокие концентрации легирующей примеси и плотности вакансий.

Имплантируемые атомы могут быть выбраны из следующих атомов: кислород, водород, литий, азот, фтор, хлор, сера, фосфор, мышьяк и т.п.

Соединительные элементы могут быть выполнены из золота, но предпочтительным будет материал с еще более низкими работами выхода электрона из материала.

Глубина имплантации по меньшей мере некоторых имплантированных атомов может составлять примерно от 0,1 до 5000 вниз от поверхности подложки. Плотность имплантированных атомов может составлять примерно от 10¹⁷ см^-3 до 10²³ см^-3.

Согласно другому аспекту изобретения предложен проводящий элемент, который включает удлиненную подложку, продольная поверхность которой образует токопроводящий канал, проходящий вдоль длины указанной подложки, причем по меньшей мере часть поверхности представляет собой легированный участок.

Согласно другому аспекту изобретения предложен проводящий элемент, который окружает отверстие, образуя вокруг указанного отверстия токопроводящий канал.

Итак, согласно изобретению предложен проводящий элемент, в подложке которого выполнен проход, вокруг которого проходит токопроводящий канал. В данном варианте выполнения, если по токопроводящему каналу пропускают постоянный ток, в проходе или отверстии образуется магнитный поток. При выключении источника питания, подающего ток в токопроводящий канал, магнитный поток остается запертым в проходе или отверстии. Это указывает на то, что носители заряда, перемещающиеся по каналу, встречают ничтожно малое сопротивление.

Было установлено, что при соединении канала с внешним резистором и амперметром посредством контактов кольцо работает как небольшая электрическая батарея, действуя как источник питания до тех пор, пока запасенное магнитное поле не станет равным нулю и снова не зарядится.

Согласно другому аспекту изобретения предложено электронное устройство, которое включает токопроводящий канал, по меньшей мере часть которого образована телом материала подложки, по меньшей мере часть которой представляет собой легированный участок, в поверхность или под поверхность которого имплантированы атомы, при этом по меньшей мере часть поверхности образует низкоомную зону токопроводящего канала.

При проведении серии экспериментов два покрытых золотом контакта были приведены в контакт с поверхностью алмазной подложки, которая была подвергнута плазменному легированию атомами кислорода. Было измерено сопротивление между контактами вдоль поверхности алмаза. Поскольку алмаз подвергали последовательным плазменным обработкам для измерения сопротивления как функции плотности ионов, данные измерения требовали механического прижатия двух контактов к поверхности алмаза. Это приводит к невоспроизводимости результатов измерений. Однако последний указанный процесс позволил измерить сопротивление как функцию ионной дозы. Для того чтобы минимизировать невоспроизводимость результатов, в итоге было изготовлено измерительное устройство, схематически изображенное на фиг. 2. В данном случае поверхность обработанного алмаза опускали на две позолоченные стеклянные пластинки при использовании микрометра, выполненного с пружинной нагрузкой. Расстояние L между контактами можно было изменять, поэтому сопротивление могло быть измерено как функция расстояния L.

Пример изменения сопротивления в зависимости от дозы имплантируемых ионов кислорода изображен на фиг. 3. Все указанные измерения были выполнены для одного и того же расстояния L между контактами. Сначала невозможно было провести измерения, как и следовало ожидать для плазменной обработки ионами кислорода, о чем сообщалось в научных источниках. Но после поддержания дозы ионов появилась проводимость, поддающаяся измерению. По мере дальнейшего увеличения дозы ионов сопротивление уменьшается, а затем достигает насыщения при среднем значении, составляющем примерно 200 кОм. Это означает, что плотность доноров в максимальной близости к поверхности не может повышаться до бесконечности и достигает максимального значения насыщения. Данный результат неизменно получали при выполнении нескольких экспериментов с алмазами, а расхождения результатов во всех случаях можно было отнести исключительно на счет невоспроизводимости результатов измерений сопротивления контактов.

