eng
Содержание
Предисловие редактора перевода 11
Введение 12
Предисловие 17
Часть I. Рынок объемных кристаллов GaN 18
Глава 1. Развитие рынка подложек из объемного GaN 18
Эндрю Д. Хэнсер и Кейт Р. Эванс (Andrew D. Hanser, Keith R. Evans)
1.1.
Вводная часть 18
1.2.
Движители рынка III-N-приборов и прогнозирование 19
1.2.1.
Генерация света и твердотельное освещение
на основе материалов группы III-N 19
1.2.2.
Электрические системы и электроника высокой мощности
на материалах группы III-N 21
1.2.3.
Позиционирование GaN-подложек на рынках электроники
высокой мощности SSL-приборов 24
1.2.4.
Ключевые факторы успешной коммерциализации подложек
из объемного GaN 26
1.3.
Преимущества и значимость подложек из объемного GaN 29
1.3.1.
Эксплуатационные характеристики прибора 30
1.3.2.
Теплопроводность 36
1.3.3.
Возникновение отказов в приборах за счет термовозбуждения 37
1.3.4.
Себестоимость прибора 38
1.4.
Тенденции развития GaN-приборов на подложках из объемного GaN 40
1.4.1.
Лазеры и светодиоды 40
1.4.2.
Переключатели питания 41
1.4.3.
ВЧ-транзисторы с высокой подвижностью электронов
(HEMT-транзисторы) 42
1.5.
Тенденции развития подложек из объемного GaN 43
1.5.1.
Хлорид-гидридная эпитаксия из паровой фазы (HVPE) 43
1.5.2.
Аммонотермальное выращивание 44
1.5.3.
Выращивание из раствора 45
1.5.4.
Комбинированные методы выращивания 45
1.6.
Заключение 46
Литература 47
Часть II. Технология выращивания из паровой фазы 51
Глава 2. Хлорид-гидридная эпитаксия GaN из паровой фазы 51
Акинори Коукиту и Йошинао Кумагаи (англ. Akinori Koukitu, Yoshinao Kumagai)
2.1.
Введение 51
2.2.
Термодинамический анализ HVPE-выращивания GaN 53
2.2.1.
Методика расчета 53
2.2.2.
Равновесное парциальное давление и главная движущая
сила осаждения GaN 55
2.3.
Эпитаксиальное выращивание кубического GaN
на подложке из GaAs (100) [5, 18] 58
2.3.1.
Экспериментальные данные 59
2.3.2.
Выращивание кубического GaN 60
2.4.
Сравнительные характеристики процессов выращивания GaN
на подложках (111)A и (111)B [7, 31] 62
2.4.1.
Экспериментальная часть 63
2.4.2.
Сравнение процессов наращивания GaN на поверхностях
арсенида галлия (111)A и (111)B. 64
2.5.
Начальный расчет процессов выращивания GaN
на поверхностях (111)A и (111)B арсенида галлия 67
2.5.1.
Методика расчета 67
2.5.2.
Начальные процессы выращивания GaN
на поверхностях (111)A и (111)B GaAs 68
2.6.
Выращивание толстого слоя GaN на поверхности
(111)A подложки из GaAs [48, 49] 71
2.6.1.
Экспериментальная часть 71
2.6.2.
Выращивание толстого слоя GaN на поверхности (111)A GaAs 72
2.7.
Приготовление полуизолирующих GaN-подложек, легированных Fe [50, 51] 77
2.7.1.
Экспериментальная часть 78
2.7.2.
Выращенный на подложках из сапфира и GaAs легированный Fe слой GaN 78
Литература 82
Глава 3. Выращивание объемных кристаллов GaN с помощью эпитаксии
из гидридной паровой фазы на затравках монокристаллического GaN 85
Б. Лучник, Б. Патужка, Г. Камлер, И. Гжегори и C. Поровски
(англ. Lucznik, B. Patuszka, G. Kamler, I. Grzegory и S. Поровски)
3.1.
Введение 85
3.2.
Экспериментальная часть 86
3.2.1.
Затравочные кристаллы 86
3.2.2.
HVPE-реактор и условия выращивания 88
3.2.3.
Исследование характеристик 89
3.3.
Экспериментальные данные 89
3.3.1.
Выращивание кристаллов на кристаллических, пластинчатых
затравках малого размера, почти не имеющих дислокаций 89
3.3.2.
Выращивание кристаллов на мелких иглоподобных затравках,
характеризующихся практически полным отсутствием дислокаций 96
3.3.3.
Выращивание кристаллов на больших GaN-подложках
с ориентацией (00001) 100
3.4.
Выводы 104
Слова благодарности 105
Литература 105
Глава 4. Изготовление отдельных GaN-пластин на основе эпитаксии
из гидридной паровой фазы и с использованием метода отслоения
по линии пустот на интерфейсе 107
Й. Ошима, Т. Йошида, Т. Эри, К. Ватанабе, М. Шибата, Т. Мишима
(англ. Y. Oshima, T. Yoshida, T. Eri, K. Watanabe, M. Shibata, T. Mishima)
4.1.
Введение 107
4.2.
Метод HVPE-VAS в общих чертах 108
4.2.1.
Концепция метода HVPE-VAS 108
4.2.2.
Описание процесса 109
4.3.
Приготовление GaN-шаблона темплейта
(или темплита, или квазиподложки) с пористой TiN-пленкой 110
4.3.1.
Экспериментальная часть 110
4.3.2.
Результаты 110
4.3.3.
Механизмы формирования пористой структуры 111
4.3.3.1.
Формирование наносетчатой структуры
путем термической агломерации 111
4.3.3.2.
Формирование пустот в шаблонном слое GaN 112
4.4.
HVPE-выращивание на шаблонах из GaN с пористой TiN-пленкой 112
4.4.1.
Process of HVPE Growth and Separation 112
4.4.1.1.
HVPE-реактор и исходные материалы 112
4.4.1.2.
Процесс HVPE-выращивания на шаблоне из GaN c наносетчатой
пленкой и отделения подложки 113
4.4.2.
Механизмы роста и отслоения 114
4.4.2.1.
Отделение базовой подложки 114
4.4.2.2.
Механизмы формирования верхних пустот 115
4.5.
Свойства GaN-пластин, изготовленных с помощью технологии HVPE-VAS 116
4.5.1.
Структурные свойства 116
4.5.2.
Электрические свойства [17, 18] 119
4.5.3.
Тепловые свойства 120
4.5.3.1.
Теплопроводность [17, 18, 29] 120
4.5.3.2.
Коэффициент теплового расширения [18, 26] 122
4.6.
Заключение 123
Литература 125
Глава 5. Выращивание полярных и неполярных кристаллов GaN
помощью метода HVPE 127
Пол Т. Фини и Бенджамин А. Хаскелл (англ. Paul Fini, Benjamin A. Haskell)
5.1.
Введение 127
5.2.
Гетероэпитаксиальные пленки, включая выбор подложки 129
5.2.1.
Планарные GaN-пленки с ориентацией в а-плоскости 129
5.2.2.
Планарные GaN-пленки c ориентацией в m-плоскости 134
5.2.3.
Планарные, полуполярные GaN-пленки 136
5.3.
Горизонтальное эпитаксиальное наращивание неполярного,
полуполярного GaN 142
5.3.1.
Горизонтальное наращивание GaN с а-ориентацией 142
5.3.2.
Горизонтальное наращивание GaN m-ориентации 147
5.3.3.
Поперечное (горизонтальное) наращивание (LEO)
полуполярного GaN 149
5.4.
Выводы и перспективы развития 151
Литература 152
Глава 6. Высокоскоростной эпитаксиальный метод выращивания с помощью осаждения
металлорганических соединений из газовой фазы (MOVPE) 154
Матсумото, Х. Токунага, А. Убуката, К. Икенага, Й. Фукуда, Й. Йано, Т. Табучи,
Китамура, С. Косеки, А. Ямагучи и К. Уематсу
англ. K. Matsumoto, H. Tokunaga, A. Ubukata, K. Ikenaga, Y. Fukuda, Y. Yano, T. Tabuchi,
Kitamura, S. Koseki, A. Yamaguchi и K. Uematsu)
6.1.
Введение 155
6.2.
Характеристики роста AlGaN и GaN при использовании метода MOVPE 156
6.3.
Квантово-химический анализ реакции в паровой фазе 159
6.4.
Быстрое выращивание GaN с помощью высокопроизводительного реактора 163
6.5.
Анализ и резюме 167
Литература 169
Часть 3. Технология выращивания из раствора 171
Глава 7. Аммонотермальное выращивание GaN в аммоноосновном режиме 171
Р. Дорадзински, Р. Двилински, Д. Гарчински, Л. П. Сиржпутовски и Й. Канбара
(англ. R. Doradzinski, R. Dwilinski, J. Garczynski, L. P. Sierzputowski)
7.1.
Введение 172
7.2.
Метод выращивания 173
7.2.1.
Физико-химические основы 174
7.2.2.
Измерения растворяемости 177
7.2.3.
Оборудование 178
7.2.4.
Рекристаллизация с использованием затравки 179
7.2.5.
Легирование 180
7.2.6.
Механическая обработка кристаллов 180
7.3.
Характеристики кристалла 182
7.3.1.
Структурные свойства 182
7.3.2.
Оптические свойства 187
7.3.
Электрические свойства 188
7.4.
Гомоэпитаксия на аммонотермальном GaN 189
7.5.
Вывод 195
Литература 196
Глава 8. Пути реализации аммонотермального метода выращивания объемного GaN 199
Тадао Хасимото и Шуджи Накамура (англ. Tadao Hashimoto, Shuju Nakamura)
8.1.
Вступление 199
8.2.
Влияние использования минерализатора на аммонотермальный синтез GaN 201
8.3.
Растворяемость GaN в аммоноосновных растворах 206
8.4.
Выращивание GaN на затравках с использованием
металлического Ga в качестве питательного элемента 212
8.5.
Метод выращивания GaN, где в качестве затравки используется
поликристаллический GaN-нутриент 217
8.6.
Выращивание кристаллов объемного GaN и резка на пластины 221
8.7.
Заключение 223
Литература 224
Глава 9. Технология кислотно- аммонотермального выращивания GaN 226
Дирк Эрентраут и Юджи Кагамитани (англ. Ehrentraut, Yuji Kagamitani)
9.1.
Введение 226
9.2.
Краткая история аммонотермального метода выращивания GaN 229
9.3.
Технология выращивания 230
9.4.
Химический состав раствора и механизм роста 232
9.4.1.
Растворимость 232
9.4.2.
Скорость выращивания и состав раствора 234
9.4.3.
Степень воздействия кислотности на образование GaN 238
9.5.
Свойства аммонотермального GaN 240
9.6.
Перспективы развития технологии аммонотермального GaN 246
Литература 248
Часть IV. Технология выращивания из расплава 251
Глава 10. Выращивание нитрида галлия из раствора под высоким давлением 251
Михал Боковски, Павел Страк, Изабелла Гжегори и Сильвестр Поровски
10.1.
Вступление 251
10.2.
Метод выращивания 253
10.2.1.
Термодинамические и кинетические аспекты выращивания
под высоким давлением 254
10.2.2.
Экспериментальная часть 256
10.3.
Спонтанная кристаллизация с помощью метода выращивания
под высоким давлением 259
10.3.1.
Характер и морфология кристаллов 260
10.3.2.
Физические свойства кристаллов 261
10.4.
Выращивание кристаллов на затравке под высоким давлением 263
10.4.1.
