Регистрация / Вход
Прислать материал

14.584.21.0008

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.584.21.0008
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"
Название доклада
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
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на решение важной научно-технической проблемы – поиск путей создания в составе единой монолитной схемы 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 GaN, обладают превосходными рабочими характеристиками, но при этом технология их изготовления плохо совместима с современной микроэлектронной технологией.

Целью исследований является разработка физико-технологических основ создания фоточувствительных и светоизлучающих наноструктур на основе ионно-синтезированных нанокристаллов GaN в кремний-совместимых полупроводниковых и диэлектрических матрицах.

Задачами исследований являются:
— разработка принципов и технологических решений по формированию нанокристаллов GaN в кремний-совместимых матрицах методом ионной имплантации;
— теоретическое моделирование параметров электронной структуры, фотоотклика, излучения света и проведение экспериментальных исследований свойств различных вариантов ионно-синтезированных гетерофазных систем с нанокристаллами GaN;
— изготовление лабораторных образцов фотоприемных и светоизлучающих структур, макетов устройств на их основе, исследование их параметров, определение эффективности, сравнение с мировым уровнем аналогичных разработок;
— разработка предложений и рекомендаций по реализации (коммерциализации) результатов исследования.
Актуальность и новизна исследования
Современный этап развития электронной техники характеризуется переходом от традиционной микроэлектроники к оптоэлектронике и интегральной оптике. Это требует создания в составе единой монолитной схемы источников света и фотоприемников для различных диапазонов длин волн, в том числе – ультрафиолетового. Так как основной материал традиционной микроэлектроники – кремний – в силу непрямозонной энергетической структуры не может быть непосредственно применен для создания эффективных источников света, это стимулировало поиски других светоизлучающих материалов, которые были бы совместимы с кремниевой технологией. Перспективным материалом является GaN, однако есть проблемы его дороговизны и совместимости с кремнием.

Решение проблемы интеграции GaN с кремниевой технологией путем формирования нанокристаллов GaN в кремнии и материалах на основе кремния создает предпосылки для использования оптических свойств GaN в кремний-совместимых устройствах оптоэлектроники и интегральной оптики нового поколения, что позволит использовать достижения кремниевой технологии и даст большой экономический эффект.

Новизна проводимого исследования заключается в использовании ионно-лучевого синтеза нанокристаллов путем последовательной (двойной) имплантации ионов элементов 3-ей группы, в частности галлия и азота, непосредственно в подложку кремния, либо в диэлектрическую (SiO2, Si3N4, Al2O3, HfO2 и др.) или полупроводниковую (GaAs) пленку, нанесенную на кремниевую подложку, с последующим отжигом и инертной атмосфере. Особенностью предлагаемого подхода является использование таких комбинаций операций ионной имплантации и отжига, которые обеспечивают максимальный выход синтезируемого соединения.
Описание исследования

В ходе выполнения проекта разрабатываются 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. Разрабатывается комплект эскизной технологической документации, отражающей технические решения по изготовлению лабораторных образцов фотоприемных и светоизлучающих структур с применением ионной имплантации. Разрабатываются предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) разработанного научно-технического задела.

В частности, впервые разработаны различные варианты технологических решений по ионно-лучевому синтезу нанокристаллов нитридов элементов III группы в кремний-совместимых полупроводниковых и диэлектрических матрицах, предусматривающие вариацию порядка имплантации ионов Ga (In) и N, выбор энергий и доз ионов Ga (In) и N, температуры постимплантационного отжига. Все решения реализованы при проведении экспериментов по высокодозной имплантации ионов элементов III группы (Ga и In) и N в подложки Si, GaAs и диэлектрические пленки SiO2, Si3N4, Al2O3, HfO2 на подложке кремния с последующим отжигом.

C применением методов огибающей, kp-гамильтониана и теории возмущений впервые выполнен теоретический расчет энергетического спектра электронов и дырок в нанокристалле кубического и гексагонального GaN в зависимости от высоты барьеров в диапазоне 0,1-5 эВ, соответствующих различным диэлектрическим матрицам (SiO2, Al2O3, HfO2, Si3N4). Выполнен теоретический расчет параметров межзонного излучения и фотоотклика в диэлектрических матрицах с нанокристаллами GaN.

