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

Номер контракта: 14.584.21.0008

Руководитель: Тетельбаум Давид Исаакович

Должность: Ведущий научный сотрудник

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
нанокристаллы нитрида галлия, кремний-совместимые матрицы, ионная имплантация, фотодетекторы, светоизлучающие устройства

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.

Основные планируемые результаты проекта:
К основным запланированным результатам проекта относится разработка физико-технологических принципов и прототипов технических решений по формированию фоточувствительных и светоизлучающих структур и устройств на основе нанокристаллов GaN в кремний-совместимых полупроводниковых и диэлектрических матрицах. Должен быть разработан комплект эскизной технологической документации, отражающей технические решения по изготовлению лабораторных образцов фотоприемных и светоизлучающих структур с применением ионной имплантации. Должны быть разработаны предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) разработанного научно-технического задела.

Ключевая характеристика разрабатываемых научных и научно-технических результатов, конструктивных и технологических решений состоит в их ориентации на создание фотоприемных и светоизлучающих структур и устройств для применений в традиционной кремниевой микро- и оптоэлектронике.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом проекта является технология создания фотоприемников и светоизлучателей на базе нанокристаллов GaN с использованием в качестве матриц кремний-совместимых материалов, а в качестве метода синтеза – ионной имплантации. 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.

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.

Важное положительное отличие ожидаемых результатов от других, связанных с разработкой светодиодов и фотоприемников на основе эпитаксиальных гетероструктур на основе GaN, состоит в том, что, во-первых, благодаря использованию ионно-лучевого синтеза нанокристаллов будет исключен основной фактор, приводящий к ухудшению свойств материала – внесение дислокаций несоответствия. Во-вторых, метод ионной имплантации полностью совместим с существующей технологией изготовления интегральных схем. В третьих, синтезируемые наноструктуры будут встроены в совместимые с кремнием матрицы, что позволит интегрировать их в оптоэлектронные схемы на базе кремния и тем самым решить задачу создания многофункциональных устройств на одном чипе с одновременным удешевлением технологии (отказ от дорогостоящих массивных подложек A3B5 и/или сапфира).

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.

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

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).

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.

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.

Текущие результаты проекта:
В соответствии с ранее разработанной технологической документацией выполнены отдельные технологические операции по изготовлению лабораторных образцов фоточувствительных и светоизлучающих структур путем имплантации Ga (In) и N в подложки GaAs и диэлектрические пленки HfO2, Al2O3 на подложках Si. Операции по контролю морфологии поверхности и состава имплантированных слоев выполнены с привлечением уникального оборудования ЦКП – НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» ННГУ. Результаты исследования химического состава имплантированных слоев подтверждают соответствие между задаваемыми в процессе синтеза параметрами и реальными профилями распределения внедренных элементов, а также эффективность разработанных решений, в частности, для сохранения высоких концентраций галлия в имплантированном слое после высокотемпературного отжига. Выполнен расчет спектральных зависимостей поглощения электромагнитного излучения и скорости межзонной излучательной рекомбинации в уединенных нанокристаллах GaN для определения параметров люминесценции и фотоотклика в гетерофазных системах. Исполнители проекта участвовали в 3 мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов проекта (международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, школа-конференция с международным участием SPb OPEN 2015, Санкт-Петербург, международная конференция по радиационным эффектам в диэлектриках REI-2015, Индия).

За счет средств Иностранного партнера отработана методика сверхпроводящей квантовой интерферометрии (SQUID) и исследованы магнитные свойства дефектов в образцах Si:GaN. Проведены исследования систем нанокристаллов GaN в кремний-совместимых диэлектрических матрицах SiO2 и Si3N4 методами рентгеновской дифракции, ИК-спектроскопии и спектроскопии фотолюминесценции. В ходе двухсторонней встречи (октябрь 2015 г.) произведен обмен образцами и согласованы материалы совместных публикаций и докладов.

По результатам выполнения работ опубликована одна статья в журнале Journal of Physics: Conference Series и одна статья в журнале Физика и техника полупроводников (Semiconductors). Оба журнала индексируются в базах WoS или Scopus. Получен патент на полезную модель «Узел магнетронного распыления».