Гибридные сид на основе InGaN

В рассматриваемом случае в качестве источника возбуждения в приборе используются кристаллы СИД на основе квантово-размерных структур InGaN. Конструкция прибора содержит несколько основных элементов: рамочное основание с выводами и рефлектором, кристалл СИД, органический люминофор и внешнюю корпусную линзу.

Для изготовления гибридного СИД небольшое количество органического материала растворяется в эпоксидной смоле и помещается в рефлектор основания вместе с кристаллом СИД. Для реализации собственной фотолюминесценции зеленого цвета могут использоваться ароматические амины с высокой эффективностью ФЛ. Типичным примером такого вещества является 4-диметиламинохалкон (DMAС) с полосой поглощения при λ= 450 нм и фотолюминесценцией в зеленой области спектра (λ= 510 нм). Для реализации широкополосного излучения в красно-оранжевой области спектра может использоваться такой материал, как красный нильский (NR) с полосой поглощения при λ= 500 нм и полосой фотолюминесценции вблизи 600 нм.

Рис.3.2 Спектры электролюминесценции гибридных приборов с различными вариантами люминофорных покрытий

 

На рис.3.2 представлены спектры излучения гибридных приборов с люминофорами, содержащими различное количество DMAC. Спектр ЭЛ прибора, не содержащего люминофор (кривая 1) имеет вид, обычный для InGaN - СИД синего цвета свечения. Введение небольшого количества DMAC в люминофорное покрытие приводит к существенной трансформации спектра ЭЛ (кривая 2), обусловленной наложением собственного излучения кристалла InGaN и фотолюминесценции люминофорного покрытия. В рассматриваемом случае интегральное излучение с цветовыми координатами (0,197; 0,420) визуально воспринимается как сине-зеленое свечение. При использовании большой концентрации DMAC наблюдается общий сдвиг спектра интегральной люминесценции в длинноволновую область (кривая 3). В этом случае излучение с цветовыми координатами (0,400; 0,590) визуально воспринимается как желто-зеленое свечение.В конструкции прибора может использоваться также и двухслойное люминофорное покрытие. В гибридных СИД с двухслойным покрытием красный люминофор поглощает зеленое излучение ароматического амина и частично синее излучение кристалла СИД и преобразует его в оранжево-красное излучение. В том случае, когда люминофорный слой на основе DMAC покрывает кристалл InGaN, а слой с NR покрывает DMAC, спектр электролюминесценции с цветовыми координатами (0,268; 0,357) содержит доминирующую сине-зеленую и более слабую оранжево-красную компоненты (кривая 4). Использование обращенной геометрии люминофорных слоев приводит (кривая 5) к доминированию оранжево-красной компоненты люминесценции с цветовыми координатами (0,580; 0,435), которая визуально воспринимается как практически белое свечение с желтовато-зеленоватым оттенком.

Гибридные сид на основе GaN

Интересные возможности для создания гибридных СИД предоставляет использование в качестве источника первичного излучения кристаллов GaN. Типичные спектры электролюминесценции исходного кристалла GaN (рис. 3.3) содержат краевую компоненту в УФ-области спектра (λ= 367 нм) и широкую синюю полосу излучения (λ= 420 нм), обусловленную излучательными переходами с участием примеси Zn. Из приведенного рисунка видно, что по мере увеличения тока возбуждения происходит заметная трансформация спектров электролюминесценции: в то время, как при малых токах в спектрах доминирует синяя примесная компонента, при больших токах начинает доминировать краевое излучение. Более наглядно это видно из рис.3.4, на котором представлены зависимости интенсивностей краевой УФ-компоненты и синей примесной полосы излучения.Из представленного рисунка видно, что УФ-полоса излучения, обусловленная суперпозицией межзонной рекомбинации электронно-дырочных пар и экситонной излучательной рекомбинации характеризуется суперлинейной зависимостью интенсивности от уровня возбуждения. В то же время синяя примесная полоса имеет сублинейный характер зависимости интенсивности от возбуждающего тока. Спектры электролюминесценции гибридных СИД с использованием люминофоров на основе РТА иллюстрируются рис.3.3.