При увеличении расстояния между контактами сопротивление не изменялось в пределах погрешности эксперимента. Это указывает на то, что измеренное сопротивление было в основном обусловлено сопротивлениями контактов и что алмазная подложка имела почти нулевое удельное сопротивление. На фиг. 4 электрический ток представлен как функция расстояния L между контактами при одинаковом значении напряжения и для шести разных значений расстояния L. Для всех указанных экспериментов точки на графике, соответствующие полученным значениям, вполне вписываются в пределы обычного разброса, указывая на то, что значение тока одинаково для любого расстояния L.

Не ограничиваясь теорией, заявитель полагает, что если доноры, расположенные вблизи поверхности, испускают достаточное количество электронов для того, чтобы часть из них смогла скапливаться на поверхности в виде свободных электронов, которые затем смогут обеспечить перенос тока в продольном направлении при низком удельном сопротивлении, то как только контакты будут прижаты к поверхности, они столкнутся с указанными электронами. Таким образом, те электроны, которые до прижатия контактов к поверхности находились в зоне указанных контактов и вокруг данной зоны, при указанных условиях будут перетекать в металлические контакты. В свою очередь это приведет к образованию диполя по границе раздела алмаз-металл и каждый металлический контакт станет отрицательно заряженным. В последствии данный контакт будет отталкивать окружающие его свободные электроны (если они присутствуют на поверхности). Данная ситуация схематически изображена на фиг. 5, на которой представлены зазоры длиной ΔL, образованные около контактов и отличающиеся высоким сопротивлением. Кружками схематически изображены свободные электроны.

В ходе проведения ряда экспериментов с использованием разных алмазов были получены одинаковые результаты в пределах погрешности эксперимента. При использовании удлиненного алмаза Ib типа было измерено напряжение между двумя точками на большом расстоянии от двух контактов, но напряжение было столь низким, что невозможно было провести измерения с достоверными результатами. Это означает, что удельное сопротивление между контактами было гораздо ниже сопротивления контактов. И если также не ограничиваться теоретическими основами, данные результаты говорят о том, что ток передается свободными электронами по поверхности, но это не имеет окончательного подтверждения, поскольку ток может передаваться и под поверхностью.

Тем не менее, приведенный ниже анализ полностью подтверждает наличие проводимости по поверхности и снаружи поверхности.

Если предположить, что для расстояния L сопротивление материала между контактами равно R_p, а каждый контакт имеет сопротивление R_c, то полное сопротивление R_Ω составляет:

Полагая, что алмаз имеет ширину w, поверхностное удельное сопротивление слоя можно записать как R_AS, где:

Допуская наличие проводимости по поверхности и снаружи поверхности, нужно вычесть сопротивление, обусловленное промежутками ΔL, изображенными на фиг. 5, так что фактическое поверхностное удельное сопротивление R_s слоя электронной фазы в промежутке L между контактами будет равно:

Таким образом, уравнение (2) может быть записано как:

Для очень больших значений L полагают, что R_AS->R_S. Однако, если фаза внешних электронов имеет нулевое удельное сопротивление, то R_s будет пренебрежимо малым для любого значения L≥2 ΔL вплоть до бесконечности. Тогда второй член уравнения будет полностью определять поверхностное удельное сопротивление R_AS слоя. При экстраполяции для значений L, стремящихся к бесконечности, R_AS должно уменьшаться до нуля обратно пропорционально L. Тогда график R_AS как функция обратной длины 1/L должен представлять собой линейную зависимость с углом наклона, равным (2wR_c), при этом R_AS на графике стремится к нулю при 1/L, стремящемся к нулю.

