Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование ионно-лучевого синтеза и свойств систем на основе нанокристаллов нитрида галлия, внедренных в кремний-совместимые матрицы, для применений в фотодетекторах и источниках излучения нового поколения

Докладчик: Тетельбаум Давид Исаакович

Должность: Ведущий научный сотрудник, профессор, д.ф.-м.н.

Цель проекта:
Проект в целом направлен на решение важной научно-технической проблемы – поиск путей создания в составе единой монолитной схемы (на одном чипе) источников света и фотоприемников для различных диапазонов длин волн с использованием светоизлучающих материалов и технологий, которые были бы совместимы с кремниевой технологией. Светодиоды, лазеры и фотодетекторы на базе нитридов элементов 3-ей группы, в частности нитрида галлия, обладают превосходными рабочими характеристиками, а также высокой стойкостью к неблагоприятным внешним условиям (высокой температуры, радиации, химически агрессивных сред и др.), но при этом они плохо совместимы с современной микроэлектронной технологией. Решение проблем интеграции GaN с кремниевой технологией путем ионно-лучевого синтеза нанокристаллов GaN в кремнии и материалах на основе кремния создает предпосылки для использования светоизлучающих свойств нитридов 3-ей группы в устройствах оптоэлектроники и интегральной оптики нового поколения. Целью выполнения научных исследований является разработка физико-технологических основ создания фоточувствительных и светоизлучающих наноструктур на основе ионно-синтезированных нанокристаллов GaN в кремний-совместимых полупроводниковых и диэлектрических матрицах. Достижение цели данного проекта обеспечит предпосылки для реализации качественного скачка в развитии оптоэлектроники и интегральной оптики, полученные при его выполнении положительные результаты будут способны к правовой охране.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты ПНИ:
1) Вновь разработанные физико-технологические принципы и прототипы технических решений по формированию фоточувствительных и светоизлучающих структур и устройств на основе нанокристаллов GaN в кремний-совместимых полупроводниковых и диэлектрических матрицах.
2) Комплект эскизной технологической документации, отражающей технические решения по изготовлению лабораторных образцов фотоприемных и светоизлучающих структур с применением ионной имплантации.
3) Предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) разработанного научно-технического задела.

Новизна предлагаемых научно-технологических решений основывается на использовании технологии ионно-лучевого синтеза нанокристаллов путем последовательной (двойной) имплантации ионов элементов 3-ей группы, в частности галлия, и азота, либо непосредственно в подложку кремния, либо в диэлектрическую (SiO2, Si3N4, Al2O3, HfO2 и др.) или полупроводниковую (GaAs) пленку, нанесенную на кремниевую подложку. Особенностью предлагаемого подхода является использование разных комбинаций (последовательности) операций ионной имплантации и отжига, обеспечивающих максимальный выход синтезируемого соединения. Преимущество ионного синтеза перед другими способами (такими, как эпитаксия) состоит в высокой степени контролируемости как по составу синтезируемых слоев, так и по концентрации вводимых в матрицу атомов (не ограниченной термодинамическим пределом растворимости), а также превосходной совместимостью данного метода с существующими кремниевыми технологиями. Используя ионную имплантацию примесей с последующим отжигом, можно синтезировать нанокристаллы полупроводников в различных, в том числе аморфных, матрицах. Оригинальность выбранных способов решения поставленных задач обеспечивает получение результатов, способных к правовой охране.

Ориентация предлагаемого проекта на разработку технологии создания светоизлучателей и фотоприемников для интегральных схем полностью соответствует российским и мировым научно-технологическим приоритетам, что подтверждается существующими прогнозами развития научно-технологической сферы в рассматриваемом направлении. Конкурентные преимущества заявляемого проекта по сравнению с аналогичными работами, выполняющимися в России и за рубежом, определяются в первую очередь тем обстоятельством, что, в отличие от традиционных видов фотодетекторов и светодиодов на базе массивных кристаллов GaN и эпитаксиальных слоев GaN на подложках А3В5, разрабатываемые структуры будут формироваться на подложках кремния. Кремний более дешев и доступен (стоимость пластины Si в 7 раз ниже стоимости пластины GaAs), пластины кремния могут быть получены гораздо большего диаметра по сравнению с пластинами A3B5, что позволяет резко увеличить количество элементов на одном чипе. Все это значительно удешевляет конечные изделия и дает возможность существенно расширить масштаб их производства. Применение традиционной для полупроводниковой электроники базовой технологии – ионной имплантации, для которой парк оборудования имеется на существующих предприятиях электронной промышленности, также является существенным преимуществом разрабатываемых методов. Удешевление производства будет обусловлено и тем, что, в отличие от метода газофазной эпитаксии, при использовании разработанных в рамках проекта технологических решений отпадет необходимость в применении сверхчистых газов.

Риски при реализации ожидаемых результатов обусловлены трудностью удержания имплантационных атомов галлия в матрице при высокотемпературных отжигах, а также во внесении при ионной имплантации центров безызлучательной рекомбинации, ограничивающей эффективность люминесценции.

