1. Вступление
Успешное научное сотрудничество технического университета Санкт-Петербурга и университета Ганновера имеет давнюю историю и стало традиционным. Так уже 25.07.1984 г. был заключен первый договор о сотрудничестве между техническим университетом Санкт-Петербурга и университетом Ганновера.
Сегодня в нем участвуют со стороны университета Ганновера специальности электротехники, машиностроения, строительства, геодезии, а также литературы и филологии. С помощью ДААД происходит активный обмен учеными между обоими вузами. Уже давно существует стремление это сотрудничество углублять и совершенствовать путем вовлечения других научных учреждений в России.
Целями в этом проекте являются исследование новых материалов для микроэлектроники и фотоники, разработка прогрессивных техник управления производственным процессом и создание элементов с улучшенными электронными и оптронными свойствами.
Соответственно этому проводятся работы в области группы III-нитриды, ферроэлектрики и нелинейной оптики. Этим проектам оказывает содействие ФРГ. В проектах принимают участие многие научные учреждения и России. К ним относятся государственный технический университет Санкт-Петербурга, институт им.А.Ф.Иоффе, электротехнический и технологический университеты Санкт-Петербурга и институт оптики Академии Наук в Томске.
Партнерами в научных дискуссиях и специальных экспериментальных исследованиях являются, кроме того, институт физики им.Лебедева в Москве, институт электронной техники в Москве, институт неорганической химии в Новосибирске и институт оптики им.Вавилова в Санкт-Петербурге.
С сотрудничеством связаны также небольшие промышленные фирмы в Санкт-Петербурге, такие как Софтимпакт или АТС. Успех сотрудничества выражается в более чем 30 совместных научных публикациях за последние годы. В них участвуют многие выдающиеся ученые, которые сотрудничают в образцовых командах и с большим личным участием.
Можно назвать нескольких представителей участников.
С русской стороны: проф. Кораблев и проф. Рудской от ТУ С-Петербурга; проф. Копьев и проф. Давыдов от института им. Иоффе, проф. Козырев и проф. Афанасьев от электротехнического университета.
С немецкой стороны др. Уффманн (в настоящее время Инфинеон АО), дипл.-физик Адерхольд и госпожа др. Семчинова от ЛФИ.
Одним из самых больших совместных проектов является группа III-нитриды. Здесь видится самое большое экономическое значение. Таким образом, далее следует, прежде всего, рассмотреть эту область работы.
2. Группа III-нитриды. Новые полупроводниковые материалы для микроэлектроники и фотоники
2.1. Введение
Полупроводниковым материалом для крупной интеграционной техники, для ЭВМ и микропроцессов является кремний. Это не изменится и в ближайшее время. На основе своих физических свойств кремний однако не пригоден для оптоэлектронных элементов и лишь относительно применим для высокочастотного применения.
Здесь рассматриваются классические III/V- полупроводники, такие как GаАs, АlАs, InР, GаР и их смешанные кристаллы. Эти полупроводники обладают, однако, принципиальными ограничениями, когда требуются высокая мощность, высокие частоты, высокая температура или высокая энергия фотонов.
Для применения такого рода их значительно превосходят материалы с большим зазором в зоне. К этим материалам относится группа III-нитриды, в особенности GaN, AlN, InN и их смешанные кристаллы.
2.2. Физические свойства
Электрические и оптические свойства кристаллических полупроводников существенно определяются их ленточной структурой. Общим признаком всех полупроводников является существование так называемого зазора в зоне между зоной проводимости, в которой движутся электроны, и зоной валентных связей, в которой движутся дырки (дефицит эпектрона).
Величина зазора в зоне, промежуток в зоне зависит от материала и составляет от нескольких десятых эВ (электронвольт) до нескольких эВ. Различают прямые и косвенные полупроводники.