Эпитаксия жидкой фазы в направлении с
на различных подложках (LPE) 263
10.4.2.
Моделирование конвекционного переноса в галлии
при LPE-выращивании (стационарные решения) 266
10.4.3.
Затравочное выращивание с помощью
регулируемого конвекционного потока галлия 270
10.4.4.
Выращивание в с-направлениях на HVPE-затравке 272
10.4.5.
Выращивание на HPVE-затравках в неполярных направлениях 275
10.4.6.
Моделирование процесса конвекционного переноса в галлии
(решения, зависящие от времени) 276
10.5.
Применения GaN-подложек, выращенных с помощью метода высокого
давления: лазерные УФ-диоды (синей области спектра) производства
компании TopGaN Ltd 279
10.6.
Заключение и перспективы метода выращивания под высоким давлением 281
Литература 282
Глава 11. Краткий обзор использования метода Na-Flux
для выращивания кристаллов GaN большого размера 285
Дирк Эрентраут и Элке Мейсснер
11.1.
Вступление 285
11.2.
Исторический экскурс 286
11.3.
Экспериментальные условия для выращивания GaN
с помощью метода жидкофазной эпитаксии натриевого флюса 289
11.4.
Механизм роста и дислокации 290
11.4.1.
Влияние состава флюса на стабильность выращивания
и морфологию кристалла 290
11.4.2.
Механизм роста и влияние на заселенность дислокаций 291
11.4.3.
Растворимость и скорость выращивания 292
11.5.
Свойства GaN 294
11.6.
Перспективы промышленного использования метода натриевого флюса 294
Литература 295
Глава 12. Выращивание нитрида галлия в растворе низкого давления 297
Э. Мейсснер, С. Хусси и Дж. Фридрих (E. Meissner, S. Hussy, J. Friedrich)
12.1.
Вступление 297
12.2.
Технология выращивания из расплава при атмосферном давлении,
метод LPSG (метод выращивания из раствора при низком давлении) 300
12.2.1.
Реакция образования GaN в атмосфере аммиака 301
12.2.2.
Растворимость азота в Ga-cодержащих растворах 305
12.2.3.
Установка для выращивания, техпроцесс и главные задачи 309
12.2.4.
Влияние параметров процесса на эпитаскиальный
и паразитный рост GaN 311
12.3.
Развитие структуры и морфологии слоев GaN 317
12.3.1.
Значение начальной стадии роста 317
12.3.2.
Макроскопические дефекты при выращивании GaN
из раствора низкого давления (LPSG) 320
12.4.
Свойства GaN-материала, выращенного
из ратвора низкого давления (LPSG GaN) 321
12.4.1.
Структурные свойства и плотность дислокаций GaN,
выращиваемого из раствора низкого давления (LPSG) 322
12.4.2.
Электрические свойства 328
12.4.3.
Примеси 328
12.5.
Итоги и перспективы 329
Литература 331
Часть 5. Описание характеристик кристаллов GaN 334
Глава 13. Оптические свойства подложек из GaN 334
Шигефуса Ф. Чичибу (Shigefusa F. Chichibu)
13.1.
Вступление 335
13.2.
Оптические характеристики GaN-подложек, выращенных
с помощью методов эпитаксии из паровой фазы
металлорганических и галоидных соединений 336
13.2.1.
Спектры фотоотражения экситонных поляритонов в GaN-подложке,
полученной с помощью латерального MOVPE-наращивания 336
13.2.2.
Фотолюминесценция с временным разрешением (TPRL)
GaN-подложки, изготовленной с помощью метода MOVPE-LEO 342
13.2.3.
Низкотемпературные спектры фотолюминесценции (PL)
GaN-подложки, изготовленной с помощью HVPE-метода
эпитаксиального латерального наращивания 344
13.3.
Влияние роста в полярном направлении на оптические свойства
затравочных GaN-подложек, выращенных аммонотермальным методом 346
13.4.
Влияние изгиба дислокаций на оптические свойства затравочных
GaN-подложек, выращенных с помощью аммонотермального метода 348
13.5.
Заключение 351
Литература 352
Глава 14. Исследование точечных дефектов и примесей в объемном GaN с помощью
спектроскопии позитронной аннигиляции 356
Филип Туомисто (Filip Tuomisto)
14.1.
Вступление 356
14.2.
Спектроскопия позитронной аннигиляции 358
14.2.1.
Позитроны в твердых веществах 358
14.2.2.
Позитроны в дефектах 360
14.2.3.
Экспериментальные методики 364
14.3.
Вросшие дефекты 368
14.3.1.
Образование дефекта: методы выращивания и легирование 368
14.3.2.
Дефекты и полярность роста 372
14.4.
Создание дефектов 374
14.4.1.
Термический отжиг под высоким давлением 375
14.4.2.
Эксперименты по электронному облучению 377
14.5.
Заключение 380
Литература 381
Предисловие редактора перевода.
Пристальное внимание научного и инженерного сообщества к нитриду галлия
объясняется всеобщим ожиданием той роли, которую ему предстоит сыграть
в развитии твердотельного освещения и сверхвысокочастотных твердотельных
приборов большой мощности.
Предлагаемая читателю книга содержит подробный обзор передовых техно-
логий выращивания кристаллов GaN, из которых затем изготавливаются под-
ложки для эпитаксиального выращивания приборных гетероструктур. Все эти
технологии имеют иностранное происхождение, и пока не реализованы в Рос-
сии. Однако технологии выращивания приборных структур и производства из
них как кристаллов для осветительных приборов, так и сверхвысокочастотных
приборов большой мощности в России успешно развиваются и выходят на уро-
вень серийного производства.
Следует отметить, что требования к объемным кристаллам GaN у произво-
дителей осветительных кристаллов и мощных СВЧ устройств разные. Так, для
мощных СВЧ устройств обязательным требованием является получение полу-
изолирующих подложек, тогда как для светодиодов обычно применяются про-
водящие подложки.
В области эпитаксиальных технологий для СВЧ применений абсолютным
лидером в России является ЗАО «Светлана — Рост». Это первое и единственное
в России предприятие, соединившее в себе разработку и промышленное произ-
водство (epihouse) эпитаксиальных структур А3В5, а также производство пластин
с кристаллами заказанных элементов (foundry). Основу эпитаксиальных техно-
логий ЗАО «Светлана – Рост» составляет молекулярно-пучковая эпитаксия.
Ко времени подготовки перевода предлагаемой читателю книги ЗАО «Свет-
лана — Рост» добилось наиболее значимых в России результатов в области ни-
тридных технологий, начало серийный выпуск эпитаксиальных структур нитри-
дов галлия и алюминия для СВЧ применения и впервые в современной России
предложило услуги фаундри для производства нитридной СВЧ компонентной
базы. Пока нитридные эпитаксиальные структуры выращиваются на подлож-
ках карбида кремния, но, как и многие зарубежные производители нитридных
полупроводниковых приборов, ЗАО «Светлана — Рост» внимательно следит за
развитием технологий производства объемных кристаллов GaN. Этот интерес
имеет абсолютно прагматичную подоплеку и направлен на включение подложек
полуизолирующего GaN в собственный промышленный оборот.
Виктор Чалый
Дмитрий Красовицкий
Введение
Полупроводниковые материалы интенсивно изучаются с момента рождения
кремниевой технологии более 50 лет назад. Возможность настройки с задан-
ной точностью их физических или химических свойств является ключевым
фактором электронной революции, длящейся в нашем обществе уже в течение
нескольких десятилетий. Полупроводниковые системы, например на кремнии
или материалах на основе арсенида галлия, уже достигли своей зрелости, найдя
применение в электронике, оптоэлектронике и некоторых других областях.
Другие материалы, как, например III-нитриды, были разработаны позднее
под влиянием требований, которые вышеуказанные полупроводники удовлет-
ворить не могли. Свойства III-нитридов (AlN, GaN, InN и других родственных
сплавов) делают их прекрасным выбором для эффективных излучателей света
как для видимой, так и УФ-области, УФ-детекторов и большого разнообразия
таких электронных приборов, как высокочастотные униполярные мощные
приборы. 1970 был годом всплеска исследовательской активности в отношении
систем на основе нитрида галлия (GaN). Главная задача заключалась в выращи-
вании объемных материалов. Неспособность получать материалы p-типа на тот
период времени отбила охоту у большинства исследовательских групп зани-
маться данным вопросом, и их активность сошла на нет через несколько лет.
Несколько важных технологических разработок в области выращивания, дати-
руемых с середины по конец 1980-х, привели к возрождению исследовательско-
го интереса к GaN и родственным материалам. Акасаки и др. был предложен
метод выращивания ровных монокристаллических слоев GaN на инородной
подложке (т. е. гетероэпитаксия на сапфире) с использованием тонкого (около
30 нм) буферного слоя AlN, выращенного при низкой температуре. Они также
разработали метод производства низкоомного нитрида галлия p-типа и проде-
монстрировали светоизлучающий прибор на базе pn-перехода. Это способство-
вало стремительному развитию и коммерциализации световых излучателей
на III-нитридах (светоизлучающих диодов и лазеров). В конце 1980-х Хан и др.
(Khan et al.) с помощью гетероэпитаксии на сапфире (в дальнейшем на карбиде
кремния SiC) также продемонстрировали наличие поверхностного электрон-
ного газа на высококачественном интерфейсе слоев AlGaN-GaN и транзисторы
с высокой подвижностью электронов. Это привело к быстрому улучшению ха-
рактеристик электронных высокочастотных мощных приборов, обеспечиваю-
щих впечатляющую пропускную способность. В настоящее время они и нахо-
дят применение в коммерческих приложениях.
На данный момент времени основная часть исследований GaN проводится
с использованием гетероэпитаксии, так как технология III-N объемных под-
ложек еще недостаточно хорошо развита. Высококачественные GaN-подложкиВведение
добиться скорости выращивания в 1—4 мкм/ч. Однако существует вероятность,
что с увеличением размеров системы выращивания с учетом условий ее опти-
мизации в будущем можно будет добиться получения слитков очень большого
размера. На данный момент времени максимальный размер слитка составляет
2'' (5 см). Другой метод получения объемного GaN заключается в выращивании
кристаллов из металлического расплава, использующегося для растворения ни-
трида галлия. При высоких значениях температур и давлений удается добиться
определенной растворимости GaN в Ga, что обеспечивает получение объем-
ных кристаллов за счет выращивания из раствора. Была показана эксперимен-
тальная возможность выращивания из раствора Ga тонких пластинок нитрида
галлия сантиметрового размера в атмосфере N2 при понижении температуры
до значения около 1600 °C. Данный метод до сих пор имеет ограниченную воз-
можность роста кристаллов и затравки. В вибрационном методе выращивания
Na/A в качестве флюса используется Na. Процесс выращивания начинается
с затравки при среднем температурном градиенте (700—800 °C) и давлениях по-
рядка 50 бар. За последнее время данный метод был существенно улучшен: ско-
рость выращивания была увеличена до 30 мкм/ч и получены слитки диаметром
два дюйма при толщине в несколько миллиметров. В стадии разработки нахо-
дятся также многие другие методы выращивания из расплава при атмосферном
давлении.
