Да будет свет! Российские технологии создания новой светодиодной техники

Жеребцов Дмитрий Анатольевич Жеребцов Дмитрий Анатольевич

Разработка технологии производства раствор-расплавного монокристаллического нитрида галлия

О жизненной необходимости перехода осветительных систем на полупроводниковые технологии говорится в последнее время не мало и в мире и у нас в России. В конце прошлого года РОСНАНО, Онэксим групп и Уральский оптико-механический завод (УрОМЗ) заключили соглашение о создании совместного предприятия по производству осветительных систем на основе нитридгаллиевых (GaN) светодиодов. В этой же области работает группа НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ (г. Челябинск). О созданной технологии выращивания кристаллов GaN из расплавов рассказывает Жеребцов Дмитрий Анатольевич, кхн, Директор научно-образовательного центра «Нанотехнологии» ЮУрГУ.

Вопросы автору можно задать в конце статьи



Научно-техническая постановка задачи и пути ее решения

Физические, электрические и химические свойства нитрида галлия (GaN) делают его идеальным материалом для голубых и ультрафиолетовых твердотельных лазеров/диодов/сенсоров, оптоэлектроники и связи, компьютеров, цифровых устройств, силовых электрических сетей, плоских дисплеев, систем освещения и т.д. Высокая химическая и температурная стабильность нитрида галлия делает его особо привлекательным для оборонных и космических применений.

Коэффициент преобразования электрической энергии в световую для светодиодов составляет 50–80%, что в 2–3 раза выше, чем для остальных источников света (ламп накаливания и газоразрядных ламп), что означает революцию в технике освещения при условии наличия надежных голубых светодиодов в дополнение к давно известным красным и зеленым. В настоящее время широкому внедрению GaN в промышленность препятствует отсутствие способа производства его в виде монокристаллов. Предлагаемый проект нацелен на экспериментальное физико-химическое исследование условий выращивания монокристаллического нитрида галлия и закладывает основу уникальной технологии производства монокристаллов GaN из раствора в расплаве на основе нитрида лития.

Химия нитридов получила новый толчок к развитию в последние 10 лет, обусловленный все более широким распространением перчаточных боксов для работы с чувствительными к воздуху веществами. Тем не менее, объема и точности экспериментальной информации недостаточно. Учитывая актуальность, новизну, предварительные теоретические и экспериментальные исследования, ожидаемые результаты проекта должны превышать мировой уровень.

gn-009.jpg

Появившиеся в 1996 г. на рынке голубые светодиоды производят методом эпитаксии из газовой фазы на гетеросубстрате (обычно на монокристаллическом сапфире). Различие в свойствах (в частности, в коэффициенте термического расширения) между осажденным слоем и подложкой приводит к тому, что выращенный при 800ºС слой при охлаждении до комнатной температуры трескается. Высокая плотность дислокаций в таком слое (104-106 см-2) приводит к резкому снижению служебных качеств материала: срок службы, процент брака, светоотдача, монохроматичность и т.д. Лучшие диоды имеют менее 2 лет непрерывного свечения. Предлагаемый монокристаллический GaN будет иметь на порядки меньше дефектов (раствор-расплавный GaN, полученный в небольшом количестве в Варшаве, имеет 102 дислокаций на квадратный сантиметр). Монокристалл нитрида галлия являлся бы идеальным субстратом для эпитаксиального наращивания пленок GaN, так же, как монокристалл кремния является в настоящее время субстратом для производства многослойных электронных систем (диодов, транзисторов, микропроцессоров и т.п.).

gn-GaN1.JPGgn-GaN2.JPG
Полученные сотрудниками кристаллы GaN

К настоящему времени самые крупные кристаллы GaN (пластинки шириной 10–20 мм и толщиной 0,1–0,2 мм) были выращены именно из расплавов: из раствора Ga в Na (при давлении азота 30–50атм и 750–800ºС) или из расплава чистого галлия (1000–5000атм и 1300–1500ºС). Это подчеркивает перспективность метода.

Российские разработки относятся преимущественно к эпитаксиальному выращиванию из газовой фазы, повторяя, а в отдельных случаях и опережая опыты зарубежных коллег. В области расплавного синтеза GaN челябинская группа, по-видимому, является первой группой в России, начавшей выполнение данного проекта.