Приведенные спектры электролюминесценции содержат как синюю компоненту (λ= 470 нм), связанную с фотолюминесценцией РТА, так и часть синего излучения кристалла GaN, при этом краевое излучение GaN практически полностью поглощается РТА и не проявляется в спектрах электролюминесценции. При больших токах возбуждения полоса излучения λ=420 нм аналогично той же полосе в приборах без люминофора насыщается, в то время как полоса с λ = 470 нм не насыщается. Такое поведение спектров двухполосной электролюминесценции в гибридных СИД вызвано тем, что полоса с максимумом при А = 470 нм обусловлена собственной фотолюминесценцией в GaN, возбуждаемой УФ-компонентой излучения, генерируемого кристаллом GaN

Рис.3.3 Спектры электролюминесценции СИД на основе GaN при различных токах

Рис.3.4 Относительные зависимости интенсивности краевой УФ-компоненты и синей примесной полосы излучения от прямого тока

Рис.3.5 Спектры электролюминесценции гибридных СИД при различных токах возбуждения.

Задание 6. Анализ перспективных структур на основе кремния и углерода

Элементарные полупроводники, с которых, собственно говоря, и началась современная история полупроводниковой микроэлектроники, до сих пор обладают большим потенциалом саморазвития. Кремний был и остается основным материалом микроэлектроники. В определенном смысле это «вечный» и одновременно постоянно совершенствующийся полупроводниковый материал, что связано с уникальным сочетанием его свойств, а также высоким уровнем технологии синтеза как самого материала, так и приборов на его основе. Именно кремнию, в конечном итоге, мы обязаны вычислительному изобилию наших дней. Все сказанное относится и к оптоэлектронным применениям кремния за рядом исключений, одним (но очень существенным) из которых является малая эффективность собственной излучательной рекомбинации в этом материале, что связано с непрямым характером его зонной структуры и что вплоть до настоящего времени сохраняет остроту проблемы эффективных излучателей на основе кремния. Эта проблема наряду с задачами разработки специализированных интегральных схем с улучшенными характеристиками скорости обработки информации и повышенной устойчивостью к воздействию дестабилизирующих факторов явилась стимулом для дальнейшего развития кремниевой технологии и поиска новых структур на основе кремния, а именно: структур кремния на сапфире (КНС), кремния на изоляторе (КНИ) и квантово-размерных структур на основе кремния.

Структуры на основе кремния на сапфире (КНС)

Технология структур КНС была предложена в 1960 году компанией Rockwell исключительно с целью создания материала, обеспечивающего высокое быстродействие и малую мощность потребления ИС на основе комплиментарных структур металл / окисел / полупроводник (отсюда и часто встречающаяся аббревиатура КМОП). Первоначальная технология характеризовалась достаточно высокой дефектностью структур, что и неудивительно, так как в данном случае мы имеем дело с проблемой гетероэпитаксии структур с рассогласованием постоянных решетки синтезируемых слоев и подложки (в данном случае с сапфиром Al₂O₃). В последнее время фирмой Peregrine Semiconductor разработана технология структур ультратонкого кремния на сапфире (UTSi), уменьшающая плотность дислокаций несоответствия. В основе технологии лежит проведение процесса синтеза в две стадии. Схема процесса, в основных чертах, имеет следующий вид. На первой стадии проводится имплантация кремния в нарушенный слой. Это приводит к тому, что его нижние две трети становятся аморфными. На второй стадии проводится отжиг и оксидирование. В результате происходящей рекристаллизации происходит резкое уменьшение плотности дефектов, после чего проводится высокочастотное удаление окисла. С точки зрения использования в ИС преимущества КМОП - технологии на основе КНС - таковы:

• уменьшение паразитных емкостей из-за использования изолирующей подложки, что обеспечивает увеличение быстродействия и уменьшение искажений;

• улучшение характеристик линейности, возможность использования меньших напряжений;

• высокий уровень развязки и уменьшение уровня помех благодаря изолирующим свойствам подложки.

