Юрий Шретер, д.ф-м.н., профессор, главный научный сотрудник, ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, Генеральный директор, АО «ТРИНИТРИ»

Владислав Вороненков, к.ф-м.н., научный сотрудник, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, заместитель Генерального директора, АО «ТРИНИТРИ»

 

Для корреспонденций: E-mail: y.shreter@trinitri.ru

 

Новая революция в твердотельной электронике началась с разработки и демонстрации С. Накамурой первых голубых светодиодов и лазеров на нитриде галлия GaN в 1994 г.
В первые же 10 лет в мире было запущено более 500 заводов по производству светодиодов и светильников на их основе — создана новая отрасль светотехнической промышленности ‒ твердотельное освещение (Solid State Lighting, SSL).

В последующие пять лет на основе технологии выращивания слоев нитрида галлия, разработанной Исаму Акасаки (Isamu Akasaki), Хироси Амано (Hiroshi Amano) и Сюдзи Накамурой (Shuji Nakamura), успешно развиваются мощная СВЧ- и силовая электроника, оптоэлектроника с выходом на терагерцовый и ультрафиолетовый диапазоны спектра электромагнитных волн. Признанием исключительной важности новой технологической революции стало присуждение Нобелевской премии по физике 2014 г. японским исследователям И. Акасаки, Х. Амано и С. Накамуре.

 

В ближайшем будущем ожидается прорыв нитридо-галлиевой технологии в область цифровой техники, который определяется постепенной заменой кремниевых подложек (Si) на подложки нитрида галлия (GaN). Сначала эти изменения произойдут в изготовлении логических элементов для ЦАП, АЦП и интегральных схем (ИС), а затем коснутся и процессоров для компьютеров. Такая замена приведет к возможности перехода на более плотную упаковку ИС (5-нм технология) и увеличению быстродействия компьютеров в 1000 раз. Причина столь бурного развития нитридной электроники в уникальных свойствах нитрида галлия (GaN) — высоких пробивных напряжениях, хорошей теплопроводности и большой вероятности спонтанного излучения, что позволяет легко интегрировать оптические устройства (лазеры типа VCSEL) с электрическими, например, с мощными СВЧ-транзисторами для накачки VCSELs. 

В статье показано, что высококачественные подложки нитрида галлия будут играть ключевую роль не только при переходе на новые мобильные радары с дальностью до 600 км и новые терагерцовые цифровые схемы и компьютеры, но и уже определяют стратегию развития светодиодного и лазерного освещения.

 

Светодиодное освещение

В последние годы светодиодное освещение получило широкое распространение во многих регионах, особенно с жарким климатом. Например, в США за период 2012‒2014 гг. продажи светодиодных ламп увеличились в шесть раз ‒ с 13 до 78 млн. шт.  Следует заметить, что в районах с жарким климатом население получает двойную прибыль, как за счет экономии на освещении, так и из-за снижения мощности кондиционеров и холодильников. Именно поэтому светодиодное освещение активно внедряется в южных странах.
Для северных районов РФ было бы целесообразно, прежде всего, разработать твердотельные лампы со спектром, близким к спектру солнца, что позволит сохранить здоровье людей, работающих в условиях полярной ночи. Стоимость таких светильников будет выше обычных, но здоровье дороже!  

Однако в то же время произошло падение цены светодиодов, и многие компании, теряя прибыли, ищут на светодиодном рынке новые ниши, к которым относятся сегменты младшего (Low End) и старшего уровней и (High End).

Особенно перспективен сегмент недорогих светодиодов, используемых в т.н. филаментных лампах. Эти источники света можно изготавливать на основе дешевых подложек и далее переносить на дешевые ленты (филаменты) по 28 шт. Обычно используют четыре ленты в лампе, что практически устраняет проблему с драйвером ‒ лампу можно питать от сети с помощью простого выпрямителя.

Другое перспективное направление ‒ светодиоды премиум-класса на дорогих подложках SiC (компания Cree) и GaN (компания Soraa).

