светодиоды на кремнии - Фонд поддержки науки и образования
advertisement
СВЕТОДИОДЫ НА КРЕМНИИ КЛАСТЕР КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Обзор на основе собственных экспериментальных работ «Фонда поддержки науки и образования» Нанотехнология, подразумевающая возможность манипуляции отдельными молекулами и атомами вещества. Композитные материалы используются в различных направления в том числе и в области электроники, производстве транзисторов, светодиодов, строительных и других материалов. Представьте себе полупроводниковую кремниевую пластину, на которой верхний рабочий слой покрыт сеткой из трещин, подобно тому, как картины старых мастеров со временем покрываются кракелюрами. Только в нашем, полупроводниковом случае, шаг трещин гораздо меньше. Площадь каждого целого кусочка между трещинами не превышает тысячных долей квадратного миллиметра. Понятно, что зажечь такой диод, можно только прикоснувшись к нему тонкими иголками-электродами. Не о каком промышленном производстве речь пока не идёт. Нам же удалось получить гладкую светодиодную структуру на кремнии без трещин. Это уже готовый полуфабрикат для промышленного производства светодиодов. А как же делают светодиоды сегодня и почему все так хотят сделать их на кремнии? Основным материалом для изготовления полупроводниковых приборов является кремний. Прекрасные физические свойства, высочайшее качество, получаемых монокристаллов кремния, большие размеры пластин и низкая цена сделали кремний наиболее привлекательным материалом для изготовления полупроводниковых приборов на протяжении середины и конца прошлого века. Однако современные приборы требуют качественно иных полупроводниковых свойств. Прежде всего, необходимы материалы с большой шириной энергетической зоны, так называемые широкозонные полупроводники. Более того, необходимы полупроводники, подвижность носителей заряда которых была бы выше, чем у кремния. Такими полупроводниковыми материалам являются: карбид кремния, нитрид алюминия, нитрид галлия, оксид цинка, нитрид бора и некоторые другие материалы. Нитрид алюминия является одним из самых широкозонных полупроводников, известных в природе. Кроме того, он обладает прекрасными электрофизическими, термохимическими и механическими свойствами. Кристаллическая решетка нитрида алюминия близка к кристаллическим решеткам других тугоплавких широкозонных полупроводников. Это дает возможность сочетать нитрид алюминия с другими широкозонными полупроводниками при формировании сложных многослойных структур и использовать его в качестве буферного слоя при росте таких полупроводников. . На существующих в мире производствах первичный слой нитрида алюминия создается на пластинах из искусственного сапфира. К достоинствам подложек из сапфира относится наличие их массового производства. К недостаткам: - Даже при массовости производства цена выше, чем цена на кремний. - - Сапфир является диэлектриком, поэтому контакты можно подводить только со стороны рабочей поверхности, что уменьшает ее площадь, а значит и цену конечных устройств. Сапфир плохо отводит тепло, поэтому возникают трудности при использовании мощных устройств – сложно отводить тепло. Сапфир невозможно отделить от рабочей структуры, полученной на его поверхности ни химически, ни механически, что усугубляет указанные выше недостатки. Ряда перечисленных недостатков лишены подложки из монокристаллического карбида кремния, но они очень дороги, такая пластина диаметром три дюйма может стоить от двух до десяти тысяч долларов США в зависимости от качества кристалла. Кроме того такое производство в настоящее время имеется только в США и Китае и относится к категории стратегических. Поэтому приобрести на рынке пластин из США практически невозможно, изделия из Китая более низкого качества, и в последнее время наметилась тенденция к закрытию и этого рынка. Современные приборы, как правило, представляют собой сложные многослойные структуры, которые не всегда можно построить на пластинах кремния. В частности, слой нитрида алюминия не удается вырастить на кремневой подложке из-за существенной разницы в структуре кристаллической решетки. Основой светодиода служит многослойная полупроводниковая структура, построенная на первичном слое нитрида алюминия Замена сапфира на карбид кремния на кремнии приводит к снижению цены светодиода как за счет разницы в стоимости пластины сапфира и пластины кремния вместе с работами по изготовлению