Основные достоинства по сравнению с ИС, изготовляемым с использованием альтернативных технологий:

• В случае ВЧ цифроаналоговых применений приборы на основе КНС обеспечивают большую величину максимальной частоты F_max по сравнению с F_t (предельная частота усиления по току).

В приборах на основе объемного кремния F_max примерно равно F_t в то время, как в ИС на основе КНС F_max примерно втрое выше, чем F_t.

Это обеспечивает большую гибкость конструирования ИС с учетом имеющихся технологических возможностей. Оценки показывают, что технология КМОП КНС с разрешением 0,5 мкм способна обеспечить достижение F_max = 50 ГГц, что превышает аналогичный параметр для приборов, получаемых по КМОП -технологии на объемном кремнии с разрешением 0,13 мкм.

Благодаря изолирующим свойствам подложки возможна интеграция высокодобротных пассивных элементов (емкостей и индуктивностей). В частности, индуктивности, сформированные с использованием металлических покрытий на КНС и имеющие добротность Q= 50, функционируют на частоте до 5 ГГц, в то время как добротность индуктивностей, сформированных по КМОП -технологии на объемном кремнии, составляет 10. Это позволяет создавать с использованием КНС-технологии высококачественные настраиваемые элементы и резонансные контуры.

В связи с тем, что основой ИС КНС являются полевые КМОП -транзисторы, эти устройства обладают меньшим уровнем синфазного шума по сравнению со схемами на биполярных транзисторах.

И наконец, следует отметить высокую устойчивость ИС на основе КМОП КНС к воздействию дестабилизирующих факторов, что делает возможным их использование в наиболее неблагоприятных условиях.

Рис.4.1 Спектральная зависимость коэффициента пропускания КНС — структуры с толщиной слоя кремния 0,6 мкм

Структуры КНС обладают достаточно большой прозрачностью в спектральном диапазоне от синей до ИК-области спектра. Типичный спектр пропускания структуры КНС представлен на рис.4.1.

Спектральная зависимость Т (λ) имеет явно выраженный осциллирующий характер, обусловленный проявлением интерференционных эффектов, при этом заметным является плавное уменьшение как среднего значения пропускания, так и амплитуды осцилляции, что обусловлено плавным возрастанием коэффициента поглощения, свойственным для непрямозонных полупроводников, по мере уменьшения длины волны. Интересной особенностью КНС-структур является проявление фотолюминесценции в видимой области спектра при их возбуждении УФ-излучением (рис. 4.2). В рассматриваемом случае спектр содержит широкополосный пьедестал, захватывающий сине- зеленую и красную области спектра, на котором выделяются очень резкие (шириной Δ = 0,5 нм) линии в красной области спектра. Обращает на себя внимание модулированный характер широкополосного пьедестала, что также может быть связано с проявлением интерференционных эффектов аналогично тому, как это имеет место в случае спектров пропускания. Возможные оптоэлектронные применения КНС-структур ориентированы, в основном, на фотоэлектронику. С учетом достижении в области разработки ИС на основе КМОП КНС особый интерес представляют фотоэлектрические приборы, совместимые с технологией КМОП КНС. В связи с малой толщиной слоя кремния и изолирующим характером сапфировой подложки при конструировании ФД на основе КНС используется встречно штыревая конфигурация контактов, расположенных на поверхности слоя кремния, при этом области п- и р-типа проводимости формируются с использованием ионной имплантации. Сравнение спектральных характеристик ФД на основе структур КНС и объемного кремния иллюстрируется рисунком 4.2.

Рис.4.2 Спектр фотолюминесценции КНС-структуры при ее возбуждении УФ-из-лучением.