Рис. 1. Зависимость нормализованной эффективности светодиодов, изготовленных
 на различных подложках, от рабочего тока (т.н. droop effect).

Источник: Bulk GaN Substrate Market 2017, Yole Development

 

По вертикали: Нормализованная эффективность светодиодов, %

По горизонтали: Плотность тока, А/см²

Sapphire/SiC LED Operating Regime – Рабочий режим светодиодов на сапфировой или SiC-подложках

Conventional LEDs ‒ Стандартные светодиоды

GaN on GaN LEDs – Светодиоды GaN-на-GaN

Sapphire/SiC Unreliable Operation – Область нестабильного режима светодиодов на сапфировой или SiC-подложках

 

На рисунке 1 иллюстрируется слабая зависимость эффективности светодиодов со структурами GaInN на GaN-подложках, а также технология GaN-на-GaN от увеличения рабочего тока. Такие светодиоды позволяют использовать в 100 раз меньшую площадь кристалла, создавая тот же световой поток. Например, светодиод GaN-on-GaN с площадью 0,3×0,3 мм² и стандартный светодиод площадью 0,3×0,3 мм² генерируют одинаковые световые потоки.

Существует только «одна» причина значительного падения эффективности светодиодов с током ‒ плохая конструкция, т.е. неправильный выбор подложки, примеси и структурные дефекты в самих структурах, недостатки в дизайне структур и конструировании диода, в т.ч. оптимизация вывода света, выбор люминофора и его размещение.

Начнем с правильного выбора подложки ‒ это, безусловно должен быть  GaN, чтобы обеспечить гомоэпитаксию активных слоев и низкую плотность дислокаций в приборных структурах. Но подложки GaN очень дороги ‒ 2-дюймовая подложка для светодиодов стоит 2000 долл. и 5000 долл. для лазеров (плотность дислокаций меньше 10000 на см²).

 

Подложки из нитрида галлия

Одной из главных проблем в производстве приборов на основе структур GaN является низкое качество приборных слоев, вызванное использованием чужеродных подложек, таких как карбид кремния (SiC), сапфир (Al₂O₃) и кремний (Si). Существенное рассогласование кристаллических решеток подложки и эпитаксиального слоя приводит к возникновению в активных слоях приборной структуры дислокаций, плотность которых достигает 10⁶‒10⁸ см^-2.
 Это приводит к ухудшению параметров эпитаксиальных слоев:

— дислокации провоцируют возникновение макродефектов и неоднородностей состава квантово-размерных слоев;

— уменьшается теплопроводность, что затрудняет отвод тепла от активной структуры;

— уменьшается подвижность носителей в т.ч. в HEMT-структурах;

— увеличиваются токи утечки барьеров Шоттки и p-n-переходов;

— компенсированных полуизолирующих слоев;

— уменьшается напряжение пробоя;

— ускоряется деградация приборных структур.

Помимо высокой плотности дислокаций в приборных структурах использование чужеродных подложек приводит к изгибу и растрескиванию пластин вследствие разницы в температурных коэффициентах расширения материалов эпитаксиального слоя и материала подложки. Кроме того, наиболее распространенные чужеродные подложки сапфира и кремния обладают существенно худшей теплопроводностью по сравнению с GaN. При использовании чужеродных подложек с высокой теплопроводностью (SiC и алмаз) отвод тепла ограничивается дефектным интерфейсным слоем между подложкой и приборной структурой. Выращивание приборной структуры на чужеродной подложке сложный и ресурсоемкий процесс, включающий нанесение буферных слоев, а также дислокационные фильтры-сверхрешетки, латеральное эпитаксиальное разращивание и т.д.

Использование подложки из объемного бездефектного кристалла GaN позволяет решить все перечисленные выше проблемы:

— плотность дислокаций в эпитаксиальном слое на подложке GaN не превышает плотностдислокаций в подложке;

— отсутствуют проблемы, связанные с изгибом, растрескиванием и вызванные несоответствием

коэффициентов теплового расширения;

-теплопроводность подложки GaN сравнима с теплопроводностью карбида кремния, при этом отсутствует интерфейсный слой между эпитаксиальным слоем и подложкой, затрудняющий отвод тепла;

— упрощается процесс эпитаксии приборной структуры.

В целом, это позволяет создавать структуры устройств, которые превосходят по своим параметрам приборы, выращенные на чужеродных подложках.

Подложки из объемного GaN пока не вытеснили с рынка чужеродные подложки, главным образом, из-за высокой стоимости, обусловленной сложностью выращивания объемных кристаллов нитрида галлия. Типичное для технологии объемных кристаллов выращивание из расплава практически неосуществимо для GaN из-за крайне высокого давления в точке плавления.

Основные промышленные методы получения объемного GaN: хлорид-гидридная газофазная эпитаксия HVPE (Sumitomo Electric, Mitsubishi Chemical, Nanowin, Saint-Gobain), аммонотермальный метод (Ammono), а также из раствора (Na-Ga-N, Na Flux LPE, Toyoda Gosei).

Объем рынка подложек GaN стремительно растет – согласно оценкам Yole Development и IndustryARC, к 2020 г. он превысит 1 млрд долл. Следует заметить, что большинство выпускаемых подложек не попадает на свободный рынок, а используется компаниями-производителями для создания конечных устройств. Кроме того, в отношении GaN-подложек действуют строгие экспортные ограничения, запрещающие поставки в Россию качественных подложек из нитрида галлия.

Существенно снизить себестоимость можно, если перейти от использования объемных кристаллов в качестве подложек к тонким GaN-пленкам, изготовленным из объемных кристаллов и сохраняющих их кристаллическую структуру. Такой подход был реализован совместно компаниями Soitес и Sumitomo Electric.

В основе технологии находится известный метод отделения тонких приповерхностных слоев кристалла путем облучения быстрыми протонами – SmartCut. Толщина отделяемого слоя определяется глубиной проникновения протонов в процессе облучения и составляет около 0,5 мкм; плотность дислокаций не превышает плотности дислокаций в подложке, однако в процессе облучения появляется большое количество точечных дефектов. Тонкая пленка GaN, отделенная от объемного кристалла, переносится на особую подложку и используется для выращивания на ней приборных структур, а объемный кристалл после переполировки применяется для отделения очередной тонкой пленки (см. рисунок 2). Таким образом, из одного объемного кристалла изготавливается значительное количество подложек.Авторами настоящей работы был предложен метод отделения тонкой пленки от объемного кристалла GaN с помощью лазера и основанная на этом методе технология клонирования подложек. Все составляющие технологии были испытаны, в процессе чего были изготовлены работоспособные приборы.

Рис. 2. Отделение поверхностного слоя подложки GaN методом Smart Cut. Совместная разработка Soitec и Sumitomo Electric

 

 

Поскольку подложки GaN необходимы и для лазерного освещения, рассмотрим предложенный нами бесподложечный метод выращивания активных структур с использованием лазерного слайсинга и клонирования подложки.

Схема предлагаемого технологического процесса представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Бесподложечная технология «Тринитри»: клонирование подложек и слайсинг.

Патенты РФ 2469433, 2546858

 

Основными отличиями предложенного нами процесса от SmartCut являются: диапазон возможных отделяемых толщин, регулируемый в диапазоне от 2 мкм до единиц мм, а также возможность отделять тонкие слои с уже выращенной эпитаксиальной приборной структурой. Это возможно благодаря тому, что лазерный пучок, в отличие от пучка протонов, не вносит повреждений в структуру кристалла. Кроме того, метод позволяет отделять от подложки приборную структуру с нанесенными металлическими контактами и пассивирующими диэлектрическими слоями. Для этого используется конфигурация облучения лазером с тыльной стороны подложки.

Компания «Тринитри» запатентовала технологии лазерного отделения (Laser Stealth Slicing, LSS) и многократного использования GaN подложек – технологию клонирования (Cloning Technology, CT). Эти технологии позволяют изготавливать композитные подложки в виде тонких пленок (~3–50 мкм), перенесенных на теплоотводящую ленту, например из поликристаллического AlN. Такие подложки совмещают кристаллическое совершенство исходной материнской подложки с высокой теплопроводностью AlN, что позволяет повысить мощность GaN-приборов и удешевить процесс их производства.

В дальнейшем технология может быть использована для изготовления специализированных композитных подложек с уже имеющейся эпитаксиальной структурой: например, со структурой светодиода, лазера, HEMT-транзистора или любого другого прибора.

Предлагаемые технологии успешно продемонстрированы компанией «Тринитри» на примере светодиодной структуры и их уровень соответствует мировым требованиям.

 

Лазерное освещение на основе GaN—on—GaNтехнологии

Лазерное освещение было предложено сразу же после изобретения лазеров, но практическая реализация этой идеи стала возможна только к настоящему времени. Лазеры можно активно использовать не только в общем освещении, но и для подключения к интернету, совмещая их с освещением помещений. Эта технология получила название LiFi, когда вместо радиоволн для связи с Wi-Fi-маршрутизатором стал применяться лазерный свет (LiFi). Благодаря высокой частоте света имеется возможность одновременно подключать до тысячи пользователей, т.е. использовать LiFi в общественных местах, поездах, вокзалах, метро и т.д. Интересное применение — лазерные радары — лидары в автомобилях и связь между автомобилями/водителями в процессе движения. Лазеры уже нашли применение в проекторах, пикопроекторах в смартфонах и дисплеях большой площади. Огромный рынок открывается и в сегменте автомобильной промышленности.

Рис. 4. Использование лазеров в освещении: а) смешение лазерных лучей; б) активация люминофора лазером

 

Лазерное освещение имеет следующий ряд преимуществ по сравнению со светодиодным:

— малое падение эффективности (droop effect) лазерных диодов с увеличением тока;

-высокая выходная мощность и яркость;

— высокое оптическое усиление;

— высокое дифференциальное усиление, что позволяет реализовать LiFi и обеспечить частоту модуляции более 5 ГГц.

В лазерном освещении применяются два основных подхода ‒ смешение лучей трех или большего числа лазеров, если требуется обеспечить спектр, близкий к солнечному, или использование люминофоров, которые активируются лазером (см. рисунок 4). В обоих случаях когерентность лазерного пучка света нарушается специальным рассеятелем или люминофором.

Подобную конструкцию запатентовали С.Накамура с сотрудниками.

Рис. 5. а) конструкция лампы с лазерным филаментом ‒ набором дисковых лазеров, собранных в стопку; б) стеклянная трубка с люминофором. Патент компании «Тринитри»

 

 

Нами предложена конструкция лампы для обычного освещения с лазерным филаментом ‒ набором дисковых лазеров, собранных в стопку (см. рисунок 5). Недостаток этих лазеров для обычных целей состоит в том, что их излучение распространяется во всех направлениях в плоскости диска. Однако в рассматриваемом случае этот факт является преимуществом — лазерный свет равномерно возбуждает люминофор. Для этого, один или несколько лазеров помещаются в прозрачную трубку, покрытую изнутри люминофором. Длина волны, на которой работает лазер, подбирается для оптимального возбуждения люминофора со спектром, близким к спектру солнца. Детальная конструкция этого лазера для обычного освещения находится в стадии разработки.

Для освещения стадионов, скоростных шоссе и уличного освещения требуются источники света мощностью более 1 кВт. Для этих целей мы предлагаем использовать дисковые лазеры с накачкой светодиодами, работающими в режиме с максимальным КПД. Конструкция такого лазерного светильника находится в стадии патентования. Организации, заинтересованные в производстве лазерных светильников, приглашаются к сотрудничеству.

 

Заключение.

 

 

Предлагаемая технология позволяет создавать сверхъяркие и эффективные источники света на основе GaN-on-GaN лазеров и твердотельных люминофоров. Прожекторы, автомобильные фары, уличные светильники — вот неполный список областей применений таких лазерных источников света. Нет сомнения, что лазерное освещение имеет блестящее будущее.