Проведены экспериментальные исследования лабораторных образцов фоточувствительных и светоизлучающих структур на основе нитридов элементов III группы (GaN, InN) методами спектроскопии фотолюминесценции и фотопроводимости, комбинационного рассеяния света, оптического и ИК-пропускания, электронного парамагнитного резонанса, рентгеновской дифракции, высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и атомно-силовой микроскопии. Исследования позволили установить условия ионно-лучевого синтеза наноразмерных фаз GaN, Ga и SiNx в различных матрицах (Si, GaAs, SiO2, Si3N4, Al2O3, HfO2).

Предложены и реализованы скорректированные научно-технологические решения по синтезу наноматериалов, которые предусматривают внедрение атомов отдачи из осажденных пленок Ga, использование в качестве матрицы для включений GaN гетероэпитаксиальных структур GaAs/Ge/Si, а также синтез GaN путем имплантации азота в слои с включениями галлия.

C целью оценки эффективности полученных результатов выполнено их обобщение и сопоставление с актуальной научно-технической информацией. Даны рекомендации по реализации результатов в оптоэлектронике. Патентный поиск показал патенто- и конкурентоспособность результатов.

Результаты исследования

При исследовании лабораторных образцов структур, в которые проводилась ионная имплантация с целью формирования нанокристаллов GaN в разных матрицах установлено, что в результате термического отжига происходит существенная потеря имплантированных атомов галлия из кремния и пленок диоксида кремния за счет аутдиффузии. Дополнительная имплантация азота с отжигом при 1100 °С (0,5 ч), приводящая к формированию защитного слоя нитрида кремния, предотвращает значительную аутдиффузию из кремния в случае последующей двойной имплантации галлия и азота, но не эффективна в случае диоксида кремния. Формирование нанокристаллов GaN с применением указанных выше методов определения состава и структуры установлено при определенных режимах имплантации и отжига при имплантации галлия и азота непосредственно в подложку кремния, в слои диоксида кремния на Si, оксида алюминия на Si, а также в подложки GaAs. Пики фотолюминесценции, которые интерпретируются как обусловленные излучательными центрами дефектов в GaN, зафиксированы в случаях имплантации в кремний, пленки диоксида кремния, а также (предположительно) пленки оксида алюминия и оксида гафния.

В ходе теоретического расчета энергетического спектра электронов и дырок для нанокристаллов GaN в диэлектрических матрицах (SiO2, Al2O3, HfO2, Si3N4) показано, что по крайней мере один электронный и один дырочный уровень имеются во всех случаях для нанокристаллов GaN с диаметром более 2 нм. Установлено, что длина волны основного излучательного перехода изменяется от 250 до 360 нм при увеличении диаметра нанокристалла от 2 до 6 нм. Характерное время межзонной излучательной рекомбинации в том же диапазоне диаметров возрастает от 1,0·10-10 до 3,0·10-10 c. Внутренняя квантовая эффективность фотоотклика сильно зависит от матрицы и может достигать 10 и 80 % для матриц Si3N4 и HfO2, соответственно.

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 нанокристаллов – ионной имплантации. Достижение цели данного проекта обеспечит предпосылки для реализации качественного скачка в развитии оптоэлектроники и интегральной оптики, полученные при его выполнении положительные результаты способны к правовой охране.

На всех стадиях данного проекта (осаждение диэлектрических пленок, исследование лабораторных образцов различными аналитическими методами, изготовление макетов фоточувствительных и светоизлучающих устройств) реализуется эффективное взаимодействие с Иностранным партнером (ИП) – Индийским технологическим университетом Джодхпура.

По результатам ПНИ опубликованы 5 статей в изданиях WoS и Scopus, зарегистрирован 1 РИД. Исполнители проекта участвовали в 7 мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию результатов ПНИ.

Практическая значимость исследования
Результаты исследований предназначены для 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 требует проведения 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.

Ожидаемый эффект от внедрения результатов данного исследования состоит в удешевлении конечных изделий и в возможности существенно расширить масштаб их производства. Этому будет способствовать применение традиционной для полупроводниковой электроники базовой технологии – ионной имплантации, для которой парк оборудования имеется на существующих предприятиях электронной промышленности. 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 в качестве исходных материалов. Устранение необходимости применения для отжига аммиачной среды (как в зарубежном аналоге) дает преимущество с точки зрения экологии и приближает к традиционным кремниевым технологиям микроэлектроники.