На фиг. 6 поверхностное удельное сопротивление R_AS изображено как обратная функция расстояния L для отдельной серии измерений на одном из алмазов. В нижнем окне графика показан результат измерения для очень малого значения L. Была выполнена линейная аппроксимация методом наименьших квадратов с использованием всех точек. Результатом является непрерывная линия и значение R_S, равное -28 Ом (смотри верхнее окно на фиг. 6). Кроме того, поскольку на наименьшее расстояние могут влиять зазубрины по краям стеклянных пластинок, аппроксимация методом наименьших квадратов была выполнена без учета данной точки. Результатом является прерывистая линия, изображенная на фиг. 7, которая указывает на еще более низкое поверхностное удельное сопротивление слоя при L^-1=0. Поверхностное удельное сопротивление слоя никогда не может быть отрицательным, так что данные результаты соответствуют очень низкому удельному сопротивлению и убедительно указывают на нулевое удельное сопротивление. Если исходить не из постоянного значения сопротивления контактов, а сделать допущение, что значения сопротивления к тому же уменьшаются при увеличении площади контакта, как должно быть при возникновении проводимости под поверхностью, поверхностное удельное сопротивление слоя экстраполируется до еще более отрицательных значений для «бесконечно большого» L. Это дополнительно подтверждает то, что под поверхностью не наблюдается возникновение проводимости.

Все дальнейшие измерения с использованием большего числа точек соответствуют выводам о том, что поверхностное удельное сопротивление слоя стремится, если не в точности, то приблизительно, к нулю, когда значение L становится бесконечно большим.

Далее приведено описание изобретения, выполненного в качестве примера и со ссылкой на приведенные ниже примеры и фигуры чертежей, на которых:

на фиг. 1 представлено схематическое изображение экспериментальной установки, описанной в документе PCT/IB02/03482 и обеспечивающей выход электронов из высоколегированного алмаза n-типа в вакуум;

на фиг. 2 схематически изображено экспериментальное устройство, применяемое для размещения имплантированной поверхности алмаза на двух контактах, при этом величину изменения расстояния L между контактами можно регулировать. Рычаг, обеспечивающий размещение алмаза, подпружинен и выполнен с микропереключателем, который размыкается, как только пружина достигает определенной степени сжатия;

на фиг. 3 представлен типовой график (неоптимальный), на котором изображено изменение сопротивления как функции дозы имплантируемых ионов кислорода;

на фиг. 4 представлен увеличенный график, изображающий ток как функцию расстояния L между двумя контактами при одинаковом значении напряжения и для шести разных значений расстояния L между указанными контактами, расположенными на поверхности алмаза, легированного атомами кислорода;

на фиг. 5 схематически изображен процесс приобретения отрицательного заряда золотыми контактами и образование вокруг указанных контактов зон высокого сопротивления, имеющих длину ΔL, приводя к тому, что при протекании тока по поверхности и снаружи поверхности от одного контакта к другому основной вклад в результаты измерения сопротивления вносят контакты;

на фиг. 6 изображен график поверхностного удельного сопротивления как обратной функции расстояния L между контактами; аппроксимирующая кривая, построенная методом наименьших квадратов по точкам замеров, стремится к отрицательному удельному сопротивлению для L^-1=0 (то есть для L, равного бесконечности);

на фиг. 7 изображен график измеренного тока, протекающего через легированный алмаз Ib типа как функции вертикального расстояния d контактов от поверхности; показаны значения для минимального и максимального расстояния между контактами;

на фиг. 8 представлено схематическое изображение проводящего устройства, имеющего канал для свободных электронов, покрытый металлической золотой фольгой, образованный на алмазной подложке посредством имплантации ионов кислорода; при этом удельное сопротивление ниже по сравнению с удельным сопротивлением металлического слоя, не имеющего канала для электронов, и фактически слишком низкое, чтобы быть измеренным;

на фиг. 9 представлено схематическое изображение проводящего устройства, в котором между двумя алмазными слоями расположены носители заряда, причем электроны образуются снаружи поверхности каждого из слоев после выполнения плазменной обработки, способствующей образованию электронов между поверхностями;

на фиг. 10 изображено круглое кольцо из алмаза, выполненное с пазом, прорезанным от отверстия кольца к его наружной поверхности. После обработки кислородной плазмой может быть обеспечена передача электрического тока вокруг кольца от одного контакта к другому для образования магнитного потока через кольцо. После стабилизации электрического тока и магнитного потока был использован другой обработанный алмаз, служащий в качестве шунта, обеспечивающего короткое замыкание кольца через паз;

на фиг. 11 представлено транзисторное устройство, в котором для регулирования и переключения электрического тока, протекающего через устройство, используют металлический затвор. В отличие от других транзисторов сопротивление затвора пренебрежимо мало.

