Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 [ 16 ] 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

получения структур GaAs, InP и твердых растворов на их основе на подложках диаметром до 100...150 мм, а в случае структур менее освоенных материалов - на подложках диаметром 50...75 мм.

Успешно решается и проблема получения достаточно совершенных гетероэпитаксиальных композиций соединений А В и а В на кремниевых и германиевых подложках большой площади, а также на подложках хорошо освоенных и сравнительно дешевых монокристаллов других инородных полупроводников. При этом широко используются уже рассмотренные выше методы создания промежуточных буферных слоев, позволяющие сгладить катастрофические последствия различий периодов кристаллических решеток и коэффициентов термического расширения элементов гетеропары. Особенно показательны в этом отношении гетероструктуры GaAS/Si для полевых транзисторов и СВЧ интегральных схем и гетероструктуры GaAs/GaAlAs/Ge для космических солнечных батарей, где плотность дислокаций в рабочих слоях приборных композиций снижена до уровня 10...10 см (в первом случае) и до 10 см (во втором случае), что вполне достаточно для создания приборов с высокими рабочими характеристиками.

Последнее десятилетие отмечено серьезными достижениями в технологии создания эпитаксиальных гетероструктур на основе нитрида галлия и других нитридов элементов III группы. Несмотря на очевидные трудности, связанные с отсутствием решеточно согласованных подложек (в качестве подложек в основном используют пластины сапфира), интенсивное развитие получили процессы выращивания гетероэпитаксиальных структур методами МОС-гидридной, хлоридно-гидридной и молекулярно-пучковой эпитаксии, а также создание специализированного прецизионного ростового оборудования [28]. И хотя стуктурное совершенство получаемых гетерокомпозиций еще недостаточно, сегодня мы являемся свидетелями впечатляющих достижений в разработке и реализации важнейших новых полупроводниковых приборов на их основе. Уже налажен коммерческий выпуск инжекционных голубых лазеров непрерывного действия для систем записи и считывания информации, а также высокоэффективных светодиодов для полноцветной световой индикации и бытового освещения. Начинается производство высокотемпературных СВЧ-транзисторов и силовых выпрямителей. В целом элементная база твердотельной электроники на основе нитридов развивается исключительно высокими темпами, а выращивание эпитаксиальных структур этих материалов превращается в достаточно крупномасштабное производство. Значительный прогресс достигнут в последние годы и в техноло-

гии выращивания пленок SiC, в том числе и на кремниевых подложках. Все это в сочетании с последними достижениями в технологии получения тонкопленочных алмазных структур позволяет с оптимизмом оценивать перспективы быстрого развития высокотемпературной СВЧ-электро-ники, а также высокотемпературной силовой электроники. Ожидаются и серьезные изменения в технике бытового освещения. Замена традиционных ламп накаливания высокоэффективными и малогабаритными светодиодными источниками излучения на основе широкозонных полупроводников (прежде всего нитридов элементов III группы) сулит огромные экономические выгоды и существенное сокращение энергозатрат.

Если для кремния задача получения особо чистых исходных летучих соединений для осуществления эпитаксиальных процессов решается достаточно успешно, то для большинства полупроводниковых соединений еще много нерешенных проблем, прежде всего в применении к метал-лоорганическим соединениям, необходимая номенклатура которых расширяется с каждым годом. В силу существенно большей сложности, менее изученными (чем для кремния) остаются пока для большинства соединений физико-химические процессы в газовой фазе у фронта кристаллизации, а также процессы, протекающие на ростовой поверхности. Это в значительной степени тормозит разработку эффективных методов управления свойствами эпитаксиальных слоев, обусловленными наличием в них собственных точечных дефектов. В меньщих масштабах используются методы математического и физического моделирования при исследовании процессов тепломассопереноса в рабочем эпитаксиальном реакторе, а также элементарных процессов кристаллизации и дефектообразования при эпитаксиальном росте. И тем не менее, в настоящее время высококачественные эпитаксиальные структуры важнейших полупроводниковых соединений производятся уже в достаточно широких промышленных масштабах.

Материаловедческие проблемы кремниевой оптоэлектроники

Увеличение плотности упаковки рабочих элементов по мере совершенствования УСБИС приводит к резкому возрастанию протяженности и усложнению архитектуры традиционных проволочных межсоединений, которые превращаются в одно из основных препятствий на пути дальнейшего повышения быстродействия УСБИС, а их изготовление становится все более дорогостоящей операцией, оказывающей су-



щественное влияние на стоимость интегральной схемы. В этих условиях особую актуальность приобретает проблема поиска новых принципов осуществления связи как между отдельными элементами УСБИС и чипами, так и между различными функциональными узлами сложной электронной аппаратуры. Сегодня, когда осуществляется переход к щироко-масштабной компьютеризации и созданию глобальных систем связи и информатизации, эта проблема приобретает исключительную остроту.