Конгруэнтное плавление GaN происходит при давлении азота 60000 атм и 2200ºС, что технически препятствует внедрению метода выращивания GaN из собственного расплава. Однако нитрид галлия возможно обратимо растворить в подходящем расплаве. Величина растворимости имеет решающее значение для формирования GaN. С 1997 года в Cornell University (США) начались работы по выращиванию нитрида галлия при реакции азота (30–50 атм) с раствором Na-Ga (750–850ºC), которые продолжились в Японии.

Растворимость GaN в жидком натрии при 750–850ºС составляет менее 0,1%. Разбавление расплава элементами, образующими легкоплавкие ионные нитриды (например, Li), и одновременно формирующими с нитридом галлия относительно легкоплавкие двойные нитриды (Li3GaN2 и т.д.) позволяет резко увеличить растворимость GaN в таком расплаве. В качестве предельного случая может рассматриваться раствор GaN в расплаве Li3N-Li3GaN2 (без участия летучего натрия).

Трудность в осуществлении метода заключается не только в относительно высоких температурах и давлениях (10–100 атм азота и 800–900ºС). Основное препятствие – выбор материала контейнера для расплава. Агрессивные добавки (Li, Li3N), интенсифицирующие процесс роста, растворяют не только нитрид галлия, но и растворяют (корродируют) большинство других материалов: корунд, графит, нитрид бора, платину и т.д. Необходим поиск новых, более стойких материалов.

Несмотря на участившиеся в последние 6 лет разрозненные попытки исследования жидкофазных систем с галлием и азотом (в основном прикладного характера), для получения полной картины механизмов формирования монокристаллических структур нитрида галлия в условиях высоких давлений и температур необходимо проведение дополнительных экспериментальных и теоретических работ в области химии нитридных расплавов.

gn-001.jpg
Сотрудники НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ

Исследование влияния одновременно двух легирующих примесей в расплаве на механизм формирования и свойства монокристаллического нитрида галлия ранее систематически не проводилось. Тем не менее, эта информация крайне необходима для управления свойствами получаемых кристаллов.

В 2003–2005 проведены эксперименты по выращиванию монокристаллов нитрида галлия в автоклаве, что позволило выделить наиболее перспективное направление развития метода. Размер выращенных кристаллов сейчас достигает 1–2 мм. Они получены в тигле объемом 30 мл, что говорит о том, что при увеличении размеров тигля возможно быстрое увеличение размера и количества кристаллов.

Работы в области расплавного синтеза GaN активно проводятся в Японии, Южной Корее, КНР и США. Сотрудниками ЮУрГУ найдено взаимопонимание с Институтом по выращиванию кристаллов IKZ (Берлин) и университетом Турку (Финляндия) по обоюдному обмену научными результатами и плодотворному их обсуждению.

В настоящее время ведутся переговоры с Физико-Техническим институтом им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) о совместной работе над новой технологией. Предлагаемая технология способна эффективно дополнить существующую эпитаксиальную, поскольку сможет предоставить высококачественные монокристаллические подложки для нее. Рынок давно готов к появлению такого продукта, но недостаток финансирования задерживает развитие технологии, для которого необходимо около 3 лет.

Экономика проекта

В этом году сотрудники НОЦ «Нанотехнологии» подают заявку на патент на данный метод.
Выход на полупромышленное производство может быть достигнут в течение 3 лет, с уровнем финансирования 7, 10 и 15 млн. руб. в год соответственно, с производством к концу третьего года 2–3 кг товарных монокристаллов в месяц (каждый кристалл массой 50–100 г). На четвертый год планируется переход к проектированию и возведению промышленной установки с производством к концу пятого года 10–15 кг товарных монокристаллов в месяц (каждый кристалл массой 100–150 г) себестоимостью по реактивам 20000–30000 $/кг GaN (это основная часть расходов в эксплуатации). Данное высокотехнологичное производство способно будет расположиться в помещении 200–300 м2 при затратах на создание оборудования и оснастки 25–30 млн. руб. и 4–5 операторах.