На фиг. 1 числовой позицией 10 схематически обозначена экспериментальная установка известного уровня техники согласно документу PCT/IB02/03482, обеспечивающая выход электронов из высоколегированного алмаза, имеющего n-тип проводимости. Установка включает анод 12 и алмаз 14 n-типа, которые связаны соединительным элементом 16, включающим амперметр 18 и вольтметр 20. Стрелкой 22 указано смещение анода, измеряемое микрометром (не показан).

На фиг. 2 числовой позицией 30 обозначено экспериментальное устройство, применяемое для опускания имплантированной поверхности алмаза на два контакта, при этом величину расстояния L между указанными контактами можно регулировать. Экспериментальное устройство включает алмазную подложку 32, стеклянные пластины 34, 36, золотой контакт 38 мишени и золотой контакт 40 инжектора. Зазор d (мкм) обозначен стрелкой 42. Расстояние, регулируемое микрометром, обозначено стрелкой 44.

Как видно из фиг. 5, числовой позицией 50 обозначена конфигурация, иллюстрирующая процесс приобретения отрицательного заряда золотыми контактами и образование вокруг указанных контактов зон высокого сопротивления, имеющих длину ΔL. На диаграмме числовой позицией 52 обозначена алмазная подложка, стрелкой 54 указана длина L, числовой позицией 56 обозначен контакт инжектора, а числовой позицией 58 обозначен контакт мишени. Числовой позицией 60 обозначена длина ΔL, а числовой позицией 65 схематически указано сопротивление R_c контакта. Числовой позицией 62 схематически обозначены внешние орбитали, а числовой позицией 64 обозначены имплантированные ионы.

На фиг. 8 числовой позицией 70 обозначено проводящее устройство, имеющее канал свободных электронов, покрытый металлической золотой фольгой и образованный на алмазной подложке посредством имплантации ионов кислорода. Устройство включает алмазную подложку 72, металлический слой 74 и сверхпроводящий канал 76.

Как видно из фиг. 9, числовой позицией 80 обозначено проводящее устройство, в котором между двумя алмазными слоями расположены носители заряда, причем с наружной стороны поверхности каждого из указанных слоев после плазменной обработки образуются электроны. Устройство 80 включает алмазные подложки 82 и 84, а также контакты 86 и 88. Носители заряда схематически изображены кружками 90.

На фиг. 10 числовой позицией 100 обозначен алмаз 102, имеющий форму круглого кольца, в виде сверху. Алмаз 102 имеет сквозное отверстие 104 диаметром 4 мм и паз 106, проходящий от отверстия 104 к наружной поверхности указанного алмаза 102. Смежно с пазом 106 расположены входной и выходной контакты 108 и 110, при этом от контакта 108 к контакту 110 проходит круговой токопроводящий канал 112, возникший в результате обработки кислородной плазмой. После пропускания тока по каналу 112 применяют другой обработанный алмаз (изображенный внизу чертежа под числовой позицией 114 в виде сбоку), служащий в качестве шунта, обеспечивающего короткое замыкание кольца через паз 106. Диаметр алмаза, обозначенный стрелкой 116, составляет 11 мм.

Как видно из фиг. 11, транзисторное устройство 120 включает алмазную подложку 122, контакты 124 и 126 и металлический затвор 128, который предназначен для переключения тока, протекающего через устройство. И в этом случае носители заряда схематически изображены кружками 130.