Рис.4.3 Спектры фоточувствительности ФД на основе структур КНС с толщиной слоя кремния 0,1 (кривая 4) и 0,6 мкм (кривая 3), а также 2 типов ФД на основе объёмного кремния (кривые 1,2).

Обращает на себя внимание тот факт, что спектральные характеристики КНС-ФД смещены в коротковолновую область спектра, при этом варьированием толщины слоя кремния можно добиться существенного увеличения чувствительности в УФ-области спектра. Модулированный характер спектральных характеристик в рассматриваемом случае также может быть приписан проявлению интерференционных эффектов. Максимальная фоточувствительность этих приборов в синей области спектра составляет 0,1—0,15 А/Вт. В связи с проблемой создания высокочувствительных сенсоров особый интерес представляют полевые фототранзисторы (ФТ) по технологии КМОП КНС. Как и другие типы фотоприемников полевые фототранзисторы характеризуются установившейся системой параметров, включая интегральную и спектральную фоточувствительность, шумовые, временные и эксплуатационные характеристики. Как зачастую бывает в решениях задач об оптимизации, выбор оптимальной совокупности параметров носит компромиссный характер: достижение оптимального значения одного из параметров получается за счет некоторого ухудшения других параметров. В связи с этим представляется целесообразным «вычленить» из всей системы параметров лишь основные, наиболее волнующие разработчиков оптико-электронной аппаратуры, и установить их взаимосвязь. В связи с этим, можно выделить в первую очередь, следующие параметры полевых ФТ:

• энергетическую характеристику прибора S, а именно, зависимость фототока от мощности падающего на фоточувствительную поверхность излучения для заданного спектрального интервала (А/Вт);

• темновой ток I_D определяющий обнаружительную способность фотоприемника;

• приращение тока стока ∆I_В

Структуры кремния на изоляторе (КНИ)

Исторически так сложилось, что под аббревиатурой КНИ понимаются структуры с активными слоями кремния на поверхности Si0₂ или более сложные структуры, включающие сочетание Si/SiO. К настоящему времени разработан целый ряд альтернативных технологических вариантов получения структур КНИ. К их числу относится т.н. метод SIMOX, когда в монокристалле кремния формируется слой Si0₂ в результате имплантации ионов 0₂ с большой дозой, метод BESOI, основанный на электрохимическом (или химическом) утоньшении пластин n-Si0₂ с заданным заранее на определенной глубине стоп-слоем, например на основе p-Si, метод ELTRAN, основанный на формировании монокристаллического слоя на пористом кремнии, метод формирования КНИ с использованием лазерной рекристаллизации. Существенным для всех методов является формирование тонких слоев кремния на изолирующем слое Si0₂, что во многом определяет функциональные характеристики этих структур, которые в микроэлектронных применениях во многом аналогичны тем характеристикам, которые свойственны КНС-структурам. Подобно тому, как на основе КНС разработаны ФД, чувствительные в коротковолновой области спектра, аналогичные приборы, чувствительные в синей и УФ-области спектра могут быть разработаны и на основе КНИ. Особый интерес представляют высокочувствительные фотоприемники на основе полевых ФТ, которые исторически первыми были разработаны на основе КНИ. В рассматриваемом случае ПТ на основе МОП-структуры содержит полупроводниковый слой на изолирующей (кварцевой) подложке со сформированными на нем областями стока, истока и канала. В рассматриваемом случае р-n-переход располагается в канале, при этом его плоскость параллельна подложке. Области n⁺-типа проводимости образуют омические контакты с областью n-типа проводимости, расположенной непосредственно под подзатворным диэлектриком. В условиях режима обеднения электропроводность осуществляется за счет переноса электронов через скрытый канал, задаваемый сверху слоем обеднения, контролируемый напряжением затвора, а снизу - обедненным слоем p-n-пеоехода. В рассматриваемом случае на кварцевых подложках были изготовлены как ПТ с встроенным каналом (с обеднением), так и с индуцированным каналом (с обогащением). При этом кремниевые слои толщиной 0,5 мкм формировались рекристаллизацией с использованием сканирующего С0₂-лазера. Область канала ПТ с встроенным каналом формировалась ионной имплантацией через подзатворный окисел толщиной 130 нм, что обеспечивало концентрацию акцепторов N_A ~10¹⁷ см^-3 в нижней половине кремниевого слоя и концентрацию доноров N_D = 10¹⁷ см³ в его верхней половине. ПТ с индуцированным каналом в нижней части были легированы аналогичным образом в то время, как в верхней части концентрация акцепторов составляла 2 1016 см^-3. Полупрозрачный электрод затвора формируется слоем поликремния толщиной 0,35 мкм. При формировании областей стока, истока, затвора используется имплантация донорной примеси с концентрацией N_D ~ 10²¹ см-3.