У прямых полупроводников электрон может рекомбинировать в зоне проводимости по прямому пути с дыркой в зоне валентных связей. Освобождающаяся при этом энергия соответствует промежутку в зоне и исходит в форме электромагнитного излучения (т.е., в форме света). Цвет излучаемого света зависит от промежутка в зоне.
У косвенных полупроводников для рекомбинации необходимо изменение импульса, которое, например. может происходить через взаимодействие с колебанием кристаллической решетки (с фононом). Вероятность косвенной рекомбинации существенно меньше, чем прямой, так что косвенные полупроводники непригодны для эффективных световых диодов или полупроводниковых лазеров.
GaN, АlN и InN являются прямыми полупроводниками и благодаря этому пригодны для оптоэлектронных элементов. Их промежутки в зоне составляют 3,44 эВ у GаN; 6,2 эВ у АlN и 1,89 эВ у InN.
Так как смешанные кристаллы (например, GaInN) можно создавать и таким образом варьировать промежуток в зоне, светоэмитирующие элементы из названных материалов показывают в зависимости от состава широкий цветовой спектр от оранжевого до темного ультрафиолетового. Относительно их применения для микроэлектронных элементов нитриды группы III также имеют преимущества.
Так, скорость коммутации полупроводникового элемента решающим образом зависит от скорости, с которой носители заряда могут двигаться сквозь кристалл. При больших напряженностях поля эта скорость ограничивается характеристикой материала так называемой скоростью насыщения.
Скорость насыщения GаN на 25% больше, чем скорость насыщения GaAs, так что потенциал для применения при высоких частотах GaN элементов соответственно больше, чем у GaAs элементов. И наконец, GaN отличается еще большей химической и механической стабильностью и высокой точкой плавления.
2.3. Техника управления производственным процессом
Изготовление монокристаллов нитридов группы III чрезвычайно трудно. Высокие температуры плавления и (например, GaN 2800 К) и высокие парциальные давления азота (например, GaN 45000 бар) препятствуют применению общеупотребительных способов вытяжки кристаллов, которые применяются для кремния или GaAs.
Таким образом, до сих пор невозможно получение больших кристаллов нитридов группы III на промышленной основе. Возможно лишь изготавливать монокристаллические слои посредством эпитактических способов. Так как нет в наличии монокристаллических субстратов нитридов, происходит сепарация на внешние субстраты (гетероэпитаксия).
В большинстве случаев здесь применяются сапфир или карбид кремния (SiC). Трудности при этом доставляют различные постоянные (константы) решеток, так что до роста слоев нитридов выделяются так называемые амортизирующие слои, чтобы снять механические напряжения.
Необходимость гетероэпитаксии ограничивает выбор возможных техник эпитаксии. Практическое значение для получения элементов в настоящее время имеет только выделение металлоорганических газовых фаз (Мetal Organic Сhemical Vapour Deposition, MOCVD) и молекулярная эпитаксия излучения (Molесulаr Beam Epitаху, МВЕ) с вариантом МОМВЕ (металлоорганическая МВЕ).
Во всех методах в настоящее время едва ли существует понимание основополагающих механизмов процессов роста, прежде всего, относительно процессов кинетических реакций. Соответственно этому отсутствуют модели процессов способные нести нагрузку моделирования, так что оптимизация процессов в основном должна происходить эмпирически с большими затратами времени.
Здесь безотлагательно требуются дальнейшие теоретические работы. Выделение металлоорганических газовых фаз (MOCVD) считается самым экономичным способом и до сих пор исследуется с наибольшими затратами.
При этом методе обычным образом металлоорганические соединения, триметилгаллиум (ТМGa) и аммиак (NH3) расщепляются на поверхности нагретого до 1050 С субстрата, так что атомарный галлий и атомарный азот освобождаются и могут реагировать с GaN.
Качество полученных таким образом слоев эпитаксии, правда, хуже, чем у принятых полупроводниковых материалов Si или GaAs, однако, оно достаточно, чтобы получать голубые световые диоды или даже лазерные диоды. Сравнимые успехи до сих пор не могли быть достигнуты с помощью других техник эпитаксии.