Для доведения научно-технических результатов научных исследований до потребителя ¬будут разработаны предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) результатов научных исследований.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты исследований предназначены для непосредственного использования в научно-производственных центрах (НПЦ) при разработке новых промышленных технологий изготовления светоизлучающих и фотоприемных устройств для создания на их основе оптоэлектронной компонентной базы, применимой в ядерной энергетике, космической технике, а также в бытовых условиях. Дальнейшее использование результатов предусматривает проведение опытно-конструкторских/технологических работ, направленных на разработку комплекта рабочей конструкторской документации, достаточного для организации в условиях НПЦ технологического процесса изготовления устройств светодиодов и фотодетекторов в интегральном исполнении.

Учитывая международный характер проекта, а также межотраслевую направленность новых видов продукции, их производство может быть поставлено как на базе ведущих отечественных производителей микроэлектроники (ОАО «Микрон», ОАО «Ангстрем», Зеленоград, Москва), так и в международных компаниях (De Core Group, Индия-Россия), специализирующихся на серийном производстве полупроводниковых приборов и электронной техники. Конкретные масштабы производства и условия взаимодействия потребителей научно-технической продукции будут определены по завершении ОКР/ОТР по теме проекта.

Возможности межотраслевого применения результатов определяются многообразием функциональных возможностей разрабатываемых наноструктур. Кроме непосредственного их использования как излучателей света и фотодетекторов, структуры на основе нанокристаллов GaN могут быть использованы в солнечных элементах, приборах спинтроники, биосенсорах (отсутствие токсичных веществ в таких структурах важно для их биомедицинских применений).

Кооперация ННГУ с иностранным партнером – Индийским технологическим институтом (ИТИ) в части формирования и исследования свойств создаваемых структур дает возможность осуществить совместное патентование разработок, облегчит их внедрение в производство, в том числе в международных компаниях, и поднимет престиж российской вузовской науки.

Таким образом, ожидаемый народно-хозяйственный эффект от коммерциализации результатов научного исследования характеризуется следующим:
– масштабность возможного использования ожидаемых результатов исследований определяется потребностями в изготовлении элементов оптоэлектроники для применений в первую очередь в космической технике и ядерной энергетике (с учетом высокой степени стойкости рабочих параметров GaN к таким факторам внешней среды, как экстремальные температуры, а также к факторам космического пространства и ядерных реакторов);
– оценка прогнозируемых социально-экономических эффектов от использования продукции, созданной на основе результатов данного исследования, будет определяться:
а) созданием принципиально новой продукции: источников света и детекторов ультрафиолетового, видимого и, возможно, инфракрасного диапазонов спектра, а также оптронов, оптопар и оптических развязок на их основе, солнечных батарей с повышенным КПД, устройств спинтроники, биосенсоров;
б) совершенствованием технологических процессов с точки зрения повышения эффективности применения находящегося в эксплуатации у производителей микроэлектроники стандартного оборудования (имплантеров), удешевления производства – за счет отказа от дорогостоящих подложек и замены их на кремниевые большего диаметра;
– применение ионной имплантации примесей в нанесенный на кремний слой диэлектрика в качестве базовой технологии изготовления структур на основе GaN вместо эпитаксиальной технологии позволит сократить производственный цикл, поскольку отпадет необходимость в трудоемких операциях предэпитаксиальной подготовки подложек, выращивания буферных слоев и т.д.;
– перспективность вновь создаваемой интеллектуальной собственности в части патентоспособности будущих результатов исследований и их лицензионных возможностей обосновывается возможностью интеграции разрабатываемых материалов и устройств в существующий КМОП КНИ процесс.

Текущие результаты проекта:
На основе проведенного анализа научно-технической литературы, патентного поиска и предварительных исследований разработаны физико-технологические принципы и прототипы технических решений по формированию фоточувствительных и светоизлучающих структур и устройств на основе нанокристаллов GaN в кремний-совместимых полупроводниковых и диэлектрических матрицах. Разработаны различные варианты технологических решений по ионно-лучевому синтезу нанокристаллов GaN в кремний-совместимых полупроводниковых и диэлектрических матрицах, которые предусматривали вариацию порядка имплантации ионов Ga и N, выбор энергий и доз ионов Ga и N, температур постимплантационного отжига.

Проведены предварительные эксперименты по высокодозной имплантации ионов Ga и N в подложки Si с последующим отжигом и исследование свойств синтезированных материалов. Выполнено облучение образцов Si в трех различных режимах:
1) имплантация ионов Ga (5x10^16 см-2, 80 кэВ), затем ионов N (2.5x10^16 см-2, 40 кэВ);
2) имплантация ионов N (5x10^16 см-2, 40 кэВ), затем ионов Ga (1x10^17 см-2, 80 кэВ);
3) имплантация ионов Ga (1x10^17 см-2, 80 кэВ), затем ионов N (5x10^16 см-2, 40 кэВ).

Свойства полученных образцов исследованы методами спектроскопии электронного парамагнитного резонанса, проводятся исследования методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновской дифракции, просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения.

За счет средств иностранного партнера осаждены пленки SiO2 и SiNx методом ВЧ-распыления и исследованы их свойства. Проведено атомно-слоевое осаждение и исследование свойств матриц Al2O3 и HfO2 для их использования на следующем этапе проекта.