ПРИМЕР 1

Для образования свободных электронов снаружи поверхности алмаза, так чтобы вдоль поверхности возникал перенос заряда в продольном направлении, поверхность природного алмаза типа Па (алмаз высокой чистоты), площадь поверхности которого составляет 3,6×3,6 мм², была очищена путем кипячения в растворе соляной, хлорной и серной кислот, а затем промыта в дистиллированной воде. Очищенный кристалл был нагрет и легирован ионами кислорода в процессе ионной имплантации с использованием устройства плазменной имплантации. К алмазу было подано напряжение смещения величиной 150 В для образования имплантируемых атомов вблизи поверхности и были выполнены несколько процессов имплантации. Каждая имплантация была проведена за короткий период времени, составляющий примерно 60 сек. Каждая имплантация была выполнена после того, как стол, на котором был установлен алмаз, был нагрет до температуры 400°С. После каждого этапа имплантации алмаз был охлажден до комнатной температуры и извлечен из вакуумной системы. Далее было измерено электрическое сопротивление между двумя позолоченными металлическими контактами, отстоящими друг от друга на расстояние L, при этом измерение выполняли путем придавливания контактов к легированной поверхности алмаза и записывая значения электрического тока как функции приложенного напряжения. Результаты представлены на фиг. 3.

По мере увеличения дозы имплантируемых ионов (изображенной как время имплантации по оси Х на фиг. 3) была достигнута инкубационная доза ионов, выше которой проводимость поддавалась измерению. При увеличении дозы ионов сопротивление падало, а при дальнейшем повышении дозы достигало одинакового значения насыщения в пределах погрешности эксперимента.

Данный процесс был повторен с использованием разных алмазов. Несмотря на то что был отмечен разброс значений измеренного сопротивления, сопротивление, измеренное для каждого случая, имело одинаковое значение в пределах погрешности эксперимента, когда применяли ионы, обладающие одинаковой энергией.

ПРИМЕР 2

Был повторен процесс, описанный для примера 1, но расстояние L между контактами было изменено. И вновь, когда применяли ионы, обладающие одинаковой энергией, сопротивление в каждом случае имело такое же значение, что и в примере 1, в пределах погрешности эксперимента.

ПРИМЕР 3

В отличие от процесса, описанного для примера 1, был использован сравнительно длинный алмаз. Два контакта смещали друг от друга на разные расстояния L, составляющие от 0,01 мм до 3,1 мм. Экспериментальная установка схематически изображена на фиг. 2. Были измерены значения сопротивления для разных расстояний L между контактами, а результаты представлены на фиг. 4. Как можно заметить из фиг. 4, для расстояния L, составляющего от 0,01 мм до 3,1 мм, среднее значение электрического тока немного превышало 0,35 мА. Значение тока при L=0,01 мм было ниже, чем при L=3,1 мм, несмотря на то, что последнее расстояние было в 310 раз больше. Это означает, что в пределах ошибки эксперимента значение тока было одинаковым для всех значений L.

ПРИМЕР 4

Был повторен процесс, описанный для примера 3, но при этом использовали сравнительно длинный искусственный алмаз Ib типа. При смещении алмаза вертикально относительно контактов проводили замеры общего сопротивления как функции перемещения микрометра. Точность составляла ±0,2 мкм. Особое внимание было обращено на то, чтобы обеспечить параллельность поверхности алмаза и поверхностей контактов. На фиг. 7 изображен график электрического тока, измеренного между контактами как функции вертикального смещения микрометра, для минимального и максимального расстояния L между контактами, равного 0,01 и 3,1 мм соответственно.

Начиная от положения, при котором действует микропереключатель, и до смещения микрометра, составляющего 22,5 мкм, алмаз все еще находился в соприкосновении с контактами, несмотря на уменьшение силы прижима. Вертикальная черта на фиг. 7 обозначает расстояние, при котором алмаз отъединяется от контактов. В данной точке вертикальное расстояние d между поверхностью алмаза и поверхностями контакта равно нулю. В обоих случаях ток протекает, если расстояние d зазора больше нуля. Это указывает на то, что между поверхностью алмаза и контактами существует фаза свободных электронов.

Для расстояния L между контактами, равного 0,01 мм, ток стабилизируется при значении, составляющем примерно 0,15 мА. При данном значении ток может быть измерен вплоть до значения d, примерно равного 82,5 мкм. При большом зазоре L между контактами, равном 3,1 мм, ток начинает стабилизироваться, но спадает до нуля при расстоянии d, равном примерно 10 мкм. В последнем случае контакты закрывали гораздо меньшую площадь поверхности алмаза, чем в случае очень маленького значения L.

ПРИМЕР 5

Для создания устройства, в котором отсутствует промежуток L, то есть для образования фазы между алмазом и слоем единственного металлического контакта, расположенным поверх слоя внешних электронов, внутри алмаза был образован канал, полученный в результате проведения серии высокоэнергетических имплантаций ионами углерода до увеличения дозы имплантации до очень высоких значений с последующим отжигом и вытравливанием графитизированного материала в растворе соляной, серной и хлорной кислот. Установлено, что глубина d канала составляла примерно 1 мкм или более. Затем дну канала придавали n-тип проводимости путем имплантации внутрь канала соответствующих мелких доноров кислорода при достижении очень высокой дозы имплантации. Поверх канала была расположена золотая фольга, которую закрепляли по месту при помощи адгезива, нанесенного по краям. Устройство схематически изображено на фиг. 8. Расстояние между основанием канала и поверхностью металла в разных вариантах выполнения составляло примерно от 3-5 до 100 мкм. Было измерено сопротивление внутри канала и проведено сравнение с сопротивлением внутри канала подобного устройства, при выполнении которого был исключен этап ионной имплантации. Установлено, что для устройства, в котором была выполнена имплантация, сопротивление гораздо ниже и по существу равняется нулю в пределах погрешности измерительного оборудования.

ПРИМЕР 6

Две обработанные алмазные подложки с одинаковой площадью поверхности были обработаны и использованы для образования слоистой конструкции путем расположения их проводящих поверхностей на расстоянии от металлических контактов, как изображено на фиг. 9. При этом между алмазными поверхностями может быть образован внутренний канал с низким сопротивлением. Используя указанные алмазные слои, каждый из которых обработан с обеих сторон, и устанавливая их друг на друга, можно обеспечить образование низкорезистивного элемента, имеющего большую площадь поперечного сечения.

ПРИМЕР 7

В данном примере алмазная подложка была подвергнута механической машиной обработке для образования кольца с пазом, проходящим от отверстия к наружной поверхности кольца, как изображено на фиг. 10. Затем кольцо было подвергнуто обработке для приобретения кольцом проводящих свойств, так что вокруг отверстия можно пропускать электрический ток, протекающий между двумя контактами, расположенными на противоположных сторонах паза.

Прямоугольник, изображенный пунктиром на виде сверху, представляет собой алмазный блок, который тоже был выполнен проводящим. Таким образом, при опускании данного блока на алмазное кольцо его можно использовать для шунтирования щели, расположенной между двумя контактами, так что электроны, находящиеся в нижней части алмазного блока, входят в контакт с электронами, расположенными на поверхности кольца.

Сначала шунт оставался над кольцом (смотри вид сбоку), не входя в соприкосновение с кольцом. Затем вокруг кольца пропускали постоянный электрический ток, проходящий от одного контакта к другому для образования магнитного потока через отверстие, окруженное кольцом. После этого в результате опускания алмазного блока был установлена шунт. Было установлено, что при отключении источника питания, который обеспечивает подачу тока вокруг кольца, магнитный поток остается запертым в отверстии кольца. Это подтверждает, что носители заряда, перемещающиеся вокруг кольца, встречают пренебрежимо малое сопротивление.

Было установлено, что при соединении контактов с внешним резистором и амперметром кольцо работало как источник питания до тех пор, пока сохраняемое магнитное поле не становилось равным нулю. Таким образом, после зарядки кольцо работает как небольшая батарея.

ПРИМЕР 8

В данном примере была использована длинная алмазная подложка, имеющая прямоугольную поверхность. После обработки алмаза до проводящего состояния, связанного с наличием электронов на поверхности, над данной поверхностью помещали небольшой металлический электрод затвора, как изображено на фиг. 11.