Качество объемных кристаллов GaN, получаемое с помощью вышеуказан-
ных методов, как правило, великолепное, то есть гораздо лучше, чем материа-
лы, получаемые с помощью эпитаксии на инородных подложках. Учитывая,
что при производстве упор на чистоту, как правило, не делается, максимальная
степень чистоты с точки зрения остаточных концентраций примесей находится
в диапазоне 1016—1017 см–3. С коммерческой точки зрения максимальный спрос
приходится на n-примесные и полуизолирующие пластины. Однако используе-
мые подходы, как правило, немного отличаются в зависимости от выбранного
метода. Ширина кривой качания ДРА (дифракционного рентгеновского ана-
лиза) составляет величину порядка 20 угловых секунд, а концентрация прорас-
тающих дислокаций находится в диапазоне 104—106 см–2, что является достаточ-
ным для самых требовательных приложений.
За последние несколько лет был сделан значительный прогресс в области
выращивания объемных GaN-материалов. Скорость выращивания и размер
получаемых пластинок были значительно увеличены. Производство GaN-
подложек в некоторых исследовательских и производственных лаборатори-
ях осуществляется уже штатным образом. Это даст возможность более точ-
ного изучения преимуществ применения высококачественных объемных
GaN-подложек для эпитаксиального выращивания различных оптических
и электронных приборных структур. Стало очевидным, что при выращивании
Введение 15
в случае со светоизлучающими структурами высокой мощности (например ис-
пользуемых для твердотельного освещения), возможно, будет необходимым
использование неполярных или полуполярных поверхностей из-за наличия
ограничений, влияющих на эффективность излучения в виду наличия прису-
щей Оже-рекомбинации в активной области квантовой ямы. Для решения этой
задачи пластины большого размера или кристаллы необходимо нарезать в за-
данном кристаллографическом направлении. Так как гетероэпитаксиальное
выращивание приборных структур в неполярном и полуполярном направлени-
ях с низкой концентрацией дефектов оказалось достаточно сложной задачей,
то такой спрос на пластины для неполярного или полуполярного выращива-
ния может стимулировать дальнейшее развитие и использование объемных
GaN-подложек. В конечном итоге решение об использовании объемных GaN-
подложек будет приниматься на основании экономических факторов. Подобно
своим аналогам, использующимся в гетероэпитаксии, они также должны иметь
высокое качество и низкую себестоимость. Главная задача, таким образом, бу-
дет заключаться в масштабировании систем выращивания для эффективного
производства больших количеств высококачественного материала. В настоя-
щее время многие рассматриваемые здесь методы находятся в фазе перехода
на промышленные рельсы, обещающие массовое производство.
Коламбия, США М. Асиф Хан
Линкёпинг, Швеция Б. Монемар
Март 2010Ï
Предисловие
Нитрид галлия (GaN) оказался одним из самых важных полупроводниковых
материалов для технологий современности. Его будущее обещает быть еще бо-
лее ярким по мере развития в сторону технологии твердотельного освещения
и электронных устройств большой мощности. Основной движущей силой, сто-
ящей за возникновением этой совершенно новой технологией создания прибо-
ров на основе GaN, оказались успешные разработки по достижению надежного
способа легирования примесью p-типа и, как следствие, возможность производ-
ства светоизлучающих устройств (светоизлучающих диодов и лазерных диодов/
LDs). Итоги исследований, проведенные пионером исследований в данной об-
ласти Шучжи Накамурой/Shuji Nakamura, были опубликованы в работе «Голу-
бые лазерные диоды» первом издании Springer-Verlag от 1997 года (S. Nakamura,
G. Fasol).
С тех пор была проделана большая работа в области развития более эффек-
тивных приборов на основе GaN, что привело к появлению многомиллиардного
долларового рынка. Данный факт является еще более поразительным, учиты-
вая достаточно «сырой» уровень развития технологии производства кристалли-
ческих и термически обработанных подложек для приборов на основе GaN. На-
чиная только приблизительно с 2000 года технология выращивания кристаллов
GaN вышла на уровень широкого признания как фундаментальной наукой, так
и промышленностью.
Данная книга представляет собой первый доступный для читательской
аудитории подробный обзор передовой технологии выращивания кристаллов
GaN, отражающий огромный прогресс, произошедший в особенности за по-
следнее десятилетие и подводящий нас к порогу, преодоление которого будет
означать достижение нашей общей цели: получение больших кристаллов GaN,
не имеющих дислокаций, для изготовления достаточного количества неполяр-
ных, полуполярных и полярных GaN-пластин по разумной себестоимости.
Редакция очень благодарна большому количеству признанных лидеров нау-
ки и промышленности, сделавших свой вклад в данную книгу. Мы искренне
надеемся, что эта книга окажется незаменимым ресурсом для инженеров, ис-
следователей и студентов, занимающихся в области выращивания кристаллов
GaN обработкой и изготовлением приборов на их основе как в сугубо научных,
так и промышленных целях.
Наконец, что не менее важно, мы выражаем свою благодарность всем, кто
участвовал в работе над данной книгой. В частности Дирк Эрентраут призна-
телен профессору Т. Фукуде (T. Fukuda) за сотрудничество, продолжавшееся
в течение нескольких лет; он также очень признателен своей жене Юмико за ту поддержку и терпение, которые она ему оказывала за время работы
над книгой.
Наконец за сотрудничество при работе над книгой хочется с признанием
упомянуть доктора C. Ашерона/Ascheron и г-жу А. Дум/Duhm A.
Сендай/Sendai Дирк Эрентраут/Dirk Ehrentraut
Эрланген/Erlangen Элке Мейсснер/Elke Meissner
Варшава Михал Боковски/Michal Bockowski
Эндрю Д. Хэнсер и Кейт Р. Эванс
(Andrew D. Hanser, Keith R. Evans)
Глава 1
Краткое содержание: осуществляется анализ возможностей долгосрочного
и краткосрочного применения объемных подложек на основе GaN, а также
мотивация и задачи по внедрению соответствующей технологии в конкрет-
ные приборы. Краткосрочный спрос на объемный GaN обусловлен, главным
образом, лазерными диодами, в то время как долгосрочный — электроникой
больших мощностей и твердотельным освещением. Главные условия выхода
на большой рынок связаны с необходимостью увеличения серийного производ-
ства и уменьшением себестоимости технологий производства GaN-приборов
на основе инородных подложек.
1.1.Вводная часть
Распространение технологий в нашем обществе носит почти всеохватываю-
щий характер. Почти по всему миру потребление продуктов технологии носит
массовый характер, и для удовлетворения растущих технологических потреб-
ностей создаются обширные производственные мощности. Даже в странах
третьего мира современные технологии находят свое применение в различных
формах, включая беспроводную связь, солнечную энергетику и фармацевтику.
Современные технологии самыми разнообразными способами обеспечивают
нам более высокий уровень жизни, за что приходится платить с точки зрения
потребляемых ресурсов и энергии, а также образованием отходов. Возникает
1.2. Движители рынка III-N-приборов и прогнозирование 19
насущная необходимость в развитии таких технологий, которые за счет мень-
шего количества потребляемой энергии и, соответственно, меньшего воздей-
ствия на окружающую среду могут обеспечивать улучшение уровня жизни.
В процессе развития современных технологий регулярно появляется некая
фундаментальная технология, способная произвести революцию. Такие атри-
буты информационного века, как транзисторы, интегральные схемы, микро-
процессоры и компьютеры, проникшие фактически во все сферы нашей жизни,
не появились бы без полупроводниковых материалов на основе кремния. Полу-
проводниковые материалы на основе III-нитрида и (III-N) имеют все основания
претендовать на такую же фундаментальную роль, какую в свое время сыграл
кремний. Такие материалы, как нитрид алюминия (AlN), нитрид галлия (GaN)
и нитрид индия (InN), станут основой для полупроводниковых устройств,
обещающих как новые функциональные возможности, так и возможность об-
новления существующих технологий. Несмотря на наличие и многих других
вероятных и очень даже прикладных применений этих материалов, основные
направления сводятся к двум главным: генерация света и регулирование элек-
трической мощности. Эти применения могут ускорить появление новых боль-
ших коммерческих рынков, и вероятность этого уже стимулирует агрессивное
развитие дополнительных материалов и технологий приборов. Большие пер-
спективы, обещаемые этими применениями, заключаются в способности ге-
нерировать большее количество (света, мощности) с меньшими затратами (бо-
лее высокой энергоэффективностью, меньшим потреблением электричества,
меньшими тепловыми потерями). В этой главе мы рассмотрим, какие задачи
и какие возможности дает использование материалов на основе GaN и, в част-
ности, какое применение найдут на рынке подложки из GaN. Мы покажем, как
будет происходить продвижение на ближнесрочный рынок продукта (подлож-
ки GaN) — движущей силы производственных улучшений для эффективного
освоения будущих рыночных возможностей.
1.2. Движители рынка III-N-приборов и прогнозировании
1.2.1Генерация света и твердотельное освещение на основе
материалов группы III-N
Одно из уникальных свойств III-N-материалов заключается в том, что они мо-
гут обеспечить эффективную световую эмиссию в диапазоне от ультрафиоле-
товых волн до инфракрасных. На этих длинах волн возможна разработка очень
эффективных полупроводниковых источников белого света. Твердотельное
освещение (SSL) на светодиодах (LEDs) предоставляет возможность потреби20 Развитие рынка подложек из объемного GaN
телю заменить менее эффективные и менее надежные технологии освещения,
как то: лампы накаливания, люминесцентные и галоидные источники света.
Колоссальное количество энергии уходит на генерацию света для наших
каждодневных нужд. Например, в Соединенных Штатах около 22 % нацио-
нальной электрической энергии используется для нужд освещения [1]. Это со-
ответствует мощности около 100 энергетических станций, но в связи с элек-
трическим несовершенством осветительных систем для производства такого
количества энергии необходимо в три раза больше электроэнергии. Цена такого
количества электрической энергии составляет около 55 миллиардов долларов
(США) и продолжает расти с ростом цен на энергоносители, ростом населения
и распространением технологии по всему миру. Сегодня необходимость в осве-
щении означает наличие глобального рынка электрических ламп, устройств
управления люминесцентными лампами, осветительных приборов и регулиро-
вания освещенности, который оценивается приблизительно в 40 миллиардов
долларов в год [1]. На смену многим низкоэффективным световым технологиям
разрабатываются очень эффективные системы на основе SSL.
При рассмотрении проникновения SSL на рынок осветительных приборов
и связанной с этим экономией энергии можно легко видеть, за счет чего данная
технология может улучшить нашу жизнь: лучшая энергоэффективность и сни-
жение потребления энергии, выброса углекислого газа и более низкие общие
потребительские издержки. Эти преимущества дают толчок развитию новых
технологий на базе GaN для систем твердотельного освещения.
Согласно докладу министерства энергетики США, научно-техническая
задача дальнесрочного характера состоит в достижении высокорентабельных,
готовых для рынка систем с величиной световой эффективности в 160 лм/Вт
к 2025 году [2]. Это равносильно 60 %-му улучшению сегодняшних высокоэф-
фективных источников света, таких как люминесцентных и галоидных, и более
чем на 800 % в сравнении с лампами накаливания, которые до сих пор являются
основными источниками света в мире. Как можно видеть из табл. 1.1 по све-
товой отдаче для различных источников света, для достижения требований,
предъявляемых министерством энергетики США, современная технология
подлежит серьезному усовершенствованию.
Рынок светодиодов на GaN оценивается приблизительно в 7 миллиардов
долларов, и к 2012 должен вырасти приблизительно до 15 миллиардов долла-
ров [4]. Рынок светодиодов на GaN уже достаточно хорошо сформирован. Од-
нако использование светодиодов в SSL в настоящее время достаточно сильно
ограничено набором возможных применений, число которых, тем не менее,
продолжает расти. Главными факторами сдерживания являются цена и общий
уровень технологической готовности светодиодных решений на основе GaN
при сравнении с уже существующими решениями. Согласно прогнозам по мере
усовершенствования технологий приборов рынок светодиодов для SSL должен
вырасти к 2012 году [4] до 1,2 млрд долларов, а в долгосрочной перспективе —
до 20 млрд долларов или более (табл. 1.2).