Несмотря на успехи в практике посредством MOCVD методы молекулярно- лучевой эпитаксии (МВЕ и МОМВЕ) имеют некоторые преимущества по сравнению с MOCVD. При МВЕ в сверхвысоком вакууме (около 10-11 торр) создается атомный луч Ga, причем элементарный галлий выпаривается в тигле, так называемой эффузионной камере. Второй луч из атомарного азота получается либо путем термического разложения NH3 либо путем стимулирования молекулярного азота в плазменном источнике. Оба луча реагируют на субстрате при температурах от 700 С до 800 С на GaN. Итак температура процесса существенно меньше, чем при МОСVD.
Благодаря этому должны были бы легче получаться эпитактические тройные соединения, такие как InGaN. Преимущества следует ожидать и при контроле дотаций и выделении новых полупроводников, таких как кубический GaN или GaAsN.
Вариантом МВЕ является металлоорганическая МВЕ (МОМВЕ). Основной идеей здесь является использование преимуществ как МОСVD, так и МВЕ: вместо элементарного галлия в процессе МВЕ в камеру сверхвысокого вакуума вводится используемая при МОСVD металлоорганика, например, триметилгаллий или триэтилгаллий и разлагается непосредственно на горячей поверхности субстрата, так что освобождается элементарный Ga. Для этого достаточны температуры около 100 С.
Таким образом эпитактический рост может хорошо контролироваться при низких температурах. Однако рост МОМВЕ очень сложный, и может очень значительно отличаться не только от процесса МОСVD, но и от процесса МВЕ.
Проблемы оптимизации эпитактического роста в процессе МОМВЕ соответственно совершенно еще не решены и требуется их решение в технике управления производственным процессом.
Для использования группы III эпитактических слоев нитридов для получения элементов необходимы способы дотации, структурирования и контакгирования. И над этим работает ЛФИ совместно с русскими партнерами. Так, разрабатывается особая техника имплантации In-situ дотационных материалов или исследуется выделение окисей на GaN для получения транзисторов MOS.
2.4. Элементы нитридов группы III
Как упоминалось в 2.2, GaN имеет зазор в зоне 3.39 эВ и, благодаря этому, пригоден для получения оптоэлектронных элементов в ультрафиолетовой области спектра.
При применении тройных соединений, таких как InGaN и AlGaN появляется даже спектр, который при красном свете достигает вакуумного ультрафиолетового. Особый интерес представляют синяя и ультрафиолетовая области, которые с другими полупроводниковыми материалами нельзя обнаружить или можно обнару-жить лишь недостаточно.
Промышленным способом уже можно получить синие световые диоды (LEDs) на основе GaN. Эти LEDs имеют широкую область применения. Стоит подумать о больших цветных дисплеях, об освещении на транспорте, о светофорах или о замене лампочек накаливания.
Идея здесь заключается в том, чтобы применять LEDs с высокой энергией фотонов в комбинации с фосфорными покрытиями, так чтобы эмитировался "белый" свет. Первые LEDs такого рода уже есть на рынке.
Испускающие синий свет лазерные диоды со сроком жизни свыше 10000 часов недавно получены промышленным способом. Их применение разнообразно: например, оптические запоминающие устройства имеют существенно большую емкость по сравнению с обычными, которые работают с лазерами инфракрасного излучения.
Подумаем также о 3-хмерной лазерной проекции; однако, здесь необходима относительно большая мощность лазера (порядок величин несколько ватт). Кроме того, потребовались бы 3 лазерных элемента синего, зеленого и красного цвета, которые нужно было бы реализовать с помощью нитридных смешанных кристаллов.
В качестве следующего примера следует упомянуть UV-детекторы, которые технологически относительно легко реализуются. Преимуществом этих детекторов является то, что солнечный свет не нарушает их чувствительность.