нанослоя карбида кремния, так и за счет более эффективного использования площади пластины. ФОТО светодиода на наших подложках с выращенным слоем нитрида галлия Первый светодиод, изготовленный на кремнии с буферным слоем наноструктурированного карбида кремния. Свет пробивается через слой золотоникелевого припоя. Сходные проблемы возникают при создании высокочастотных транзисторов, область применения которых распространяется на широкий спектр устройств связи и радиолокации в диапазоне частот от 1 ГГц и выше. Такие транзисторы необходимы для создания средств связи на основе широкополосных шумоподобных сигналов. Использование этих сигналов существенно повышает надежность, помехозащищенность и скрытность передачи информации. В больших количествах высокочастотные транзисторы используются и при создании современных радиолокационных комплексов, в частности, на фазированных антенных решетках для истребителей пятого поколения. Вследствие требования компактности таких систем и их высокой энерговооруженности на единицу объема, возникает проблема отвода большого количества тепла. Здесь проявляется еще один важный недостаток подложек из сапфира – их очень низкая теплопроводность, что значительно усложняет производство. Требуется дополнительная операция по механическому утончению сапфира, что значительно увеличивает стоимость конечного продукта, как за счет сложности самой операции, так и за счет уменьшения количества выхода годных. В военной и космической области для увеличения надежности и устойчивости к внешним воздействиям могут применяться также в качестве подложек пластины из монокристаллического карбида кремния, которые обладают необходимыми электрофизическими свойствами. Эти пластины в десятки раз дороже сапфировых и, кроме того, по сути, единственным производителем в мире таких пластин надлежащего качества является американская фирма «CREE Inc.». В последние годы фирма прекратила поставки материала на мировой рынок из-за его стратегической значимости и трудностей в наращивании объемов производства. В 1998-2014 годах нами, группой наших научно производственных предприятий – ООО «Новые кремневые технологии», НК0 « Фонд поддержки науки и образования.» был разработан метод и создано опытное производство, позволяющее выращивать на стандартных пластинах кристаллического кремния слой карбида кремния толщиной от десятой доли до нескольких десятков микрон. Такая подложка может стать основой для многослойной структуры светодиода, так как на неё известными методами ложится качественный слой нитрида алюминия. При использовании полученного нами полуполярного нитрида галлия может быть достигнута светимость до 400 Лм/вт. Цена пластины кристаллического кремния с тонким слоем (нанослоем) карбида кремния, пригодным для создания полупроводниковой структуры светодиода, до десяти раз дешевле пластины из сапфира и до нескольких сотен раз дешевле пластин из монокристаллического карбида кремния. При этом свойства многослойной полупроводниковой структуры, полученной на кремнии, не уступают по электрофизическим характеристикам, надежности и способности работать в особых условиях структурам на пластинах из кристаллического карбида кремния. С точки зрения нашей технологии производства нового материала: монокристаллического карбида кремния на кремнии ( SiC на Si ) Группой наших научно производственных предприятий – ООО «Новые кремневые технологии», НКП « Фонд поддержки науки и образования.» , на основе собственной технологии , был создан новый материал: пластина монокристаллического карбида кремния на кремнии для последующего роста на них нитридных структур для нужд электроники, оптики, энергетики и др. транзистор Вплоть до 1998 года, когда появился первый транзистор наномасштаба, практические возможности применения нанотехнологий в академических кругах считались фантастикой. Затем, буквально в течение двух-трех лет в качестве возможных сроков появления первых прикладных нанопроектов уже назывались ближайшие 15—30 лет. Данный материал обладает рядом уникальных свойств, способных существенно удешевить (без потери качества) производство в частности светодиодов. Светодиоды, представленные сегодня на рынке, массово производятся на основе следующих подложек (пластин): Подложки на традиционном сапфире (Al2O3) , кремнии (Si) карбиде кремния (SiC). В последнее время активно ведутся работы по созданию пластин из галлия Ga (но это очень дорогой сегодня продукт и в единичных экземплярах используется в ВПК и космической промышленности). В качестве светодиодной структуры на такой подложке выращивают: слои нитрида галлия (GaN), нитрида алюминия ( Al GaN) . На сапфировых подложках светодиодные структуры, как правило, это арсенид галлия (GaAs). Кремневая Подложка Si Достоинства. Производство подложек Si хорошо отлажено. Сегодня выращивают подложки диаметром от 1Дм до 12Дм, и вроде, даже больше. Они хорошего электронного качества, дешевы. Они легко стравливаются, галлиевой (GaAs) электроникой и т.