Посредством приложения отрицательного заряда к данному затвору электроны, расположенные под ним, могут отталкиваться обратно в поверхность алмаза, так что протекание электрического тока прекращается. Таким образом, устройство работает как транзисторный переключатель. Кроме того, было установлено, что постоянный ток можно модулировать путем изменения напряжения, приложенного к электроду затвора, поэтому устройство работает и как аналоговый транзистор. Данный транзистор имеет, если не фактически нулевое, то почти нулевое удельное сопротивление под электродом затвора. Поскольку именно это сопротивление влияет на ограничение скоростей срабатывания внутри микросхем процессора, такой миниатюризованный транзистор с внешними электронами может обеспечить изготовление более быстродействующих микросхем процессора по сравнению с используемыми в настоящее время.

Все результаты измерений показали, что проводимость возникает в результате наличия свободных носителей заряда снаружи поверхности алмаза и, следовательно, электрическое сопротивление пренебрежимо мало.

Согласно изобретению предложены электрические цепи и электронные устройства, которые содержат токопроводящий канал, по меньшей мере часть которого образована телом из материала подложки, по меньшей мере часть которой представляет собой легированный участок, на поверхность или под поверхность которого имплантированы атомы, при этом по меньшей мере часть поверхности образует низкоомную зону токопроводящего канала. При этом подложка представляет собой алмаз и с наружной стороны поверхности алмаза возникает поперечная проводимость. Изобретение позволяет получить низкоомный токопроводящий канал, в котором внешние электроны могут свободно перемещаться вдоль поверхности подложки, такой как подложка из алмаза, легированного кислородом. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил., 8 пр.

1. Токопроводящий канал, состоящий из носителей заряда, образованных свободными электронными зарядами, которые расположены снаружи поверхности материала подложки n-типа и которые в отличие от электронов внешних орбиталей, расположенных на поверхности, могут свободно перемещаться под влиянием электрического поля, приложенного с помощью контактов вдоль поверхности материала подложки, при этом заряды образованы точечными дефектами с донорными свойствами, расположенными внутри подложки с высокой плотностью, на поверхности подложки и в непосредственной близости к ее поверхности.

2. Токопроводящий канал по п. 1, по меньшей мере часть которого образована телом из материала подложки, по меньшей мере часть которого представляет собой легированный участок, на поверхность или под поверхность которого имплантированы атомы, при этом по меньшей мере часть поверхности образует низкоомную зону токопроводящего канала, по меньшей мере часть которого проходит вдоль по меньшей мере части поверхности, причем материал подложки имеет низкое сродство к электрону и выбран из группы материалов, включающей алмаз, графен, материалы с преобладанием графена, полимеры, боразон, нитрид алюминия, нитрид галлия и β-корунд, при этом с наружной стороны поверхности материала подложки возникает продольная проводимость.

3. Токопроводящий канал по п. 1, который является частью электрической цепи.

4. Токопроводящий канал по п. 2, который является частью электрической цепи и в котором тело из материала подложки является частью электронного компонента, а цепь и электронный компонент являются частями электронного устройства.

5. Токопроводящий канал по п. 4, в котором остальная часть электронного компонента соединена с каналом посредством соединительных элементов.

6. Токопроводящий канал по п. 2, в котором имплантируемые атомы выбраны из следующих атомов: кислорода, водорода, лития, азота, фтора, хлора, серы, фосфора, мышьяка и их комбинаций.

7. Токопроводящий канал по п. 2, в котором по меньшей мере некоторые имплантированные атомы расположены на глубине примерно от 0,1 до 5000 под поверхностью подложки.

8. Токопроводящий канал по п. 2, в котором плотность имплантированных атомов составляет примерно от 10¹⁷ см^-3 до 10²³ см^-3.

9. Проводящий элемент, содержащий токопроводящий канал по п. 1.

10. Проводящий элемент по п. 9, в подложке которого выполнен сквозной проход, вокруг которого расположен указанный токопроводящий канал.

11. Цепь, которая содержит проводящий элемент по п. 9.

12. Электронное устройство, которое содержит токопроводящий канал по п. 1.