1.2.2. Электрические системы и электроника высокой
мощности на материалах группы III-N
Улучшение энергоэффективности электрических систем сокращает потребле-
ние энергии для многих применений. Например, электронные приборы быто-
Таблица 1.1. Потенциальный эффект перехода на твердотельное освещение
в США
Системы общего освещения
Главные показатели SSL-продукт
(прибор)
Лампа на-
каливания,
60 Вт
Компактная
люминесцент-
ная лампа
Световая отдача, люмен 1000 1000 1200
Потребляемая мощность, Вт 6,67 60 23
Люмен/Вт 150 16,7 52
Годовое потребление энергии (8 часов
в день, 365 дней) (кВт)
19,5 175,2 67,2
Фактор качества по отношению к све-
тодиоду
1 9,0 3,4
Годовой расход на одну лампу (9,3 цен-
та/кВт)
$1,81 $16,29 $6,25
Расчетная величина экономии энергии за год при использовании светодиодно-
го освещения: расчетная базовая величина потребляемой на освещение энергии
в 2020 году: 7,5 квадриллионов
Переход на SSL, % Экономия,
квадрил-
лион
Экономия,
(млрд долл.)
1 0,05 0,33 При равноцен-
ной замене лю-
минесцентных
ламп и ламп
накаливания
10 3,23
25 7,99
50 16,04
Примечания: квад. — один квадриллион БТЕ (британская тепловая единица = 1060 джо-
улей); приблизительно 6,6 миллиардов долларов за квадриллион БТЕ электрической
энергии.Глава 1. Развитие рынка подложек из объемного GaN
вого назначения потребляют в режиме ожидания от 5 до 10 % домашнего элек-
тричества, что в годовом выражении выливается в сумму порядка 3 миллиардов
долларов [5.6].
Согласно данным министерства энергетики США, потребление электри-
ческой энергии приборами, находящимися в режиме ожидания, составило
за 2004 году цифру в 64,5 миллионов мегаватт [7]. Такие потери эквивалент-
ны количеству энергии, производимой 18 электрическими станциями стан-
дартного типа. Такое потребление мощности в режиме ожидания является
результатом использования хотя и дешевых, но неэффективных источников
питания, отбирающих значительную мощность, когда электронный прибор
не используется. Кроме того, внедрение SSL подразумевает наличие высоко-
эффективных источников питания и контроллеров, необходимых для под-
держания высокого общего коэффициента полезного действия осветительной
системы. Электрические системы начинают находить все большее примене-
ние в автомобильной промышленности, характеризующейся ростом произ-
водства гибридных автомобилей, обеспечивающих большую эффективность
транспортных систем. Совместное использование двигателя внутреннего
сгорания и электрического повышает КПД транспортного средства и обеспе-
чивает снижение потребления смазочных материалов и выбросы вредных ве-
ществ в атмосферу. Согласно результатам одного исследования, расширенное
использование гибридных автомобилей обеспечивает возможность сокраще-
ния общего спроса на смазку для легковых машин, несмотря на рост их числа
и среднюю длину пробега. Одно лишь использование электродвигателя со-
вместно с двигателем внутреннего сгорания увеличивает КПД автомобиля
и способствует сокращению выброса в атмосферу углекислого газа и спроса
на смазку. Наконец, традиционные электросети, обеспечивающие выработ-
ку и подачу электроэнергии к потребителям, начинают дополняться новыми
Таблица 1.2. Диапазоны световой отдачи для различных источников
Источник света (лампа) Типовое значение свето-
вой отдачи, лм/Вт
Накаливания 10—18
Галогенная 15—20
Компактная, люминесцентная (включая дроссель старте-
ра)
35—60
Дневного света (люминесцентная) (включая балластный
резистор)
50—100
Металлогалоидная (включая балластный резистор) 50—90
Современные SSL-приборы общего назначения Вплоть до 62
SSL-система, планируемая к 2025 162
1.2. Движители рынка III-N-приборов и прогнозирование 23
источниками энергии, включая распределенные и возобновляемые источ-
ники энергии, такие как ветровые, солнечные, на биомассе и других типов.
Современные энергогенерирующие системы могут выиграть от более эффек-
тивного преобразования и коммутации, а более интеллектуальные системы
за счет мониторинга нагрузки и возможности расширенного управления раз-
личными циклами энерговыработки улучшат эффективность возобновляе-
мых источников энергии. Усовершенствования трансформации напряжений
и расширенного динамического регулирования напряжения, в управлении
сопротивлением и фазового угла в высоковольтных линиях передачи пере-
менного тока могут быть осуществлены с помощью средств на базе твердо-
тельной технологии [9].
КПД преобразователей энергии для электроники промышленного и бы-
тового назначения, для автомобилей гибридного и электрического типа, для
выработки и распределения в электросетях может быть повышен в результате
использования более эффективных электрических компонентов. Улучшение
эффективности для таких систем начинается с компонентов электроники вы-
сокой мощности (HPE) — основной для инвертирующих усилителей и преоб-
разователей мощности. В современных системах эти компоненты представ-
ляют собой полупроводниковые, главным образом кремниевые устройства.
В связи с характерными ограничениями, свойственными собственным (полу)
проводникам, приборы на основе кремния имеют потолок по мощности
и температуре, что отрицательно сказывается на эффективности электриче-
ской системы. По сравнению с кремнием нитрид галлия обладает свойствами,
обеспечивающими улучшенную характеристику полезной мощности. Нитрид
галлия характеризуется широкой запрещенной зоной (3,4 эВ), большой вели-
чиной напряженности электрического поля при пробое (~3 МВ/см) и высокой
подвижностью электронов (~1500 см2/В·с при комнатной температуре). Бла-
годаря этим свойствам обеспечивается низкая величина сопротивления при
включении, низкие потери коммутирования, хорошая производительность
при высоких температурах и высокая эффективность преобразования мощ-
ности у таких приборов, как диоды Шоттки и полевые транзисторы (FETS).
Приборы с такими характеристиками могли бы улучшить эффективность
электрических систем и существенно сократить энергопотребление в миро-
вом масштабе, оказывая влияние практически на любой аспект их примене-
ния, обеспечивая потенциальную экономию средств на сумму в 30 миллиар-
дов долларов в год [10].
В 2008 году общедоступный рынок электроники на основе GaN составлял
более 350 миллионов долларов, он, по всей вероятности, обещает занять суще-
ственную долю долгосрочного рынка электроники высокой мощности, оцени-
ваемого по прогнозам в 22 миллиарда долларов [11].
24 Глава 1. Развитие рынка подложек из объемного GaN
1.2.3. Позиционирование GaN-подложек на рынках
электроники высокой мощности SSL-приборов
Для вхождения приборов на основе GaN на рынки электроники высокой мощ-
ности и SSL необходимо серьезное усовершенствование технологии. Для выхода
на эти рынки технологии должны созреть до уровня возможности изготовления
материалов и приборов, использующихся в компонентах силовых и осветитель-
ных систем. Для изготовления приборов с высокими эксплуатационными харак-
теристиками нужны высокотехнологичные процессы с низкой себестоимостью.
Успешная реализация приборов на основе GaN будет зависеть от двух важных
компонентов. Во-первых, должны улучшиться эксплуатационные характери-
стики приборов на основе GaN. Например, для того, чтобы сравняться с кон-
курирующими предложениями и превзойти их, значение светоотдачи должно
возрасти более чем в три раза. С течением времени светоотдача светодиодов
на основе GaN постепенно улучшилась за счет внесения усовершенствований
при проектировании; однако остается надеяться, что данный технологический
прием сможет остаться на текущей траектории производительности. Большин-
ство стандартных светодиодов в настоящее время выращивается на инородных
(не нитридных подложках). Большое количество дефектов в материале объяс-
няется неполным соответствием свойств подложки и эпитаксиальных слоев.
Такой способ изготовления характеризуется неполным соответствием свойств
подложки и эпитаксиальных слоев, с чем связано появление дефектов и соб-
ственно деградация эксплуатационной характеристики прибора. Продолжает-
ся исследование воздействия данных дефектов на эксплуатационную характе-
ристику светодиодов, а также возможность ее фундаментальной зависимости
от качества материала. Это, в частности, очень важно для приборов с высокой
плотностью тока, обеспечивающих большую светоотдачу. На пути реализации
полного потенциала электронных приборов большой мощности, используемых
в качестве источников света, необходимо преодолеть два серьезных барьера:
производительность и надежность.
Второй путь заключается в удешевлении технологии GaN-приборов, где
самым дорогим компонентом может оказаться подложка. Снижение себесто-
имости обеспечивается за счет увеличения производства. Нахождение эконо-
мической целесообразности является одной из главных задач в производстве
полупроводников, а необходимость расширения производства диктуется ры-
ночным спросом. Приборы на основе GaN пользуются серьезным спросом.
Рынок светодиодов на основе GaN-подложек только начинает формировать-
ся, причем исключительно для высокотехнологичных применений вследствие
низкого уровня цен доминирующих технологий. Приборы на инородных под-
ложках характеризуются адекватной производительностью для светодиодных
применений, и уровень цен для таких эпитаксиальных пластин из GaN явля-
ется низким отчасти из-за большого производства и низкой себестоимости.
В результате в связи с высокой себестоимостью, которая обусловлена низким
выходом годных, новоявленные светодиодные технологии на основе подложек
из объемного GaN на этом рынке пока еще появиться не могут. Таким обра-
зом, необходимо выяснить, какие рынки в краткосрочной перспективе будут
не критичны в отношении к указанным недостаткам объемных GaN-подложек.
Так как стоимость технологического оборудования по выращиванию и исход-
ных материалов для GaN- и GaAs-подложек сопоставима, то в долгосрочной
перспективе производственная себестоимость GaN должна подойти вплотную
к подложкам из GaAs; однако следует помнить, что себестоимость подложки —
всего лишь одна составляющая производственной себестоимости для заданно-
го прибора с учетом таких требований, как надежность, производительность
и форм-фактор (рис. 1.1).
Производители объемных GaN-подложек осознали, что существуют проме-
жуточные возможности и ниши, с помощью которых можно добиться требова-
ний по производительности и цене, предъявляемых на более крупных рынках
SSL и электроники высокой мощности.
Именно краткосрочные и среднесрочные рынки дают шанс выйти на необ-
ходимый уровень производства, увеличить торговые обороты, выход годных,
сократить себестоимость и, таким образом, обеспечить себе выход на новые,более крупные рынки за счет роста и постоянного усовершенствования (смотри
табл. 1.3 с данными о существующих применениях приборов на основе GaN).
Начальные целевые рыночные ниши высокопроизводительных приборов
подразумевают наличие некой дополнительной наценки, связанной с той или
иной характеристикой прибора, например высокой энергоэффективностью,
меньшим размером и/или меньшей зависимостью от температуры. Вхождение
объемных подложек на такие начальные рынки будет происходить достаточ-
быстро, так как они восполняют потребность в решении задач, с которыми
конкурирующие продукты не справляются или делают это неудовлетворитель-
Теперь мы приступим к рассмотрению некоторых факторов, учет которых
поможет подложкам из объемного GaN удовлетворить рыночные требования,
покажем, каким образом это поможет вхождению на дополнительные рынки.