В то время, как оптоэлектронные свойства нитридов группы III вызвали сначала особый интерес, с недавних пор усиленное внимание завоевала пригодность этого материала для мощных микроэлектронных элементов. Следует назвать, во-первых, производительную (мощную) электронику и электронику высоких температур.
Следует ожидать, что нитриды здесь заменят часто применяемый сегодня материал SiC. Следующим выдающимся свойством материала GaN является его высокая скорость насыщения электронов 2.5х107 см/сек.
Скорость насыщения есть скорость, с которой носители зарядов движутся под влиянием высоких напряженностей поля. Она ограничивает производительность элементов, которые перерабатывают большие электрические мощности при высоких частотах. Подобные элементы в настоящее время изготавливаются большей частью из арсенида галлия (GaAs), чья скорость насыщения, однако, приблизительно на 25% ниже.
Дополнительные преимущества образуют высокая напряженность электрического поля при пробое и уже упомянутая высокотемпературная способность GaN, так как подобные элементы часто имеют сильный собственный нагрев. Поэтому довольно скоро можно ожидать, что элементы GaN в некоторых случаях вытеснят элементы GaAs.
Это особенно могло бы относиться к радарной технике. Кроме микро- и оптоэлектроники рассматривается использование особых акустоэластичных, а также пиро- и пьезоэлектрических свойств семейства GaN для разработки элементов. Здесь в настоящее время, однако, существуют лишь отдельные лабораторные образцы.
Для всех видов применения решающим является качество материала. Соответственно, почти во всех областях технологии нитридов необходимы еще существенные улучшения, прежде чем нитридные элементы смогут добиться всеобщего признания. На основании глобальной активности научных исследований в этой области можно, однако, этого ожидать через несколько лет.
2.5. Аспекты сотрудничества
При сотрудничестве между ЛФИ и научными учреждениями в России рассматриваются многие точки зрения: так, собираются специалисты, чтобы в совместной работе достичь наилучших результатов. Научные проблемы можно решать на основе разделения труда, чтобы достичь эффекта синергии, т.е., например, чтобы исследования проводились там, где имеется в наличии наибольшее Know How и, смотря по обстоятельствам, соответствующий прибор.
При обработке одной задачи могут применяться различные методы, чтобы возможно быстрее получить способные нести нагрузку результаты. Не менее важно также и развитие личных отношений между участниками, которые могут выходить за рамки научной работы. Ниже следует представить некоторые примеры сотрудничества.
Так, в рабочей группе института им. Иоффе проводится эпитаксия нитридов группы III с помощью MOCVD. Как пояснялось в главе 2.3, этот способ имеет некоторые преимущества (а также и недостатки) по сравнению с примененным в ЛФИ способом МВЕ.
В рамках сотрудничества для сравнения изготавливаются пробы обоими способами и затем используется оптимальный способ для дальнейшего изготовления проб. Например, в Санкт-Петербурге могут изготавливаться толстые слои MOCVD, на которых затем в Ганновере наращивают слои МВЕ, чтобы избежать проблем МВЕ относительно прироста.
Аналогичным образом ЛФИ кооперирует с фирмой АТС в Санкт-Петербурге. Эпитаксия здесь происходит как и в ЛФИ с помощью МВЕ, однако, применяется аммиак (NHз) в качестве источника азота.
В области характеристики слоев в ЛФИ имеются в распоряжении различные возможности. Сюда относятся спектроскопия Augerelektronen (AES), микроскопия растр-электронов (REM), микроскопия растр-силы (AFM), фотолюминисценция (РL) и спектроскопическая эллипсометрия. Они дополняются такими способами как рентгеновская дифракция (XRD) и спектроскопией Raman, которые имеются в институте им.Иоффе.
Кроме того, привлекаются в ряде случаев специальные методы других русских институтов. Благодаря этому, рабочие группы в обеих странах имеют в своем распоряжении большой ряд возможностей для определения характеристик.
