1.3. Опыты на GaN и история открытий.
В начале семидесятых годов в лаборатории RCA были получены структуры металл–диэлектрик–полупроводник (МДП), в которых наблюдалась электролюминесценция голубого (с длиной волны 475 нм) и зеленого цвета свечения. Эти МДП-структуры стали первыми светодиодами на основе GaN.
В дальнейшем технологи заменили цинк магнием. В результате удалось получить структуру, излучающую свет в голубом и фиолетовом (с длиной волны 430 нм) диапазонах. К сожалению, такие светодиоды обладали очень низким квантовым выходом и эффективностью, поэтому работы по GaN были приостановлены почти на десять лет.
В 80-х годах XX в. работ по GaN в Европе и США практически не было. Но их продолжали вести исследователи в Советском Союзе и Японии. В начале 80-х приоритетными были работы исследователей МГУ им. М. В. Ломоносова Г. В. Сапарина и М. В. Чукичева по активации люминесценции в GaN, проводившиеся на физическом факультете, и работы исследовательской группы В. Г. Сидорова в Ленинградском политехническом институте (ныне Санкт-Петербургский технический университет)
Японским исследователям из университета Нагойи под руководством профессора Исаму Акасаки в конце 80-х гг. удалось получить светодиод на основе GaN со слоем p-типа. Стойкие акцепторы магния активировались при облучении структур GaN электронным пучком; возможность этого в GaN-структурах с акцепторами цинка показали в своих работах исследователи из МГУ в начале десятилетия. Дополнительное легирование p-слоя GaN позволяет улучшать эффективность активации глубоких акцепторов. Этот прорыв открыл дорогу к использованию GaN-структур с p-n-переходом в оптоэлектронике, да и в электронике в целом.
Дальнейшая история GaN касается наших дней и поражает перспективами развития. Заголовки журналов по электронике пестрят самыми разными заявлениями: «Эра безкремниевой электроники», «Нитрид Галия способ жить в человеческом теле», «Зарядные устройства на Нитриде Галлия», «Замена Кремнию» и так далее. Пускай такие заголовки не всегда близки к действительности, точно можно сказать, что самый важный виток в развитии электроники для этого материала только начинается в наше время.
2. Cовременные методы получения SiC и GaN
2.1. Методы получения SiC
В первую очередь стоит снова упомянуть, что печь Ачесона до сих пор используется для получения абразивного порошка Карбида Кремния. Но очевидно, этот метод не применим в производстве электроники.
В
1955 году Ян Энтони Лели из «Philips
Electronics»
подал патент на сублимационный метод
получения кристаллов Карбида Кремния,
который теперь называется «методом
Лели». Монокристаллы SiC
в таком процессе выращивались в результате
перегонки SiC
из более горячих в более холодные области
реактора. Порошок карбида кремния
загружают в графитовый тигель, который
продувают газообразным аргоном и
нагревают примерно до 2500 ° C.
Карбид кремния у внешних стенок тигля
сублимируется и осаждается на графитовом
стержне около центра тигля, который
имеет более низкую т
емпературу.
Рисунок 2. Фотография тигля. 1 – тигель. 2 – шихта, 3 SiC – монокристаллы.
Этот метод позволил получить политипно-однородные кристаллы неправильной шестиугольной формы. С куда более чистыми образцами удалось установить, что Карбид Кремния – полупроводник с непрямой зонной структурой. Также было открыто множество других свойств и характеристик, о которых будет рассказано позже. Важным для электроники является то, что Карбид Кремния имеет высокую температуру роста (>2000о C), тяжело обрабатывается и плохо травится. Отчего промышленность 50-х годов снова потеряла к нему интерес.
В 1970 году Ю. А. Водаков и Е. П. Мохов предложили сублимационный сэндвич-метод выращивания эпитаксиальных (наращенных на материале) слоев SiC. Этим методом удавалось управляемо получить слои n- и p- проводимости, то есть создавать p-n структуры. Основной особенностью сэндвич-метода или метода малых промежутков является то, что источником и затравкой служат кристаллы полупроводникового материала. Процесс выращивания кристаллов здесь и далее не будет рассматриваться подробно, так как это область исследования других дисциплин, изучаемых на старших курсах.
С использованием затравок удалось добиться создания больших монокристаллов. Цветков В. Ф. и Таиров Ю. М. в 1979 году предложили метод «Физического транспорта паров» (Physical Vapor Transport - PVT). Также этот метод называют «модифицированным методом Лели».
На основе этих технологий и их модификаций в ФТИ им. Иоффе к середине 80-х годов было разработано несколько SiC-полупроводниковых приборов и проведены обширные исследования электрофизических свойств Карбида Кремния.
Самым современным и эффективным методом эпитаксии плёнок 3C-SiC является газотранспортный метод С. Нишино. Применение стандартного технологического оборудования и подложек большого размера открыло возможность использовать полученные результаты для создания коммерческих изделий. Было создано несколько типов полевых транзисторов. Хотя их характеристики оказались не удовлетворительными по сравнению с современным применением. Обычно такие пленки 3C-SiC используют для создания мембран и тензодатчиков (измеритель уровня деформации).
Вскоре были отработаны режимы роста 6H-SiC пленок на подложках 6H-SiC. Комбинация модифицированного метода Лели, газотранспортной эпитаксии с последующим плазмохимическим травлением и металлизацией поверхности позволило создавать качественные SiC приборы: светодиоды синей области спектра, фотоприемники УФ-диапазона, выпрямительные диоды, полевые и биполярные транзисторы, тиристоры.