Типичные зависимости тока стока от напряжения на затворе для двух типов транзисторов в темновых условиях и условиях засветки иллюстрируются рисунком 4.3. Зависимости фоточувствительности двух типов приборов, полученные с использованием данных рисунка 4.3, представлены на рис. 4.4. В случае ПТ с встроенным каналом фоточувствительность плавно увеличивается от 300 до 1000 А/Вт при изменении VG в то время, как в случае ПТ с индуцированным каналом она резко возрастает от значения > 0,1 А/Вт до 1000 А/Вт. В то же время очевидно, что с практической точки зрения режим большой фоточувствительности выше порога мало пригоден, так как он сопровождается большим уровнем темнового тока.

Рис.4.4 Зависимости тока стока от напряжения затвора в темновых условиях и условиях засветки для ПТ с встроенным (а) и индуцированным (б) каналом.

Рис.4.5 Зависимости фоточувствительности двух типов полевых ФТ от напряжения на затворе.

Рис.4.6 Спектральные зависимости фоточувствительности полевых ПТ в режиме освещения с фронтальной стороны и через подложку.

Задание 7. Анализ проблемы формирования структур интегральной оптоэлектроники

Логика развитая оптоэлектроники (как впрочем и микроэлектроники в целом) диктует необходимость создания «интеллектуальных» приборов (smart devices), способных осуществлять не только функции оптоэлектронного преобразования, но и обработки информации.

Это, в свою очередь, вызывает необходимость разработки структур интегральной оптоэлектроники. Одним из примеров таких структур являются структуры пространственных модуляторов света, схематично рассмотренных в предыдущем разделе.

Одновременно с этим потребности дальнейшего развития информационных систем требуют интегральных структур, способных осуществлять разнообразные функции оптоэлектронного преобразования, включая эффективную генерацию излучения (при этом желательно лазерного) при одновременном обеспечении необходимых требований по обеспечению малого энергопотребления, высокой надежности, высокого быстродействия и ресурса.

Такие структуры интегральной оптоэлектроники могут иметь многоярусную конструкцию, содержащую «схемотехнические» ярусы и ярусы оптоэлектронного преобразования.

В связи с этим на первый план выдвигается проблема адекватного выбора подложки, имеющая материаловедческие, технологические, схемотехнические и физические аспекты.

В связи с этим следует отметить, что кремний как доминирующий материал для разработки ИС сохранит свое значение как основной среды для реализации функций «схемотехнического» яруса.

Косвенным свидетельством этого является то, что не прекращаются (и не прекратятся в ближайшем будущем) попытки разработать технологию, обеспечивающую возможность неразрушающего синтеза «оптоэлектронного яруса» (это и технология трансплантации и технология прямого наращивания лазерных структур на кремнии). В связи с этим гетероэпитаксия достаточно совершенных приборных структур при достаточно большом рассогласовании постоянных решетки между структурой и подложкой рассматривается как одна из центральных материаловедческих и технологических проблем XXI века.