Заманчивой альтернативой традиционным межсоединениям являются оптоэлектронные системы, обеспечивающие возможность генерации модуляции, усиления, передачи, а также детектирования световых сигналов. Потенциальные возможности таких систем трудно переоценить. Элементарная ячейка монолитного оптоэлектронного устройства представляет собой результат интегрирования, в пределах одной пластины источника излучения, волновода и фотоприемника. Необходимым условием успешного использования оптоэлектронных устройств является их хорошее геометрическое и функциональное совмещение с элементами УСБИС. При этом технология их изготовления должна хорошо совмещаться с технологией изготовления самой интегральной схемы и необходимо максимально использовать хорошо отработанные процессы и оборудование кремниевых приборных производств [29].

Основной проблемой кремниевой оптоэлектроники является проблема создания эффективного источника излучения, роль которого вьшол-няет светодиод или лазер. Кремний является непрямозонным полупроводником, и эффективность межзонной излучательной рекомбинации в нем очень низка. Определенным выходом из этого положения является легирование кремния эрбием, примесью, которая формирует в кристаллической решетке эффективные центры излучательной рекомбинации с участием 4f электронов примесного атома. В процессе такой рекомбинации генерируется излучение с длиной волны 1,54 мкм, для которого сам кремний практически прозрачен и которое также соответствует окну максимальной прозрачности оптических волноводов из кварцевого стекла. К сожалению, растворимость Ег в Si составляет всего ~10 см~ (при 1300 °С). Этого явно недостаточно для получения интенсивного излучения. Для увеличения содержания Ег в кристаллической решетке используют неравновесные методы получения сильнолегированных кремниевых слоев - ионную имплантацию, молекулярно-лучевую эпитаксию, ион-но-лучевое напыление и др. Увеличению содержания Ег в слое способствует и дополнительное его легирование кислородом или фтором, с которыми эрбий образует достаточно стабильные комплексы. На сегод-

НИИ день наилучшие результаты достигнуты при использовании метода ионной имплантации [30]. Процесс осуществляется в следующей последовательности. Сначала в кремниевую подложку имплантируют совместно ионы эрбия и кислорода в соотношении 1:10. Затем осуще-ствляетх;я рекристаллизация полученного при имплантации аморфизован-ного слоя путем термообработки при 620 С в течение 3 ч. Заключительной операцией является быстрый термический отжиг рекристаллизован-ного слоя при 900 °С в течение 30 с, в процессе которого происходит аннигиляция в нем остаточных дефектов. В результате удается получать достаточно структурно совершенные монокристаллические слои с концентрацией Ег до -100 см~1 Ожидается, что такой прорыв в увеличении уровня легирования позволит уже в самое ближайшее время на основе Si(Er) изготовить светоизлучающие диоды с квантовой эффективностью излучения при комнатной температуре на уровне 1 % и с приемлемыми для целей интеграции частотными характеристиками. С умеренным оптимизмом оцениваются и перспективы создания лазеров на основе монокристаллического кремния, легированного Ег, а также на основе гетероструктур твердых растворов SiGe(Er).

Обнадеживающие результаты получены и для структур на основе легированного эрбием аморфного гидрированного кремния - a-Si:H(Er). В частности, в трациционных р-/-л-структурах на основе этого материала при прямом включении наблюдалась достаточно эффективная электролюминесценция при комнатной температуре. Аналогичные результаты получены и для гетероструктур типа Me/a-Si:H(Er)/ac-Si/Me (здесь a.c-Si - микрокристаллический кремний). При дальнейшей оптимизации такого рода структур можно с достаточным оптимизмом оценивать возможность создания на их основе эффективных излучающих структур с токовой накачкой [31].

Другим многообещающим направлением создания эффективных излучателей является наращивание на кремниевые подложки гетероэпитаксиальных структур прямозонных соединений АВ (GaAs, InGaP и др.). Так же, как и в случае гетероструктур SiGe/Si, использование техники формирования промежуточных буферных слоев в виде напряженных сверхрешеток, композиций с градиентом состава по толщине или слоев, выращиваемых при сравнительно низких температурах, в сочетании с многократными промежуточными термообработками позволяет, например, получать на подложках кремния эпитаксиальные слои GaAs с плотностью дислокаций = 10 см~. Этого еще недостаточно для создания эффективно работающих при комнатной температуре лазеров, но впол-

7 - 692Н



jy группы и кремниевым квантоворазмерным излучающим структурам находятся практически на начальном этапе. Существенно более продвинуты работы по нанокристаллам, в первую очередь, за счет огромного интереса, проявленного к структурам на основе пористого кремния.

