Алмаз в электронике: патентный анализ
Высокая теплопроводность алмаза обусловлена исключительно сильной межатомной связью, массой углерода и простой структурой его кристаллической решетки со слабым ангармонизмом. В теплопроводности алмаза при комнатной температуре в отличие от многих других материалов важную роль играют нормальные трехфононные процессы и рассеяние фононов на дефектах решетки (точечных и протяженных). Теплопроводность алмаза при комнатной температуре выше, чем у любого другого объемного материала (однако, у двумерного графена она выше, чем у алмаза). Для наиболее совершенных природных кристаллов алмаза теплопроводность достигает 2400 Вт/м·К. Это свойство обеспечивает алмазу место теплоотводящих подложек в многослойных интегральных микросхемах.
Об этом и не только в нашем материале.
Оптические свойства
Алмаз прозрачен в видимом диапазоне и в области дальнего ИК. У алмаза один из самых больших коэффициентов преломления в УФ части спектра с n = 2,60 на 266 нм с уменьшением до n = 2,46 на 405 нм. Благодаря кубической симметрии решетки, это фактически оптически изотропный материал: коэффициент отражения зависит от поляризации света. Это свойство используется в различных оптикоэлектронных устройствах.
Электронные свойства
Алмаз является широкозонным полупроводником с запрещенной зоной около 5,45 эВ. Подвижность электронов и дырок — 2200 и 1600 см2/В с, соответственно. Потенциал алмаза как материала для формирования приборов активной электроники до сих пор использован недостаточно.
Это обусловлено, в первую очередь, сложностью его легирования, в особенности примесями n-типа. Единственная надежная легирующая примесь — бор — образует глубокий акцепторный уровень с энергией активации Еа = 0,37 эВ. Донорный уровень азота — 1,7 эВ — еще более глубокий и не может быть активирован при комнатной температуре. Легирование донорной примесью (фосфором) с энергией активации Еа = 0,6 эВ все еще находится на уровне экспериментальных исследований и не получило еще широкого распространения при создании реальных приборов.
Пока алмаз находит ограниченное применение в электронике, в основном в экспериментальных и мало серийных устройствам. Укажем на некоторые:
Биполярные транзисторы и диоды Шоттки с рабочей температурой до 700ºС;
Точечно-контактные транзисторы с рабочей температурой 510ºС;
Полевые транзисторы;
Оптоэлектронные коммутаторы (алмаз имеет существенные преимущества перед Si и GaAs, поскольку обладает большей стойкостью к электрическому напряжению и импульсному току; такие устройства позволяют с помощью лазерных импульсов с весьма малой энергией коммутировать мощные импульсные схемы с быстродействием не хуже 1 нс, что недостижимо ни для какого другого способа коммутации);
Разного рода теплоотводы (за счет рекордной теплопроводности) для полупроводниковых приборов — лавинно-пролетных, лазерных и диодов Гана;
CVD алмаз уникальный компонент и защитный материал для многих оптических применений, например, линзы и окна для лазерного излучения, рентгеновские окна, а также выходные окна гиротронов (70 ≤ ν ≤ 200 ГГц) мощностью более мегаватта;
Стойкость к большим экспозициям радиации и потокам высокоэнергетичных частиц делают алмаз перспективным материалом для использования в космической и ядерной промышленности. Создана широкая гамма дискретных приборов: терморезисторы, болометры, детекторы и дозиметры ионизирующих излучений и т.п;
Оптические резонаторы на алмазных мембранах, включающие наноотверстия диаметром 100–200 нм, рассматриваются как элементная база для квантовых вычислений;
Синтетический алмаз, содержащий оптически активные дефекты (центры окраски), является перспективным материалом для использования в качестве источника одиночных фотонов в квантово-информационных технологиях, а также в качестве люминесцентных маркеров в биомедицинских технологиях.
На портале Google.Patents по разделу МПК H01L (полупроводниковые приборы) числилось на март 2025 года на слово diamond более 54000 документов. Правда, небольшая часть патентов не относится к нашей теме, касается алмазных абразивов, алмазных пил, алмазоподобных форм кристаллов и т.д. Динамика публикации патентов по дате заявки на изобретения представлена на рис. 1.
Рисунок 1: Динамика мирового патентования изобретений на тему «алмаз в электронике»
Видно, что последние 20 лет изобретательство в этой области идет ровным напором, примерно по 2 000 патентов в год.
Лидерами в патентовании являются:
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. — 9,7%;
Sumitomo Electric Industries, Ltd. — 2,1%;
International Business Machines Corporation — 2%;
Monolithic 3D Inc. — 1,3%;
Samsung Electronics Co., Ltd. — 1,3%.
Примеры патентов TSMC:
US9508858B2 Contacts for highly scaled transistors;
US9660033B1 Multi-gate device and method of fabrication thereof;
US11380653B2 Die stack structure and manufacturing method thereof.
Как видите, среди зарубежных патентообладателей сплошь известные всем бренды.
В базе ФИПС на слово «алмаз» числится 1071 патент на изобретение РФ, по разделу H01L (полупроводниковые приборы) 64 ед., из которых 34 действующие. Рейтинг патентообладателей следующий:
10 ед. у АО «Научно-Производственное Предприятие «Исток имени А.И. Шокина»: 2 399 693 (изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к металлизационным покрытиям алмаза). Например, №2436189 (металлизированная пластина алмаза для изделий электронной техники) и №2489532 (получение пластин поликристаллического и монокристаллического алмаза).
У АО «Научно-производственное предприятие «Пульсар» 9 патентов. Среди них: №2507634 (полупроводниковый прибор включает утоненную подложку из монокристаллического кремния р-типа проводимости, ориентированного по плоскости (111), с выполненным на ней буферным слоем из AlN, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза) и №2518498 (СВЧ-транзистор содержит базовую подложку из кремния и теплопроводящий поликристаллический слой алмаза).
2 патента у Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН: №2635612 (получения монолитных соединений стержней из поликристаллических алмазов, предназначенных для использования в производстве приборов электроники, оптики, СВЧ-техники, в частности для изготовления диэлектрических опор в лампах бегущей волны); №2539903 (для алмазных пластин высокого структурного совершенства, используемых в производстве рентгеновских монохроматоров, приборов электроники, оптики).
2 ед. у ООО «Индустриальные Углеродные Технологии» (Троицк): №2816671 (алмазный диод Шоттки), №2817525 (подложку светоизлучающего PIN-диода изготавливают из алмазного кристалла, легированного бором, или азотом, или фосфором).
2 ед. у Научно-производственное предприятие «Пульсар»: №2368031 (способ изготовления полупроводникового прибора на базовой подложке поликристаллического алмаза), №2517788 (биполярный транзистор СВЧ на основе гетероэпитаксиальных структур включает последовательно размещенные на подложке из монокристаллического кремния р-типа проводимости буферный слой из поликристаллического алмаза).
По одному патенты у следующих организаций:
Минпромторг России (ЦНИИ КМ «Прометей»), Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», АО «Эпиэл» (Москва), АО «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова», ООО «ТВИНН» (Москва), АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений, Институт прикладной физики РАН, Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ).
Редкие патенты иностранцев представлены японскими СИН-ЭЦУ КЕМИКАЛ КО., ЛТД. и КУСИК ИНК.
Действующих патентов РФ на полезные модели 7 штук. Примеры:
АО «Научно-производственное предприятие «Пульсар»: №215 217 (теплоотвод на основе поликристаллического CVD алмаза);
Институт физики твердого тела РАН №174 676 (Теплопроводящая прокладка для охлаждения изделий электроники из слоя карбонизованного поливинилацетата исходных дисперсных алмазов);
МИРЭА-Российский технологический университет: №216011 и №216911 (алмазный транзистор), №227 820 (алмазный меза-транзистор).
Топологий интегральных схем нет.
НИОКТР
Домен «Наука и инновации» даёт на алмаз в электронике 137 документов — отчёты по НИР, диссертации, результаты интеллектуальной деятельности. Нас привлекли сведения о начинаемых и проводимых в настоящее время научно-исследовательских работах как возможных основах будущих патентов.
Санкт-петербургский государственный электротехнический университет ЛЭТИ за грант в 16 млн рублей от Минобрнауки РФ взялся в 2024 г. за исследование фундаментальных электрофизических свойств полупроводникового монокристаллического алмаза как основы приборов наноэлектроники и фотоники. Целью является получение фундаментальных знаний о поведении примесей, в частности бора и центров окраски, в полупроводниковом монокристаллическом алмазе в широком диапазоне легирования для выработки конкретных рекомендаций по применению этого материала в современной микро-, наноэлектронике и фотонике.
Исследования возможностей методов термохимической обработки поверхности монокристаллических и поликристаллических пластин алмаза для обеспечения создания прецизионных планарных структур СВЧ-техники и твердотельной электроники осуществляет МИРЭА-Российский технологический университет при финансировании в 33 млн рублей от АО «Научно-Производственное Предприятие «Исток имени А.И. Шокина». Объектом исследования являются методы прецизионной обработки монокристаллических и поликристаллических пластин алмаза для обеспечения создания планарных структур СВЧ-техники и твердотельной электроники. Цели исследования — обеспечение создание технологии термохимической обработки поверхности моно- и поликристаллических пластин алмаза, аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, выбор и обоснование направления исследований, исследования и определение требований к комплексу технологических режимов с целью обеспечения создания диодных структур на алмазе с барьером Шоттки и создания макетов алмазных мозаичных структур и крупноформатных алмазных подложек
Заключение
Гражданскому айтишнику услышать про алмаз в электронике — это экзотика типа столкновения галактик или личное приглашение Маска вместе полететь на Марс. Но экзотика-экзотикой, а патенты и разработки есть. И, как видите, их много.
Ситуация в изобретательстве сравнительно хорошая. Патентов РФ много. Но зарубежных еще больше. Данное направление довольно перспективно, ожидается рост патентной активности в ближайшие годы во всех странах, где есть хоть какое-то производство данной продукции.
Бесплатный поиск, мониторинг и регистрация товарных знаков и других объектов интеллектуальной собственности.
Поиск по программам для ЭВМ
Регистрация программы для ЭВМ