Как уже упоминалось, для оптимизации роста слоев необходимы также большие теоретические работы. Фирма Softimрact в Санкт-Петербурге имеет большой опыт в термодинамическом моделировании эпитаксии нитридов группы III и других материалов.
В рамках сотрудничества под руководством технического университета Санкт-Петербурга на основе технологических данных ЛФИ моделируются основополагающие взаимозависимости, такие как зависимость темпа роста от температуры роста и сравниваются с экспериментальными результатами ЛФИ.
Так, обе стороны могут получать ценные сведения о физических процессах при эпитаксии, которые затем применяются для дальнейшей оптимизации.
3. Ферроэлектрики
Ферроэлектрические материалы обладают рядом особых физических свойств, которые могут быть использованы для микроэлектронных и микросистемотехнических элементов. В двух выбранных областях применения ферроэлектриков существует сотрудничество между ЛФИ и русскими институтами. Здесь следует кратко сказать об этом.
В совместной работе с электротехническим университетом Санкт-Петербурга (проф. Козырев) исследуются микроволновые элементы, где используется тот факт, что на диэлектрические свойства ферроэлектрических материалов можно оказать влияние внешними напряжениями.
Так, например, можно построить сложные антенны из микроволновых антенн, соотношением фаз которых можно электрически так управлять, чтобы электрически юстировать поле антенн.
Вторая область применения касается следующего: ферроэлектрики обладают большими пироэлектрическими коэффициентами, так что из них можно изготавливать детекторы инфракрасного излучения.
В сотрудничестве с электротехническим университетом Санкт-Петербурга (проф. Афанасьев) работают над тем, чтобы с помощью надлежащей модификации применяемых ферроэлектриков оптимизировать свойства детекторов для работы при комнатной температуре.
4. Нелинейная оптика
Об этих совместных работах здесь также следует кратко упомянуть. Создание производительных узкополосных когерентных источников излучения, которые, можно настраивать по широкой области спектра, является в настоящее время важной научно и технологической проблемой.
В последние годы было обнаружено, что решение может быть достигнуто только путем параметрического преобразования частот. При этом нужно использовать нелинейные оптические свойства соответствующих материалов.
Оказывается, что полупроводниковый материал ZnGeP2 является многообещающим. Несмотря на большие технологические нагрузки в последние 20 лет имелся лишь ограниченный успех в отношении оптической прозрачности кристаллов ZnGeP5.
С помощью специального процесса изготовления и последующей обработки кристаллов в Томске удалось очень сильно уменьшить аномальную абсорбцию в области 2 мм, так чтобы стала возможной оптическая откачка.
Механизмы, которые сводятся к присутствию остаточных точечных дефектов, должны быть выяснены в дальнейшем ходе этого сотрудничества.
5. Перспективы
Желанием всех участников является продолжение успешного научного сотрудничества. Мы надеемся, что и в будущем для этого будут предпосылки. Центральным аспектом работ и далее могла бы быть группа нитридов III.
Однако и другие две области работ сотрудничества - ферроэлектрики и нелинейная оптика показывают, что и здесь существует большой потенциал для успешной совместной работы.
Как показали наши публикации, наши работы вызвали большой международный интерес. Учитывая этот аспект важно привлекать молодых талантливых ученых к этой области высоких технологий и дальше расширять обмен учеными, докторантами и студентами в рамках сотрудничества между техническим университетом Санкт-Петербурга и университетом Ганновера.
До сих пор в наших совместных проектах рассматривались, главным образом, основы в области техники управления производственным процессом В будущем мы должны будем поставить на передний план применение наших результатов, чтобы наряду с научными учитывать и экономические точки зрения.
Разработанное Know How должно использоваться, чтобы разрабатывать готовые для внедрения элементы Здесь необходимо усиленное сотрудничество с промышленностью. Не подлежит сомнению, что и с этой точки зрения прежнее научно- техническое сотрудничество также может быть и дальше очень успешным.
Литература