1.2.4. Ключевые факторы успешной коммерциализации
подложек из объемного GaN
Одна из областей, в которой использование GaN-подложек дает немедленную
выгоду, — это лазерные диоды на GaN. GaN-светодиоды в первую очередь пред-
назначаются для DVD-плееров и рекордеров высокого разрешения, хотя нельзя
забывать и о видеопроекторах высокого разрешения и дисплеях, коммерческой
печати, контрольно-измерительной аппаратуре для спектроскопии и биозонди-
рования. В DVD-системах высокого разрешения для считывания и записи дан-
ных на оптический диск используется лазерный диод с длиной волны 405 нм,
GaN идеально подходит для работы полупроводниковых лазеров на данной
длине волны. Война форматов между Blu-ray и HD DVD в начале 2000-х, по всей
видимости, затормозила развитие рынка плееров следующего поколения [12].
Однако к началу 2008 года промышленность приняла стандарт Blu-ray, что от-
Таблица 1.3. Применение GaN для светодиодов, приборов высокой мощности
и лазерной техники
Светодиоды Приборы высокой мощ-
ности
Лазерные диоды
Подсветка (мобильные
устройства, ЖК-дисплеи)
ВЧ-усилители мощности
для аппаратуры связи
и радаров
Оптические носители
данных
Полноцветные экраны
больших форматов
Импульсные источники
питания
Проекторы
Сигнальные и рекламные
указатели
Энергетические установки
спутников
Промышленная печать
Осветительные системы
общего назначения
Высокотемпературная
электроника
Испытания и измерения
(спектроскопия, зондиро-
вание)крыло дорогу для увеличения производства лазерных диодов и оптических при-
водов. Согласно прогнозам, уровень продаж Blu-ray DVD-плееров в 2008 году
должен был достичь показателя в 5 миллионов штук, а к 2009 году — до 12 мил-
лионов штук [13], в то время как рынок лазерных GaN-диодов должен был до-
стичь ценовой планки в 1,2 миллиардов долларов к 2011 [14].
Типичные Blu-ray плееры потребляют приблизительно 20 мВт [15] при сро-
ке эксплуатации, превышающем 10 тысяч часов в непрерывном режиме рабо-
ты лазера. С разработкой лазеров более высокой мощности скорость записи
DVD- рекордеров увеличится. Потребляемая мощность лазерных диодов при
считывании/записи варьируется от 125 мВт для 2-стандартной скорости запи-
си, до 170 мВт (импульсный режим) для 4-стандартной скорости записи [16] и до
250 мВт для 8-стандартной скорости записи [17]. Для лазерных диодов большой
мощности количество выделяемого при работе тепла становится значитель-
ным. Для обеспечения надежной работы на более высокой мощности необходи-
мо улучшение качества материалов [18].
Лидером в области разработки GaN-лазеров является Япония. В 2008 году
Nichia Сorporation, ведущий производитель светодиодов на GaN, держала в сво-
ем активе 80 % рынка лазерных (оптических) диодов/LD на основе GaN [19].
Nichia имеет в своем арсенале технологию производства как сапфировых под-
ложек, так и подложек из объемного GaN [20], причем разработка и лицензиро-
вание технологии GaN LD велась совместно с Sony. Sony, а также Sharp и Sanyo
занимаются разработкой LD (лазерных диодов) на основе технологии производ-
ства GaN-подложек. Переход к массовому производству замедлился в связи с не-
обходимостью внесения в технологию изготовления лазерных диодов на основе
GaN существенных изменений, в связи с чем произошла задержка с выходом
Sony Playstation 3 и плееров Blu-ray. Главной проблемой при производстве лазер-
ных диодов (ЛД) оказался выход годных, что связано главным образом с огра-
ниченным количеством подложек из объемного GaN высокого качества [22].
Технологические процессы изготовления лазерных диодов/LD из GaN
на сапфировых подложках характеризуются большими концентрациями дис-
локаций, требовательностью к точности монтажа и расположения приборов
на подложке. Несмотря на отсутствие открытых данных по выходу годных
GaN LD на сапфировых или объемных GaN-подложках, ожидается, что ис-
пользование высококачественных подложек из объемного GaN будет способ-
ствовать увеличению выхода годных оптимизированного процесса эпитакси-
ального выращивания благодаря меньшему количеству дефектов, улучшенной
однородности и более упрощенным процессам эпитаксиального выращивания.
Свидетельством этому является переход всех производителей лазерных диодов
с сапфировых подложек на GaN-подложки, в особенности для лазерных диодов
высокой мощности.С рыночной точки зрения успешная коммерциализация GaN LD зависит
нескольких ключевых факторов:
сильный и растущий коммерческий спрос на усовершенствованные • по-
лупроводниковые приборы на материалах группы III-N в широком диа-
пазоне применений;
• улучшение свойств материалов из объемного GaN, обеспечивающих
высокое структурное качество прибора, а также температурные харак-
теристики, которые невозможно получить с помощью прочих методов;
• получение высокопроизводительных приборов, преимущество которых
заключено в свойствах подложки из объемного GaN.
Производители GaN-подложек будут использовать данные рыночные фак-
торы с целью обоснования выделения ресурсов для увеличения производствен-
ных мощностей, что сделает подложки из объемного GaN более доступным то-
варом.
Такое предложение подложек будет способствовать росту рынка приборов
коммерческого назначения, а это, в свою очередь, — дальнейшему увеличению
возможностей подложек, делающему возможным улучшение ситуации с вы-
ходом годных. По мере усовершенствования технологической последователь-
ности операций по изготовлению GaN-подложек за счет снижения издержек
научно-технические работы и налаживания стабильных поставок будет
увеличиваться их доступность, отчего останутся в выигрыше и другие новые
применения. Коммерческий спрос стимулируется разработкой и выходом
рынок новых приборов, что в свою очередь обеспечивает дополнительную
мотивацию производителей подложек к увеличению производства. В качестве
GaN-пластин, предназначенных для применения в силовой электронике, со-
вокупный объем выпуска которых на 2015 г. будет составлять приблизительно
600 тысяч единиц.
Данный прогноз по объему производства свидетельствует о весьма благо-
приятно складывающейся ситуации для GaN-подложек, но для того, чтобы
удовлетворить ценовые ожидания рынка, должны быть найдены способы сни-
жения себестоимости.
1.3.Преимущество и значимость подложек из объемного GaN
Несмотря на многочисленные попытки разработать технологию изготовления
приборов из SiС и особенно GaAs и InP с использованием более дешевых крем-
ниевых и сапфировых подложек, практически все приборы на основе полу-
проводниковых материалов разных групп, включая кремний, SiC, GaAs и InP,
изготавливаются на соответствующих объемных подложках. Ситуация с ни-
тридными приборами обстоит иначе: большинство нитридных полупровод-
никовых приборов коммерческого назначения в настоящее время изготавлива-
ются на инородных подложках из Si, SiC и сапфира, что отражает медленный
прогресс глобальных усилий по разработке экономически эффективного ме-
тода получения высококачественных подложек из объемного GaN и, как след-
ствие, ограниченные поставки таких подложек. Задача выбора инородных под-
ложек при разработке и коммерциализации GaN-приборов представляет собой
компромисс с точки зрения степени пригодности подложки в качестве исхо-
дного материала для эпитаксиального выращивания GaN. Несмотря на такие
преимущества инородных подложек, как хорошая доступность больших раз-
меров, высокое качество и низкая себестоимость, у этого гетероэпитаксиаль-
ного метода существует и ряд хорошо известных недостатков: рассогласование
параметров кристаллической решетки, рассогласование коэффициентов те-
плового расширения и химическая несовместимость между подложкой и эпи-
таксиальными слоями. Тем не менее, благодаря многим годам, потраченным
на усовершенствование технологии инородных подложек, были разработаны
процессы эпитаксиального выращивания, обеспечившие возможность ком-
мерциализации GaN-светодиодов для многих применений. Этот путь развития
также привел к появлению ряда принципиально новых методов эпитаксиаль-
ного выращивания и конфигураций подложек, обеспечивающих некоторое
сокращение концентрации дислокаций в гетероэпитаксиально выращенных
GaN-слоях.
Пристальное внимание научного и инженерного сообщества к нитриду галлия
объясняется всеобщим ожиданием той роли, которую ему предстоит сыграть
в развитии твердотельного освещения и сверхвысокочастотных твердотельных
приборов большой мощности.
Предлагаемая читателю книга содержит подробный обзор передовых техно-
логий выращивания кристаллов GaN, из которых затем изготавливаются под-
ложки для эпитаксиального выращивания приборных гетероструктур. Все эти
технологии имеют иностранное происхождение, и пока не реализованы в Рос-
сии. Однако технологии выращивания приборных структур и производства из
них как кристаллов для осветительных приборов, так и сверхвысокочастотных
приборов большой мощности в России успешно развиваются и выходят на уро-
вень серийного производства.
Следует отметить, что требования к объемным кристаллам GaN у произво-
дителей осветительных кристаллов и мощных СВЧ устройств разные. Так, для
мощных СВЧ устройств обязательным требованием является получение полу-
изолирующих подложек, тогда как для светодиодов обычно применяются про-
водящие подложки.
В области эпитаксиальных технологий для СВЧ применений абсолютным
лидером в России является ЗАО «Светлана — Рост». Это первое и единственное
в России предприятие, соединившее в себе разработку и промышленное произ-
водство (epihouse) эпитаксиальных структур А3В5, а также производство пластин
с кристаллами заказанных элементов (foundry). Основу эпитаксиальных техно-
логий ЗАО «Светлана – Рост» составляет молекулярно-пучковая эпитаксия.
Ко времени подготовки перевода предлагаемой читателю книги ЗАО «Свет-
лана — Рост» добилось наиболее значимых в России результатов в области ни-
тридных технологий, начало серийный выпуск эпитаксиальных структур нитри-
дов галлия и алюминия для СВЧ применения и впервые в современной России
предложило услуги фаундри для производства нитридной СВЧ компонентной
базы. Пока нитридные эпитаксиальные структуры выращиваются на подлож-
ках карбида кремния, но, как и многие зарубежные производители нитридных
полупроводниковых приборов, ЗАО «Светлана — Рост» внимательно следит за
развитием технологий производства объемных кристаллов GaN. Этот интерес
имеет абсолютно прагматичную подоплеку и направлен на включение подложек
полуизолирующего GaN в собственный промышленный оборот.
Виктор Чалый
Дмитрий Красовицкий
Введение
Полупроводниковые материалы интенсивно изучаются с момента рождения
кремниевой технологии более 50 лет назад. Возможность настройки с задан-
ной точностью их физических или химических свойств является ключевым
фактором электронной революции, длящейся в нашем обществе уже в течение
нескольких десятилетий. Полупроводниковые системы, например на кремнии
или материалах на основе арсенида галлия, уже достигли своей зрелости, найдя
применение в электронике, оптоэлектронике и некоторых других областях.
Другие материалы, как, например III-нитриды, были разработаны позднее
под влиянием требований, которые вышеуказанные полупроводники удовлет-
ворить не могли. Свойства III-нитридов (AlN, GaN, InN и других родственных
сплавов) делают их прекрасным выбором для эффективных излучателей света
как для видимой, так и УФ-области, УФ-детекторов и большого разнообразия
таких электронных приборов, как высокочастотные униполярные мощные
приборы. 1970 был годом всплеска исследовательской активности в отношении
систем на основе нитрида галлия (GaN). Главная задача заключалась в выращи-
вании объемных материалов. Неспособность получать материалы p-типа на тот
период времени отбила охоту у большинства исследовательских групп зани-
маться данным вопросом, и их активность сошла на нет через несколько лет.
Несколько важных технологических разработок в области выращивания, дати-
руемых с середины по конец 1980-х, привели к возрождению исследовательско-
го интереса к GaN и родственным материалам. Акасаки и др. был предложен
метод выращивания ровных монокристаллических слоев GaN на инородной
подложке (т. е. гетероэпитаксия на сапфире) с использованием тонкого (около
30 нм) буферного слоя AlN, выращенного при низкой температуре. Они также
разработали метод производства низкоомного нитрида галлия p-типа и проде-
монстрировали светоизлучающий прибор на базе pn-перехода. Это способство-
вало стремительному развитию и коммерциализации световых излучателей
на III-нитридах (светоизлучающих диодов и лазеров). В конце 1980-х Хан и др.
(Khan et al.) с помощью гетероэпитаксии на сапфире (в дальнейшем на карбиде
кремния SiC) также продемонстрировали наличие поверхностного электрон-
ного газа на высококачественном интерфейсе слоев AlGaN-GaN и транзисторы
с высокой подвижностью электронов. Это привело к быстрому улучшению ха-
рактеристик электронных высокочастотных мощных приборов, обеспечиваю-
щих впечатляющую пропускную способность. В настоящее время они и нахо-
дят применение в коммерческих приложениях.
На данный момент времени основная часть исследований GaN проводится
с использованием гетероэпитаксии, так как технология III-N объемных под-
ложек еще недостаточно хорошо развита. Высококачественные GaN-подложкиВведение
добиться скорости выращивания в 1—4 мкм/ч. Однако существует вероятность,
что с увеличением размеров системы выращивания с учетом условий ее опти-
мизации в будущем можно будет добиться получения слитков очень большого
размера. На данный момент времени максимальный размер слитка составляет
2'' (5 см). Другой метод получения объемного GaN заключается в выращивании
кристаллов из металлического расплава, использующегося для растворения ни-
трида галлия. При высоких значениях температур и давлений удается добиться
определенной растворимости GaN в Ga, что обеспечивает получение объем-
ных кристаллов за счет выращивания из раствора. Была показана эксперимен-
тальная возможность выращивания из раствора Ga тонких пластинок нитрида
галлия сантиметрового размера в атмосфере N2 при понижении температуры
до значения около 1600 °C. Данный метод до сих пор имеет ограниченную воз-
можность роста кристаллов и затравки. В вибрационном методе выращивания
Na/A в качестве флюса используется Na. Процесс выращивания начинается
с затравки при среднем температурном градиенте (700—800 °C) и давлениях по-
рядка 50 бар. За последнее время данный метод был существенно улучшен: ско-
рость выращивания была увеличена до 30 мкм/ч и получены слитки диаметром
два дюйма при толщине в несколько миллиметров. В стадии разработки нахо-
дятся также многие другие методы выращивания из расплава при атмосферном
давлении.
Качество объемных кристаллов GaN, получаемое с помощью вышеуказан-
ных методов, как правило, великолепное, то есть гораздо лучше, чем материа-
лы, получаемые с помощью эпитаксии на инородных подложках. Учитывая,
что при производстве упор на чистоту, как правило, не делается, максимальная
степень чистоты с точки зрения остаточных концентраций примесей находится
в диапазоне 1016—1017 см–3. С коммерческой точки зрения максимальный спрос
приходится на n-примесные и полуизолирующие пластины. Однако используе-
мые подходы, как правило, немного отличаются в зависимости от выбранного
метода. Ширина кривой качания ДРА (дифракционного рентгеновского ана-
лиза) составляет величину порядка 20 угловых секунд, а концентрация прорас-
тающих дислокаций находится в диапазоне 104—106 см–2, что является достаточ-
ным для самых требовательных приложений.
За последние несколько лет был сделан значительный прогресс в области
выращивания объемных GaN-материалов. Скорость выращивания и размер
получаемых пластинок были значительно увеличены. Производство GaN-
подложек в некоторых исследовательских и производственных лаборатори-
ях осуществляется уже штатным образом. Это даст возможность более точ-
ного изучения преимуществ применения высококачественных объемных
GaN-подложек для эпитаксиального выращивания различных оптических
и электронных приборных структур. Стало очевидным, что при выращивании
Введение 15
в случае со светоизлучающими структурами высокой мощности (например ис-
пользуемых для твердотельного освещения), возможно, будет необходимым
использование неполярных или полуполярных поверхностей из-за наличия
ограничений, влияющих на эффективность излучения в виду наличия прису-
щей Оже-рекомбинации в активной области квантовой ямы. Для решения этой
задачи пластины большого размера или кристаллы необходимо нарезать в за-
данном кристаллографическом направлении. Так как гетероэпитаксиальное
выращивание приборных структур в неполярном и полуполярном направлени-
ях с низкой концентрацией дефектов оказалось достаточно сложной задачей,
то такой спрос на пластины для неполярного или полуполярного выращива-
ния может стимулировать дальнейшее развитие и использование объемных
GaN-подложек. В конечном итоге решение об использовании объемных GaN-
подложек будет приниматься на основании экономических факторов. Подобно
своим аналогам, использующимся в гетероэпитаксии, они также должны иметь
высокое качество и низкую себестоимость. Главная задача, таким образом, бу-
дет заключаться в масштабировании систем выращивания для эффективного
производства больших количеств высококачественного материала. В настоя-
щее время многие рассматриваемые здесь методы находятся в фазе перехода
на промышленные рельсы, обещающие массовое производство.
Коламбия, США М. Асиф Хан
Линкёпинг, Швеция Б. Монемар
Март 2010Ï
Предисловие
Нитрид галлия (GaN) оказался одним из самых важных полупроводниковых
материалов для технологий современности. Его будущее обещает быть еще бо-
лее ярким по мере развития в сторону технологии твердотельного освещения
и электронных устройств большой мощности. Основной движущей силой, сто-
ящей за возникновением этой совершенно новой технологией создания прибо-
ров на основе GaN, оказались успешные разработки по достижению надежного
способа легирования примесью p-типа и, как следствие, возможность производ-
ства светоизлучающих устройств (светоизлучающих диодов и лазерных диодов/
LDs). Итоги исследований, проведенные пионером исследований в данной об-
ласти Шучжи Накамурой/Shuji Nakamura, были опубликованы в работе «Голу-
бые лазерные диоды» первом издании Springer-Verlag от 1997 года (S. Nakamura,
G. Fasol).
С тех пор была проделана большая работа в области развития более эффек-
тивных приборов на основе GaN, что привело к появлению многомиллиардного
долларового рынка. Данный факт является еще более поразительным, учиты-
вая достаточно «сырой» уровень развития технологии производства кристалли-
ческих и термически обработанных подложек для приборов на основе GaN. На-
чиная только приблизительно с 2000 года технология выращивания кристаллов
GaN вышла на уровень широкого признания как фундаментальной наукой, так
и промышленностью.
Данная книга представляет собой первый доступный для читательской
аудитории подробный обзор передовой технологии выращивания кристаллов
GaN, отражающий огромный прогресс, произошедший в особенности за по-
следнее десятилетие и подводящий нас к порогу, преодоление которого будет
означать достижение нашей общей цели: получение больших кристаллов GaN,
не имеющих дислокаций, для изготовления достаточного количества неполяр-
ных, полуполярных и полярных GaN-пластин по разумной себестоимости.
Редакция очень благодарна большому количеству признанных лидеров нау-
ки и промышленности, сделавших свой вклад в данную книгу. Мы искренне
надеемся, что эта книга окажется незаменимым ресурсом для инженеров, ис-
следователей и студентов, занимающихся в области выращивания кристаллов
GaN обработкой и изготовлением приборов на их основе как в сугубо научных,
так и промышленных целях.
Наконец, что не менее важно, мы выражаем свою благодарность всем, кто
участвовал в работе над данной книгой. В частности Дирк Эрентраут призна-
телен профессору Т. Фукуде (T. Fukuda) за сотрудничество, продолжавшееся
в течение нескольких лет; он также очень признателен своей жене Юмико за ту поддержку и терпение, которые она ему оказывала за время работы
над книгой.
Наконец за сотрудничество при работе над книгой хочется с признанием
упомянуть доктора C. Ашерона/Ascheron и г-жу А. Дум/Duhm A.
Сендай/Sendai Дирк Эрентраут/Dirk Ehrentraut
Эрланген/Erlangen Элке Мейсснер/Elke Meissner
Варшава Михал Боковски/Michal Bockowski
Эндрю Д. Хэнсер и Кейт Р. Эванс
(Andrew D. Hanser, Keith R. Evans)
Глава 1
Краткое содержание: осуществляется анализ возможностей долгосрочного
и краткосрочного применения объемных подложек на основе GaN, а также
мотивация и задачи по внедрению соответствующей технологии в конкрет-
ные приборы. Краткосрочный спрос на объемный GaN обусловлен, главным
образом, лазерными диодами, в то время как долгосрочный — электроникой
больших мощностей и твердотельным освещением. Главные условия выхода
на большой рынок связаны с необходимостью увеличения серийного производ-
ства и уменьшением себестоимости технологий производства GaN-приборов
на основе инородных подложек.
1.1.Вводная часть
Распространение технологий в нашем обществе носит почти всеохватываю-
щий характер. Почти по всему миру потребление продуктов технологии носит
массовый характер, и для удовлетворения растущих технологических потреб-
ностей создаются обширные производственные мощности. Даже в странах
третьего мира современные технологии находят свое применение в различных
формах, включая беспроводную связь, солнечную энергетику и фармацевтику.
Современные технологии самыми разнообразными способами обеспечивают
нам более высокий уровень жизни, за что приходится платить с точки зрения
потребляемых ресурсов и энергии, а также образованием отходов. Возникает
1.2. Движители рынка III-N-приборов и прогнозирование 19
насущная необходимость в развитии таких технологий, которые за счет мень-
шего количества потребляемой энергии и, соответственно, меньшего воздей-
ствия на окружающую среду могут обеспечивать улучшение уровня жизни.
В процессе развития современных технологий регулярно появляется некая
фундаментальная технология, способная произвести революцию. Такие атри-
буты информационного века, как транзисторы, интегральные схемы, микро-
процессоры и компьютеры, проникшие фактически во все сферы нашей жизни,
не появились бы без полупроводниковых материалов на основе кремния. Полу-
проводниковые материалы на основе III-нитрида и (III-N) имеют все основания
претендовать на такую же фундаментальную роль, какую в свое время сыграл
кремний. Такие материалы, как нитрид алюминия (AlN), нитрид галлия (GaN)
и нитрид индия (InN), станут основой для полупроводниковых устройств,
обещающих как новые функциональные возможности, так и возможность об-
новления существующих технологий. Несмотря на наличие и многих других
вероятных и очень даже прикладных применений этих материалов, основные
направления сводятся к двум главным: генерация света и регулирование элек-
трической мощности. Эти применения могут ускорить появление новых боль-
ших коммерческих рынков, и вероятность этого уже стимулирует агрессивное
развитие дополнительных материалов и технологий приборов. Большие пер-
спективы, обещаемые этими применениями, заключаются в способности ге-
нерировать большее количество (света, мощности) с меньшими затратами (бо-
лее высокой энергоэффективностью, меньшим потреблением электричества,
меньшими тепловыми потерями). В этой главе мы рассмотрим, какие задачи
и какие возможности дает использование материалов на основе GaN и, в част-
ности, какое применение найдут на рынке подложки из GaN. Мы покажем, как
будет происходить продвижение на ближнесрочный рынок продукта (подлож-
ки GaN) — движущей силы производственных улучшений для эффективного
освоения будущих рыночных возможностей.
1.2. Движители рынка III-N-приборов и прогнозировании
1.2.1Генерация света и твердотельное освещение на основе
материалов группы III-N
Одно из уникальных свойств III-N-материалов заключается в том, что они мо-
гут обеспечить эффективную световую эмиссию в диапазоне от ультрафиоле-
товых волн до инфракрасных. На этих длинах волн возможна разработка очень
эффективных полупроводниковых источников белого света. Твердотельное
освещение (SSL) на светодиодах (LEDs) предоставляет возможность потреби20 Развитие рынка подложек из объемного GaN
телю заменить менее эффективные и менее надежные технологии освещения,
как то: лампы накаливания, люминесцентные и галоидные источники света.
Колоссальное количество энергии уходит на генерацию света для наших
каждодневных нужд. Например, в Соединенных Штатах около 22 % нацио-
нальной электрической энергии используется для нужд освещения [1]. Это со-
ответствует мощности около 100 энергетических станций, но в связи с элек-
трическим несовершенством осветительных систем для производства такого
количества энергии необходимо в три раза больше электроэнергии. Цена такого
количества электрической энергии составляет около 55 миллиардов долларов
(США) и продолжает расти с ростом цен на энергоносители, ростом населения
и распространением технологии по всему миру. Сегодня необходимость в осве-
щении означает наличие глобального рынка электрических ламп, устройств
управления люминесцентными лампами, осветительных приборов и регулиро-
вания освещенности, который оценивается приблизительно в 40 миллиардов
долларов в год [1]. На смену многим низкоэффективным световым технологиям
разрабатываются очень эффективные системы на основе SSL.
При рассмотрении проникновения SSL на рынок осветительных приборов
и связанной с этим экономией энергии можно легко видеть, за счет чего данная
технология может улучшить нашу жизнь: лучшая энергоэффективность и сни-
жение потребления энергии, выброса углекислого газа и более низкие общие
потребительские издержки. Эти преимущества дают толчок развитию новых
технологий на базе GaN для систем твердотельного освещения.
Согласно докладу министерства энергетики США, научно-техническая
задача дальнесрочного характера состоит в достижении высокорентабельных,
готовых для рынка систем с величиной световой эффективности в 160 лм/Вт
к 2025 году [2]. Это равносильно 60 %-му улучшению сегодняшних высокоэф-
фективных источников света, таких как люминесцентных и галоидных, и более
чем на 800 % в сравнении с лампами накаливания, которые до сих пор являются
основными источниками света в мире. Как можно видеть из табл. 1.1 по све-
товой отдаче для различных источников света, для достижения требований,
предъявляемых министерством энергетики США, современная технология
подлежит серьезному усовершенствованию.
Рынок светодиодов на GaN оценивается приблизительно в 7 миллиардов
долларов, и к 2012 должен вырасти приблизительно до 15 миллиардов долла-
ров [4]. Рынок светодиодов на GaN уже достаточно хорошо сформирован. Од-
нако использование светодиодов в SSL в настоящее время достаточно сильно
ограничено набором возможных применений, число которых, тем не менее,
продолжает расти. Главными факторами сдерживания являются цена и общий
уровень технологической готовности светодиодных решений на основе GaN
при сравнении с уже существующими решениями. Согласно прогнозам по мере
усовершенствования технологий приборов рынок светодиодов для SSL должен
вырасти к 2012 году [4] до 1,2 млрд долларов, а в долгосрочной перспективе —
до 20 млрд долларов или более (табл. 1.2).
1.2.2. Электрические системы и электроника высокой
мощности на материалах группы III-N
Улучшение энергоэффективности электрических систем сокращает потребле-
ние энергии для многих применений. Например, электронные приборы быто-
Таблица 1.1. Потенциальный эффект перехода на твердотельное освещение
в США
Системы общего освещения
Главные показатели SSL-продукт
(прибор)
Лампа на-
каливания,
60 Вт
Компактная
люминесцент-
ная лампа
Световая отдача, люмен 1000 1000 1200
Потребляемая мощность, Вт 6,67 60 23
Люмен/Вт 150 16,7 52
Годовое потребление энергии (8 часов
в день, 365 дней) (кВт)
19,5 175,2 67,2
Фактор качества по отношению к све-
тодиоду
1 9,0 3,4
Годовой расход на одну лампу (9,3 цен-
та/кВт)
$1,81 $16,29 $6,25
Расчетная величина экономии энергии за год при использовании светодиодно-
го освещения: расчетная базовая величина потребляемой на освещение энергии
в 2020 году: 7,5 квадриллионов
Переход на SSL, % Экономия,
квадрил-
лион
Экономия,
(млрд долл.)
1 0,05 0,33 При равноцен-
ной замене лю-
минесцентных
ламп и ламп
накаливания
10 3,23
25 7,99
50 16,04
Примечания: квад. — один квадриллион БТЕ (британская тепловая единица = 1060 джо-
улей); приблизительно 6,6 миллиардов долларов за квадриллион БТЕ электрической
энергии.Глава 1. Развитие рынка подложек из объемного GaN
вого назначения потребляют в режиме ожидания от 5 до 10 % домашнего элек-
тричества, что в годовом выражении выливается в сумму порядка 3 миллиардов
долларов [5.6].
Согласно данным министерства энергетики США, потребление электри-
ческой энергии приборами, находящимися в режиме ожидания, составило
за 2004 году цифру в 64,5 миллионов мегаватт [7]. Такие потери эквивалент-
ны количеству энергии, производимой 18 электрическими станциями стан-
дартного типа. Такое потребление мощности в режиме ожидания является
результатом использования хотя и дешевых, но неэффективных источников
питания, отбирающих значительную мощность, когда электронный прибор
не используется. Кроме того, внедрение SSL подразумевает наличие высоко-
эффективных источников питания и контроллеров, необходимых для под-
держания высокого общего коэффициента полезного действия осветительной
системы. Электрические системы начинают находить все большее примене-
ние в автомобильной промышленности, характеризующейся ростом произ-
водства гибридных автомобилей, обеспечивающих большую эффективность
транспортных систем. Совместное использование двигателя внутреннего
сгорания и электрического повышает КПД транспортного средства и обеспе-
чивает снижение потребления смазочных материалов и выбросы вредных ве-
ществ в атмосферу. Согласно результатам одного исследования, расширенное
использование гибридных автомобилей обеспечивает возможность сокраще-
ния общего спроса на смазку для легковых машин, несмотря на рост их числа
и среднюю длину пробега. Одно лишь использование электродвигателя со-
вместно с двигателем внутреннего сгорания увеличивает КПД автомобиля
и способствует сокращению выброса в атмосферу углекислого газа и спроса
на смазку. Наконец, традиционные электросети, обеспечивающие выработ-
ку и подачу электроэнергии к потребителям, начинают дополняться новыми
Таблица 1.2. Диапазоны световой отдачи для различных источников
Источник света (лампа) Типовое значение свето-
вой отдачи, лм/Вт
Накаливания 10—18
Галогенная 15—20
Компактная, люминесцентная (включая дроссель старте-
ра)
35—60
Дневного света (люминесцентная) (включая балластный
резистор)
50—100
Металлогалоидная (включая балластный резистор) 50—90
Современные SSL-приборы общего назначения Вплоть до 62
SSL-система, планируемая к 2025 162
1.2. Движители рынка III-N-приборов и прогнозирование 23
источниками энергии, включая распределенные и возобновляемые источ-
ники энергии, такие как ветровые, солнечные, на биомассе и других типов.
Современные энергогенерирующие системы могут выиграть от более эффек-
тивного преобразования и коммутации, а более интеллектуальные системы
за счет мониторинга нагрузки и возможности расширенного управления раз-
личными циклами энерговыработки улучшат эффективность возобновляе-
мых источников энергии. Усовершенствования трансформации напряжений
и расширенного динамического регулирования напряжения, в управлении
сопротивлением и фазового угла в высоковольтных линиях передачи пере-
менного тока могут быть осуществлены с помощью средств на базе твердо-
тельной технологии [9].
КПД преобразователей энергии для электроники промышленного и бы-
тового назначения, для автомобилей гибридного и электрического типа, для
выработки и распределения в электросетях может быть повышен в результате
использования более эффективных электрических компонентов. Улучшение
эффективности для таких систем начинается с компонентов электроники вы-
сокой мощности (HPE) — основной для инвертирующих усилителей и преоб-
разователей мощности. В современных системах эти компоненты представ-
ляют собой полупроводниковые, главным образом кремниевые устройства.
В связи с характерными ограничениями, свойственными собственным (полу)
проводникам, приборы на основе кремния имеют потолок по мощности
и температуре, что отрицательно сказывается на эффективности электриче-
ской системы. По сравнению с кремнием нитрид галлия обладает свойствами,
обеспечивающими улучшенную характеристику полезной мощности. Нитрид
галлия характеризуется широкой запрещенной зоной (3,4 эВ), большой вели-
чиной напряженности электрического поля при пробое (~3 МВ/см) и высокой
подвижностью электронов (~1500 см2/В·с при комнатной температуре). Бла-
годаря этим свойствам обеспечивается низкая величина сопротивления при
включении, низкие потери коммутирования, хорошая производительность
при высоких температурах и высокая эффективность преобразования мощ-
ности у таких приборов, как диоды Шоттки и полевые транзисторы (FETS).
Приборы с такими характеристиками могли бы улучшить эффективность
электрических систем и существенно сократить энергопотребление в миро-
вом масштабе, оказывая влияние практически на любой аспект их примене-
ния, обеспечивая потенциальную экономию средств на сумму в 30 миллиар-
дов долларов в год [10].
В 2008 году общедоступный рынок электроники на основе GaN составлял
более 350 миллионов долларов, он, по всей вероятности, обещает занять суще-
ственную долю долгосрочного рынка электроники высокой мощности, оцени-
ваемого по прогнозам в 22 миллиарда долларов [11].
24 Глава 1. Развитие рынка подложек из объемного GaN
1.2.3. Позиционирование GaN-подложек на рынках
электроники высокой мощности SSL-приборов
Для вхождения приборов на основе GaN на рынки электроники высокой мощ-
ности и SSL необходимо серьезное усовершенствование технологии. Для выхода
на эти рынки технологии должны созреть до уровня возможности изготовления
материалов и приборов, использующихся в компонентах силовых и осветитель-
ных систем. Для изготовления приборов с высокими эксплуатационными харак-
теристиками нужны высокотехнологичные процессы с низкой себестоимостью.
Успешная реализация приборов на основе GaN будет зависеть от двух важных
компонентов. Во-первых, должны улучшиться эксплуатационные характери-
стики приборов на основе GaN. Например, для того, чтобы сравняться с кон-
курирующими предложениями и превзойти их, значение светоотдачи должно
возрасти более чем в три раза. С течением времени светоотдача светодиодов
на основе GaN постепенно улучшилась за счет внесения усовершенствований
при проектировании; однако остается надеяться, что данный технологический
прием сможет остаться на текущей траектории производительности. Большин-
ство стандартных светодиодов в настоящее время выращивается на инородных
(не нитридных подложках). Большое количество дефектов в материале объяс-
няется неполным соответствием свойств подложки и эпитаксиальных слоев.
Такой способ изготовления характеризуется неполным соответствием свойств
подложки и эпитаксиальных слоев, с чем связано появление дефектов и соб-
ственно деградация эксплуатационной характеристики прибора. Продолжает-
ся исследование воздействия данных дефектов на эксплуатационную характе-
ристику светодиодов, а также возможность ее фундаментальной зависимости
от качества материала. Это, в частности, очень важно для приборов с высокой
плотностью тока, обеспечивающих большую светоотдачу. На пути реализации
полного потенциала электронных приборов большой мощности, используемых
в качестве источников света, необходимо преодолеть два серьезных барьера:
производительность и надежность.
Второй путь заключается в удешевлении технологии GaN-приборов, где
самым дорогим компонентом может оказаться подложка. Снижение себесто-
имости обеспечивается за счет увеличения производства. Нахождение эконо-
мической целесообразности является одной из главных задач в производстве
полупроводников, а необходимость расширения производства диктуется ры-
ночным спросом. Приборы на основе GaN пользуются серьезным спросом.
Рынок светодиодов на основе GaN-подложек только начинает формировать-
ся, причем исключительно для высокотехнологичных применений вследствие
низкого уровня цен доминирующих технологий. Приборы на инородных под-
ложках характеризуются адекватной производительностью для светодиодных
применений, и уровень цен для таких эпитаксиальных пластин из GaN явля-
ется низким отчасти из-за большого производства и низкой себестоимости.
В результате в связи с высокой себестоимостью, которая обусловлена низким
выходом годных, новоявленные светодиодные технологии на основе подложек
из объемного GaN на этом рынке пока еще появиться не могут. Таким обра-
зом, необходимо выяснить, какие рынки в краткосрочной перспективе будут
не критичны в отношении к указанным недостаткам объемных GaN-подложек.
Так как стоимость технологического оборудования по выращиванию и исход-
ных материалов для GaN- и GaAs-подложек сопоставима, то в долгосрочной
перспективе производственная себестоимость GaN должна подойти вплотную
к подложкам из GaAs; однако следует помнить, что себестоимость подложки —
всего лишь одна составляющая производственной себестоимости для заданно-
го прибора с учетом таких требований, как надежность, производительность
и форм-фактор (рис. 1.1).
Производители объемных GaN-подложек осознали, что существуют проме-
жуточные возможности и ниши, с помощью которых можно добиться требова-
ний по производительности и цене, предъявляемых на более крупных рынках
SSL и электроники высокой мощности.
Именно краткосрочные и среднесрочные рынки дают шанс выйти на необ-
ходимый уровень производства, увеличить торговые обороты, выход годных,
сократить себестоимость и, таким образом, обеспечить себе выход на новые,более крупные рынки за счет роста и постоянного усовершенствования (смотри
табл. 1.3 с данными о существующих применениях приборов на основе GaN).
Начальные целевые рыночные ниши высокопроизводительных приборов
подразумевают наличие некой дополнительной наценки, связанной с той или
иной характеристикой прибора, например высокой энергоэффективностью,
меньшим размером и/или меньшей зависимостью от температуры. Вхождение
объемных подложек на такие начальные рынки будет происходить достаточ-
быстро, так как они восполняют потребность в решении задач, с которыми
конкурирующие продукты не справляются или делают это неудовлетворитель-
Теперь мы приступим к рассмотрению некоторых факторов, учет которых
поможет подложкам из объемного GaN удовлетворить рыночные требования,
покажем, каким образом это поможет вхождению на дополнительные рынки.
1.2.4. Ключевые факторы успешной коммерциализации
подложек из объемного GaN
Одна из областей, в которой использование GaN-подложек дает немедленную
выгоду, — это лазерные диоды на GaN. GaN-светодиоды в первую очередь пред-
назначаются для DVD-плееров и рекордеров высокого разрешения, хотя нельзя
забывать и о видеопроекторах высокого разрешения и дисплеях, коммерческой
печати, контрольно-измерительной аппаратуре для спектроскопии и биозонди-
рования. В DVD-системах высокого разрешения для считывания и записи дан-
ных на оптический диск используется лазерный диод с длиной волны 405 нм,
GaN идеально подходит для работы полупроводниковых лазеров на данной
длине волны. Война форматов между Blu-ray и HD DVD в начале 2000-х, по всей
видимости, затормозила развитие рынка плееров следующего поколения [12].
Однако к началу 2008 года промышленность приняла стандарт Blu-ray, что от-
Таблица 1.3. Применение GaN для светодиодов, приборов высокой мощности
и лазерной техники
Светодиоды Приборы высокой мощ-
ности
Лазерные диоды
Подсветка (мобильные
устройства, ЖК-дисплеи)
ВЧ-усилители мощности
для аппаратуры связи
и радаров
Оптические носители
данных
Полноцветные экраны
больших форматов
Импульсные источники
питания
Проекторы
Сигнальные и рекламные
указатели
Энергетические установки
спутников
Промышленная печать
Осветительные системы
общего назначения
Высокотемпературная
электроника
Испытания и измерения
(спектроскопия, зондиро-
вание)крыло дорогу для увеличения производства лазерных диодов и оптических при-
водов. Согласно прогнозам, уровень продаж Blu-ray DVD-плееров в 2008 году
должен был достичь показателя в 5 миллионов штук, а к 2009 году — до 12 мил-
лионов штук [13], в то время как рынок лазерных GaN-диодов должен был до-
стичь ценовой планки в 1,2 миллиардов долларов к 2011 [14].
Типичные Blu-ray плееры потребляют приблизительно 20 мВт [15] при сро-
ке эксплуатации, превышающем 10 тысяч часов в непрерывном режиме рабо-
ты лазера. С разработкой лазеров более высокой мощности скорость записи
DVD- рекордеров увеличится. Потребляемая мощность лазерных диодов при
считывании/записи варьируется от 125 мВт для 2-стандартной скорости запи-
си, до 170 мВт (импульсный режим) для 4-стандартной скорости записи [16] и до
250 мВт для 8-стандартной скорости записи [17]. Для лазерных диодов большой
мощности количество выделяемого при работе тепла становится значитель-
ным. Для обеспечения надежной работы на более высокой мощности необходи-
мо улучшение качества материалов [18].
Лидером в области разработки GaN-лазеров является Япония. В 2008 году
Nichia Сorporation, ведущий производитель светодиодов на GaN, держала в сво-
ем активе 80 % рынка лазерных (оптических) диодов/LD на основе GaN [19].
Nichia имеет в своем арсенале технологию производства как сапфировых под-
ложек, так и подложек из объемного GaN [20], причем разработка и лицензиро-
вание технологии GaN LD велась совместно с Sony. Sony, а также Sharp и Sanyo
занимаются разработкой LD (лазерных диодов) на основе технологии производ-
ства GaN-подложек. Переход к массовому производству замедлился в связи с не-
обходимостью внесения в технологию изготовления лазерных диодов на основе
GaN существенных изменений, в связи с чем произошла задержка с выходом
Sony Playstation 3 и плееров Blu-ray. Главной проблемой при производстве лазер-
ных диодов (ЛД) оказался выход годных, что связано главным образом с огра-
ниченным количеством подложек из объемного GaN высокого качества [22].
Технологические процессы изготовления лазерных диодов/LD из GaN
на сапфировых подложках характеризуются большими концентрациями дис-
локаций, требовательностью к точности монтажа и расположения приборов
на подложке. Несмотря на отсутствие открытых данных по выходу годных
GaN LD на сапфировых или объемных GaN-подложках, ожидается, что ис-
пользование высококачественных подложек из объемного GaN будет способ-
ствовать увеличению выхода годных оптимизированного процесса эпитакси-
ального выращивания благодаря меньшему количеству дефектов, улучшенной
однородности и более упрощенным процессам эпитаксиального выращивания.
Свидетельством этому является переход всех производителей лазерных диодов
с сапфировых подложек на GaN-подложки, в особенности для лазерных диодов
высокой мощности.С рыночной точки зрения успешная коммерциализация GaN LD зависит
нескольких ключевых факторов:
сильный и растущий коммерческий спрос на усовершенствованные • по-
лупроводниковые приборы на материалах группы III-N в широком диа-
пазоне применений;
• улучшение свойств материалов из объемного GaN, обеспечивающих
высокое структурное качество прибора, а также температурные харак-
теристики, которые невозможно получить с помощью прочих методов;
• получение высокопроизводительных приборов, преимущество которых
заключено в свойствах подложки из объемного GaN.
Производители GaN-подложек будут использовать данные рыночные фак-
торы с целью обоснования выделения ресурсов для увеличения производствен-
ных мощностей, что сделает подложки из объемного GaN более доступным то-
варом.
Такое предложение подложек будет способствовать росту рынка приборов
коммерческого назначения, а это, в свою очередь, — дальнейшему увеличению
возможностей подложек, делающему возможным улучшение ситуации с вы-
ходом годных. По мере усовершенствования технологической последователь-
ности операций по изготовлению GaN-подложек за счет снижения издержек
научно-технические работы и налаживания стабильных поставок будет
увеличиваться их доступность, отчего останутся в выигрыше и другие новые
применения. Коммерческий спрос стимулируется разработкой и выходом
рынок новых приборов, что в свою очередь обеспечивает дополнительную
мотивацию производителей подложек к увеличению производства. В качестве
GaN-пластин, предназначенных для применения в силовой электронике, со-
вокупный объем выпуска которых на 2015 г. будет составлять приблизительно
600 тысяч единиц.
Данный прогноз по объему производства свидетельствует о весьма благо-
приятно складывающейся ситуации для GaN-подложек, но для того, чтобы
удовлетворить ценовые ожидания рынка, должны быть найдены способы сни-
жения себестоимости.
1.3.Преимущество и значимость подложек из объемного GaN
Несмотря на многочисленные попытки разработать технологию изготовления
приборов из SiС и особенно GaAs и InP с использованием более дешевых крем-
ниевых и сапфировых подложек, практически все приборы на основе полу-
проводниковых материалов разных групп, включая кремний, SiC, GaAs и InP,
изготавливаются на соответствующих объемных подложках. Ситуация с ни-
тридными приборами обстоит иначе: большинство нитридных полупровод-
никовых приборов коммерческого назначения в настоящее время изготавлива-
ются на инородных подложках из Si, SiC и сапфира, что отражает медленный
прогресс глобальных усилий по разработке экономически эффективного ме-
тода получения высококачественных подложек из объемного GaN и, как след-
ствие, ограниченные поставки таких подложек. Задача выбора инородных под-
ложек при разработке и коммерциализации GaN-приборов представляет собой
компромисс с точки зрения степени пригодности подложки в качестве исхо-
дного материала для эпитаксиального выращивания GaN. Несмотря на такие
преимущества инородных подложек, как хорошая доступность больших раз-
меров, высокое качество и низкая себестоимость, у этого гетероэпитаксиаль-
ного метода существует и ряд хорошо известных недостатков: рассогласование
параметров кристаллической решетки, рассогласование коэффициентов те-
плового расширения и химическая несовместимость между подложкой и эпи-
таксиальными слоями. Тем не менее, благодаря многим годам, потраченным
на усовершенствование технологии инородных подложек, были разработаны
процессы эпитаксиального выращивания, обеспечившие возможность ком-
мерциализации GaN-светодиодов для многих применений. Этот путь развития
также привел к появлению ряда принципиально новых методов эпитаксиаль-
ного выращивания и конфигураций подложек, обеспечивающих некоторое
сокращение концентрации дислокаций в гетероэпитаксиально выращенных
GaN-слоях.