Вместе с тем уже в настоящее время имеются положительные примеры решения указанной проблемы. Во-первых, это технология кремния на сапфире, обеспечивающая получение КНС-структур для ИС. Во-вторых, это технология гетероструктур на основе широкозонных нитридов А₃В₅ для высокоэффективных светоизлучающих диодов коротковолнового диапазона спектра.

В обоих случаях в качестве подложки используется сапфир, что позволяет рассматривать его как один из наиболее перспективных материалов подложки для интегральной оптоэлектроники. Наряду с отличными изолирующими свойствами сапфир обладает и прекрасными оптическими характеристиками. Он практически прозрачен в диапазоне от УФ до ИК-области спектра (рис. 5.1).

Рис.5.1 Спектральные зависимости коэффициента поглощения сапфира для двух направлений поляризации.

Слабое селективное поглощение в видимой области спектра, обусловленное ионами Сr, может быть использовано в технологии лазерного разделения структур на кристаллы, что является серьезной проблемой при использовании традиционных механических методов обработки.

Сапфир - лазерный материал с эффективной излучательной рекомбинацией. Поэтому его использование в качестве подложке привносит свои особенности в характеристики структуры в целом, которая в этом случае должна рассматриваться как сложная оптическая система, в которой каждая область (включая подложку) способна давать вклад в интегральные оптические характеристики. Проведенные исследования структуры GaN/AlN/Al₂0| иллюстрируют этот факт (рис.5.2)

Рис.5.2 Спектры катодолюминесценции (КЛ) при комнатной температуре структур нитрида галлия на сапфире с толщиной слоя GaN 1 мкм (кривая 1) и 0,15 мкм (кривые 2-4) при энергии электронов Ев = 5 кэВ (кривые 1, 2) и 40 кэВ (кривые 3, 4). На вставке спектр КЛ сапфира в различных спектральных диапазонах.

Существенным является тот факт, что с металлургической точки зрения исследованные структуры представляют собой сложную систему, содержащую сапфировую подложку, буферный слой AlN, переходную и основную области GaN, при этом каждая область такой системы характеризуется различной степенью механической напряженности и дефектности, включая различную концентрацию структурных дефектов.

Указанные структуры представляют собой единую оптическую систему, в которой каждая область способна выполнять различные оптические функции и для адекватного описания которой необходим учет различных эффектов (генерация, поглощение излучения, отражение, переизлучение).

С учетом этого серия резких линии с тонкой структурой, проявляющихся в спектрах люминесценции как структур нитрида галлия на сапфире, так и самого сапфира может быть интерпретирована как излучательные переходы с участием термов ионов хрома.

Несмотря на внешнее сходство имеется и ряд различий в проявлении указанных переходов в сапфире и структурах нитрида галлия на сапфире. Во-первых, в структурах нитрида галлия наблюдается лучшее разрешение дублетных линий, что может быть связано с влиянием механических напряжений на границе раздела сапфир/эпитаксиальный слой. Во-вторых, соотношение интенсивностей между отдельными компонентами серии линий в структурах нитрида галлия отличается от соотношения интенсивностей аналогичных полос в сапфире. Наиболее ярко это проявляется в доминировании УФ-компоненты (λ= 395 нм). Это обстоятельство может быть обусловлено рядом причин: проявлением режима оптического усиления в слое нитрида галлия, селективностью пропускания слоя нитрида галлия и влиянием излучения нитрида галлия на условия возбуждения в сапфировой подложке. В связи с этим следует заметить, что спектры возбуждения ионов хрома в сапфире являются селективными (рис.5.1) с максимумами поглощения в синей и зеленой областях.

Условия возбуждения существенно влияют на степень проявления различных резких линий указанной серии. В частности, излучение нитрида галлия за счет эффекта переизлучения способно приводить к проявлению резкого линий только в красной области спектра.

Отмеченные особенности оптических процессов в структурах нитрида галлия, полученных на подложках сапфира, по-видимому, объясняют и особенности спектров стандартных и ультратонких КНС-структур, в которых существенную роль играет излучательная рекомбинация в сапфировой подложке.