Структуры пористого Si обычно получают путем традиционного электрохимического травления монокристаллических пластин. В процессе такого травления формируется текстура из тонких монокристаллических нитей, разделенных порами. Когда диаметр нитей выходит на квантово-размерный (нанометровый) уровень, такого рода пористая матрица приобретает способность генерировать излучение в видимой области спектра. На сегодняшний день природа наблюдаемой люминесценции еще до конца не ясна, хотя достаточно очевидно, что в ее основе лежат квантоворазмерные эффекты. Не совсем понятна природа и многих других явлений, наблюдаемых в пористом кремнии при прохождении через него электрического тока или при его оптическом возбуждении. Оставляют желать лучшего и воспроизводимость получаемьгх при электрохимическом травлении нитевидных структур (диаметра нитей), а также их деградационные характеристики.

Тем не менее, на сегодняшний день в светодиодах на основе пористого кремния достигнут уровень квантовой эффективности более 1 % в условиях их стабильной работы в течение более 1000 часов [34]. Этого еще недостаточно для решения проблемы создания надежных оптических межсоединений. Однако такие светодиоды вполне пригодны для ряда специальных применений, таких, например, как микродисплейные устройства высокого разрешения. В данном случае светодиоды используются в качестве светоизлучающих пикселей, что позволяет повысить разрешение микродисплейных устройств и упростить их конструкцию за счет интеграции схем управления и светоизлучающей матрицы в пределах одного кремниевого чипа. Все это дает значительные экономические выгоды. Кроме того, в последние годы на основе структур пористого кремния созданы весьма чувствительные фотоприемники.

За последние годы разработаны новые методы получения нанокрис-таллов кремния с достаточно воспроизводимыми размерами - путем электроискровой обработки, селективного травления в сочетании с фотолитографией, прямого химического синтеза, ионной имплантации ионов кремния в пленки SiOj с последующим формированием нанокристаллов в процессе распада образующихся при этом пересыщенных твердых растворов и др. Предполагалось, что при достижении определенньгх размеров нанокристаллы будут приобретать прямозонную структуру, но при

не приемлемо для формирования светодиодных структур. Дальнейшие перспективы снижения плотности дислокаций в такого рода гетерокомпозициях связаны с эпитаксиальным выращиванием на профилированных подложках (меза-структуры, пористые пластины), а также с использованием метода прямого соединения пластин.

В последнее время активно исследуется возможность создания эффективных излучающих устройств на основе гетероструктур SiGe/Si, содержащих достаточно регулярные сетки дислокаций несоответствия, которые эффективно захватьшают неравновесные носители заряда и экситоны за счет создаваемых вокруг них достаточно дальнодействующих полей упругих напряжений. Наблюдаемая при этом локализация носителей способствует появлению так называемой дислокационной люминесценции, в частности на длине волны ~ 1,53 мкм. Природа этого явления еще далеко не ясна. Но достаточно надежно установлено, что дислокационная люминесценция возникает в сетке дислокаций несоответствия, имеющей достаточно большое количество пересечений дислокаций из разных плоскостей скольжения. Интенсивность дислокационной люминесценции растет с увеличением плотности дислокаций Л и значительно превышает интенсивность экситонной люминесценции при N> 10 см Дислокационная люминесценция характеризуется малым временем жизни, что является весьма важной характеристикой для изготовления оптоэлектрон-ных приборов [32].

В последние годы интенсивно развиваются исследования по созданию излучающих структур на основе эпитаксиальных слоев полупроводникового дисилицида железа - p-FeSij, являющегося прямозонным материалом с шириной оптической щели около 0,8 эВ, соответствующей длине волны 1,5 мкм. Основными методами создания таких структур являются молекулярно-пучковая эпитаксия и ионная имплантация в сочетании с различными термообработками. На основе этих структур уже созданы первые светодиоды, работающие при комнатной температуре [33].

Перспективными материалами для создания излучателей также являются: наращиваемые на кремниевые подложки эпитаксиальные слои твердых растворов элементов IV группы, типа Sij GeC, Si уСу, SnGe , для некоторых из которых реальны композиции, обладающие прямозонной структурой; квантоворазмерные композиции на основе кремния (сверхрешетки с множественными квантовыми ямами в системе SiGe/Si); квантовые нити и квантовые точки, формируемые в кремниевой матрице на основе прямозонных полупроводников; кремниевые нанокристаллы. Исследования по новым твердым растворам элементов



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 [ 16 ] 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка