С.А. Санько, начальник 110 отдела: АО «НИИПП»

М.И. Воротников, инженер-конструктор 110 отдела: АО «НИИПП»

М.С. Майбах, инженер-конструктор 110 отдела: АО «НИИПП»

Т.С. Нараева, специалист по связям с общественностью: АО «НИИПП»

 

От идеи до кристалла, Российскому кристаллу быть!

Статья размещена в журнале «Современная Светотехника» № 6-2024

Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов с момента своего основания является предприятием полного цикла, от идеи до выпуска готовой продукции. Основной направленностью предприятия является разработка и производство полупроводниковых приборов на основе арсенида галлия, но в настоящее время активно ведутся разработки на основе карбида кремния и нитрида галлия.

Сегодня АО «НИИПП» выпускает довольно широкую номенклатуру полупроводниковых изделий, но полупроводниковые кристаллы были и остаются базовой тематикой разработчиков института. Более того, сейчас, когда вопрос о технологическом суверенитете нашей страны стоит так остро, – особенно важно обеспечивать отечественных производителей собственной полупроводниковой продукцией.

В связи с этим АО «НИИПП» приступило к реализации комплексного проекта «Разработка линейки кристаллов на основе нитрида галлия и светодиодов» с сентября 2022 года, в рамках которого проводят работы по разработке светоизлучающих кристаллов на основе нитрида галлия планарной и flip-chip конструкции. Достигнутые параметры макетов светоизлучающих кристаллов в ходе выполнения комплексного проекта приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Параметры макетов светоизлучающих кристаллов

Тип конструкции	Постоянный прямой ток Iпр, мА	Постоянное прямое напряжение Uпр, В	Мощность излучения Ре, мВт	Длина волны максимума излучения λmax, нм
Планарный	150	3,1 – 3,2 (2,6 – 3,1)*	140 (230 – 300)*	445-465
Flip-chip	350	3,4 – 3,7 (2,8 – 3,4)*	250 (630 – 730)*
Примечание: в скобках приведены параметры кристаллов согласно техническому заданию на комплексный проект

 

Проект получил финансирование от Минпромторга и сроки его реализации рассчитаны до 2026-го. Плановый срок окончания разработки кристаллов конец 2026 года, и с 2027 года планируется реализация разработанных кристаллов конечному потребителю.

По разработкам ранних лет НИИПП традиционно сотрудничает с отечественным производителем эпитаксиального материала МегаЭпитех, но в рамках реализации комплексного проекта требуется рост светодиодных структур методами газофазной эпитаксии на нитриде галлия, а предприятий обладающих данной технологией нет. Имеются контакты с институтом ФТИ им Иоффе в Санкт-Петербурге, и первые образцы кристаллов, значительно уступающие образцам изготовленных из импортных структур.

Для того, чтобы реализовать полное импортозамещение синих кристаллов требуются и соответствующий эпитаксиальный материал, и оборудование для обработки конечных структур. В настоящий момент НИИПП не имеет такого материала.

НИИПП открыто к сотрудничеству и готово объединить усилия для достижения импорт независимости в сфере светотехники с отечественными компаниями, способными включиться в проект и поставить нужное оборудование и материалы по заявленным характеристикам.

 

Технологический процесс изготовления кристалла планарной конструкции

Планарная конструкция кристаллов является самой распространенной из-за относительной простоты процесса производства. У кристаллов данной конструкции омические контакты к n- и p- слоям структуры расположены на поверхности, через которую выводится излучение, однако это приводит к отражению части сгенерированного излучения, активной областью, в приконтактных слоях.

Изготовление светоизлучающих кристаллов синего цвета осуществляется на основе эпитаксиальной структуры нитрида галлия, выращенной на сапфировой подложке. В результате роста эпитаксиальной структуры, верхним завершающим слоем является p-слой нитрида галлия. Таким образом, для того чтобы получить доступ к n-слою нитрида галлия, необходимо удалить все вышележащие слои, в частности, слой квантовых ям (рис. 1 а).