д. стыкуются с арсенид Недостатки . Для выращивания хорошей пленки ( напр. GaN) на такой подложке нужно, чтобы параметры решеток пленки и подложи отличались бы не более чем на 4%. В противном случае, хорошей полупроводниковой структуры не получиться. Большая разница в параметрах решеток подложек приводит к возникновению больших механических напряжений что ведет к зарождению в слое GaNдефектов роста, дислокаций трещин, двойников и т.п. В пленке образуется сетка трещин, своеобразная патина приводящая к резкому снижению полупроводниковых характеристик. Большинство современных разработчиков пытаются решить эту проблему путем чередования слоев, например, слоев нитридов алюминия и галлия. Поэтому сразу на подложке Siпленку никто не растит!!! Кроме того, Ga(не GaN), образующийся в процессе роста может вступать в химическую реакцию с чистым Si. То есть : вырастить AlN или GaN на Siхорошего качества невозможно по физическим причинам! Поэтому необходимо специальным образом подготовить подложку Si к росту AlN и GaN. Каждый подготавливает своим методом. Фирмы Aixtron AZZURRO, да впрочем и все другие, создают специальное чередование от 8 до 12 переходных слоев из твердых растворов AlGaN. Это очень дорого, не технологично. Некоторые исследователи делают попытки вырастить слой SiC стандартной методикой CVDна Si. Однако, стандартная методика приводит к возникновению больших механических напряжений. Пленка SiCвместе с подложкой искривляется и приобретает форму параболоида вращения даже на подложках размером 3Дм. Эти структуры совершенно непригодны для коммерческого использования, поскольку при такой форме не возможно вырастить хороший слой GaN. Это принципиальное ограничение метода. Кроме того, карбид кремния на подложках Si, выращенных стандартными методами является кубическим политипом 3C-SiC.Его симметрия отличается от гексагональной симметрии пленок AlNи GaN. В результате пленки AlNи GaN вырастают дефектными. Наше решение Наш способ состоит в создании подложки карбида кремния на кремнии для последующего роста на ней нитридных пленок. Метод отличается от всех других методов. Мы выращиваем пленку не сверху, а как бы изнутри подложки, специальным образом замещая атомы кремния на атомы углерода, не разрушая матрицы Si –т.н. метод наносборки. Коротко говоря : суть данного подхода базируется на идее предварительного внедрения в кристаллическую решетку матрицы кремния точечных дефектов, из которых в дальнейшем будет собираться остов будущей пленки. В результате расчетов и экспериментов, проведенных нами, было показано, что в анизотропных средах, таких как кристалл, с кубической симметрией решетки, одноименные центры дилатации могут притягиваться друг к другу и, тем самым значительно снижают общую упругую энергию. Такие притягивающиеся центры образуют устойчивые объекты нового типа — упругие дилатационные диполи. Мы доказали, что время жизни дилатационных диполей примерно в 1000 раз больше времени образования первого гетероэпитаксиального слоя, поэтому упругие диполи играют еще и роль упорядочивающих центров эпитаксии. Таким образом, мы имеем возможность выращивать очень тонкий слой как кубического, так и гексагонального карбида кремния. Эти тонкие слои не разрушаются, а деформируются по воздействием слоев нитридов , таких как AlN и GaN, они упруго сжимаются и полностью подстраиваются под решетки этих кристаллов. При этом, получается практически бездефектные слои сразу на одном SiC слое без создания 8-12 слоев твердых растворов AlGaN. Подложка карбида кремния на кремнии SiC Достоинства. Симметрия подложки SiC политипа 4H-SiC - гексагональная, что совпадает с симметрией пленок AlNи GaN, параметры решетки AlNи SiCотличаются на 3%, что позволяет получать на сегодняшний день приемлемые по качеству нитридные структуры Недостатки. На сегодняшний день кристаллы SiC политипа 4H-SiC наилучшего качества, с минимальным количеством пайпов (сквозных пор) производит только американская компания Cree. Карбид кремния китайских компаний не высокого качества. Только компания Creeосвоила выпуск SiCдиаметром 4 Дм. Остальные фирмы производят карбид диаметром не более 3Дм. Этого не достаточно для современной электронной промышленности. Цена карбида кремния компании Cree за пластину диаметром 3Дм, в зависимости от качества, составляет от 1000$ до 5000$, если на поверхности подложки находится гетероструктура, т.е. система слоев из карбида кремния разного состава и разных политипов, то цена может достигать 10 тыс-15 тыс.ERO, за такую пластину. Пластины SiC диаметром более 4Дм , на сегодняшний день, компания только пытается освоить. Имеются и другие недостатки, принципиального характера, а именно, для многочисленных применений необходимо стравливать подложку SiC. Например, в настоящее время развиваются технологии, в которых предполагается пленку GaN перенести на поверхность металла, в частности медные листы. Для этого, приклеивают, выращенную пленку GaN на медную пластину или медный лист, а обратную сторону, т.е. подложку стравливают. Далее, приклеенную пленку обрабатывают, и получают мощные транзисторы на хорошо отводящей тепло медной пластине! Стравить SiC–это очень дорогостоящая и трудоемкая проблема. SiC хорошо отводит тепло, но нужны именно структуры на металле. А Si легко стравливается. Кроме того, ни компания Cree ни другие компании не в состоянии удовлетворить мировые потребности в SiC. Так, например, компании Bosh, с которой мы сотрудничаем, необходимо 35 тыс. пластин SiC в месяц, а вся компания Cree производит 350тыс. пластин в год на все цели!! Произвести больше они не в состоянии, очень большое потребление электроэнергии и т.д. Более того, цена пластин SiC не устраивает Bosh. На сегодня у них нет GaN ни на SiC ни на Si. Сегодня необходимо состыковать кремниевую, арсенид галливую электронику, а это можно сделать только используя подложки Si производство которых отлажено во всем мире. Используя только SiC, этого сделать невозможно. Нужны разные материалы. НАША ПОДЛОЖКА SiC на Si Какими техническими характеристиками для потребителей обладают наши пластины карбида кремния на кремнии и какие преимущества это даст по сравнению с вышеназванными технологиями. Нами были получены эксперементальные образцы пластин карбида кремния на кремнии ( SiCна Si) на которых были выращены светодиодные структуры ( нитрид галлия -GaN ) со следующими характеристиками : 1. Базовая структура: Si(111) 2-3-6" диаметр х 0,5 мм. • Слой GaN толщина: (0,5-20)um ± 0.1 um • GaN ориентация: C-plane (0001) • полярность: Ga-face • тип проводимости: специально не легирован (N-тип) • плотность дефектов: (5-9) 108 см-3 полуширина кривой качания рентгеновской дифракции (FWHM) ~ 600-700 arcsec 2. Полярный нитрид алюминия на кремниевой (SiC-Si) подложке • • • • • AlN толщина: (0.5-7)um ± 0,1 um AlN ориентация: C-plane (0001) полярность: Al-face тип проводимости: специально не легирован (N-тип) плотность дефектов: (1-3) 109 см-3 • полуширина кривой качания рентгеновской дифракции (FWHM) ~ 1800-2000 arcsec Базовая структура: Si(111) 2-3-6" диаметр x 0,5 мм. 3. Полуполярный (20-23) нитрид галлия на кремниевой (SiC-Si) подложке • GaN толщина: (0,5-20)um ± 0,1 um GaN ориентация: (20-23)-plane • полярность: Ga-face • тип проводимости: специально не легирован (N-тип) • плотность дефектов: (5-9) 108 см-3 • полуширина кривой качания рентгеновской дифракции (FWHM) ~ 1500-1900 arcsec Базовая структура: Si(100) 2-3-6" диаметр x 0,5 мм. • ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НАШИХ ПЛАСТИН: Полученные нами экспериментальные образцы пластин отличаются -Низким содержанием дислокаций несоответствия, что позволяет значительно улучшить потребительские качества структур. - Легкость стравливания кремния с тонким слоем карбида кремния, позволяет использовать наши пластины в новой технологии. -Дешевизна слоев. Наш один слой в несколько раз дешевле, чем напыление 8-12 слоев твердых растворов AlGaN. -Возможность выращивания толстых до 150 мкм слоев GaN для силовой электроники, что невозможно сделать другими методами из-за нарастающих механических напряжений даже в структурах содержащих 12 промежуточных слоев. -Для светодиодов При использовании полученного на основе нашей технологии полуполярного нитрида галлия на нашей же карбид-кремнеевой подложке , может быть достигнута светимость до 400 Лм/вт.