Для эпитаксиальных структур InGaN/GaN/сапфир, толщина p-слоя составляет (0,1÷0,2) мкм. Данный слой обладает высоким сопротивлением, что ухудшает растекание тока по структуре. Для решения данной проблемы используется слой ITO (оксид индий-олова), обладающий хорошей прозрачностью и низким удельным сопротивлением. Использование слоя ITO в качестве омического контакта к p-слою должно обеспечить однородное распределение тока по всей рабочей площади излучающего кристалла, что приведет к однородному распределению излучения, а также уменьшит пиковое значение локальных перегревов по площади и увеличит надежность разрабатываемых кристаллов (рис. 1 б). После этого проводится одновременное формирование омического контакта к n-слою и металлических на плёнке ITO, для равномерного распределения потенциала на кристалле (рис. 1 в). Далее проводится защита кристалла слоем диэлектрика и формируются контактные площадки для более удобного проведения процесса пайки в корпусе светодиода (рис. 1 г). После чего вокруг кристалла производится травление слоёв нитрида галлия до сапфира (рис. 1 д). Далее на обратную сторону кристалла наносится отражающий слой и производится резка пластины на кристаллы (рис. 1 д).

 

Рис. 1. Технологический маршрут изготовления кристалла планарной конструкции: а) слой квантовых ям; б) однородное распределение тока по всей рабочей площади излучающего кристалла; в) одновременное формирование омического контакта к n‑слою и металлических дорожек на пленке ITO; г) защита кристалла слоем диэлектрика и формирование контактных площадок; д) слоев нитрида галлия до сапфира; е) резка пластины на кристаллы

 

На рисунке 2 представлен внешний вид кристалла планарной конструкции размером 575×1025 мкм.

Рис. 2. Внешний вид кристалла планарной конструкции

Технологический процесс изготовления кристалла flip—chip конструкции

Основное отличие кристалла flip-chip конструкции от планарного, заключается в том, что при монтаже данный кристалл переворачивается, при этом улучшается отвод тепла от p-n перехода, а также излучение выводится через обратную сторону кристалла – прозрачную сапфировую подложку, что исключает отражения излучения в приконтактных областях, и, соответственно, увеличивает внешний квантовый выход.

Изготовление кристалла начинается с формирования мезы — травления верхних слоев нитрида галлия до n-слоя (рис. 3 а). Затем происходит формирование омического контакта к n-слою (рис. 3 б). Контакт к р-слою InGaN формируется сплошной, следовательно, контакт должен обладать отражающими свойствами. В качестве отражающего слоя используется слой никеля и серебра (рис. 3 в). Далее на поверхность кристалла наносится защитный слой диэлектрика, в котором вскрываются окна для доступа к контактам (рис. 3 г). После этого выполняется формирование контактных площадок (рис. 3 д) и резка платины на отдельные кристаллы (рис. 3 е).

Рис.3. Технологический маршрут изготовления кристалла flip‑chip: конструкции: а) травления верхних слоев нитрида галлия до n‑слоя; б) формирование омического контакта к n‑слою; в) формирование отражающего контакта к p‑слою на основе никеля и серебра;

г) защитный слой диэлектрика; д) формирование контактных площадок; е) травление до сапфира и резка пластины на отдельные кристаллы

 

На рисунке 4 показан внешний вид изготавливаемого кристалла flip-chip конструкции размером 1140×1140 мкм.

Рис.4 Внешний вид кристалла flip‑chip‑конструкции

Параметры изготавливаемых светоизлучающих кристалла приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры светоизлучающих кристаллов

Тип конструкции	Постоянный прямой ток Iпр, мА	Постоянное прямое напряжение Uпр, В	Мощность излучения Ре, мВт	Длина волны максимума излучения  λmax, нм
Планарный	150	3,1-3,2	140	445-465
Flip-chip	350	3,4-3,7	250

 

Справка:

Акционерное общество «Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов» (АО «НИИПП») — одно из ведущих предприятий госкорпорации «Ростех», обладающее самым современным оборудованием. НИИПП основан в Томске в 1964 году, а в 1967-м на его базе заработал завод по серийному выпуску полупроводниковых приборов. В институте налажен полный цикл от разработки до выпуска готовых изделий. Предприятие производит продукцию для ВПК и радиоэлектронную продукцию гражданского назначения: оптоэлектронику и светотехнику (светодиоды ИК и видимого диапазона длин волн, полупроводниковые лампы и светотехнические устройства, светодиодные светильники, речную светотехнику, светосигнальные приборы и т.д.);дискретные полупроводниковые приборы; монолитные и гибридные интегральные схемы; изделия СВЧ электроники; медицинскую технику; промышленную электронику.

С полным перечнем продукции и услугами предприятия можно ознакомиться на сайте АО «НИИПП» www.niipp.ru