Жеребцов Дмитрий Анатольевич, кхн
Директор научно-образовательного центра «Нанотехнологии» ЮУрГУ (г. Челябинск)
Телефон: +7 908 042 53 07, факс: +7 (351) 267 91 19
E-mail: zherebtsov_da@yahoo.com


Другие материалы по данной тематике на портале NanoNewsNet


Вы можете задать автору интересующий вас вопрос на затронутую выше тему в форме обсуждения статьи (см. ниже):

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.7 (27 votes)


kur аватар

Вы можете задать автору интересующий вас вопрос на затронутые выше темы в форме обсуждения статьи

Anonymous аватар

классная статья! pr – дело нужное!!

Anonymous аватар

с себестоимостью понятно, точнее с ценой сырья. а много ли электричества надо? и, наконец, почем «опиум для народа»??

Anonymous аватар

Электричества по сравнению с реактивами практически не расходуется. Ожидаемое время роста партии кристаллов в полупромышленной установке составит 20 дней, в течение которых печь будет потреблять около 15 кВт электроэнергии, а выдавать 2–3 кг GaN на 60000–100000 $ (из них стоимость реактивов соответственно 40000–60000 $). Например, кристалл GaN для чипа процессора будет стоить около 10 $, для светодиода (ультрафиолетового лазера) – менее 1 $. Таков опиум.

Anonymous аватар

И когда же наступит ваше светлое будущее?

DmitryZherebtsov аватар

Сейчас, несмотря на кризис, наше государство продолжает вкладывать средства в науку и инновации. И это не может не радовать. Этим занимается как Федеральное агентство по науке и инновациям (и другие ведомства), организуя конкурсы грантов, так и госкорпорация Роснано, которая, по итогам 2008 года, по-видимому, пришла к здравому выводу, что готовых на блюдечке технологий в истощенной российской науке мало, а, значит, надо поддерживать проекты на стадии ОКР с периодом выхода на готовую технологию через несколько лет. Мы надеемся получить в той или иной форме поддержку от государства на создание технологии с выходом на полупромышленное производство. Вот тогда станет светло, и из кризиса все мы выйдем «на коне».

birger аватар

Звучит красиво, но пессимистично :-), что, впрочем, понятно, ребята устали ждать «милости» от барина и его чиновников. У нашего сайта есть определенные возможности по размещению материалов на паре очень известных нанотехнологических сайтов в Англии и США. А не поместить ли нам эти материалы там? Всякое бывает…

Вопрос и к редакции и к авторам…

Евгений Биргер

kur аватар

Дмитрий, всё ж хотелось бы получить краткую справку о том чем ваша технология отличается от технологии принятой в вышеназванном проекте РОСНАНО, Онэксим групп и УрОМЗ? Есть ли реальные преимущества в экономике или функциональности? Что касается необходимости публикации материалов «на западе» – то это прежде всего должен решить автор. Если это нужно, то мы сейчас открываем английскую версию сайта n-n-n.ru можно воспользоваться этой площадкой, а можно площадками наших партнёров – nanowerk.com, например.

Anonymous аватар

Желаю удачи участникам проекта!

DmitryZherebtsov аватар

Авторы не против размещения представленных материалов на других сайтах; договаривайтесь с автором www.nanonewsnet.ru.

Что касается США, то мне посчастливилось в 2003 году познакомиться на конференции в Майами с большинством американских исследователей, вовлеченных в нитридный проект под эгидой MURI. Вначале это было около 30 исследователей, однако Корнеллский университет с 2005 г. свернул проект по нитриду галлия, Университет Северной Каролины сделал с 2004 г. ставку на более простое выращивание нитрида алюминия вместо нитрида галлия, зато настойчивый исследователь из Science Applications International Corporation (Вашингтон), при сотрудничестве с Naval Research Laboratory (Лабораторией ВМФ США) Борис Фейгельсон не утратил веры в раствор-расплавный метод и добился в 2007 г. роста кристаллов размером около 2х1х1 мм, что примерно сопоставимо с нашими кристаллами.

Около половины исследований по раствор-расплавному GaN проводится в Азии (Япония, Корея и Китай). Отдельной яркой строкой стоит лаборатория Института высоких давлений в Варшаве, где эксперименты с GaN проводят под давлением до 20000 атм при температуре до 1500 градусов С.

Жизнь науки сложная, подверженная как сиюминутным предпочтениям и произволу экспертов и чиновников, выдающих гранты, так и устойчивостью самх исследователей, их готовностью продолжать исследования, даже когда им отказывают в финансовой поддержке.

Тем не менее, как уже сказано в заметке выше, плотность дислокаций в раствор-расплавном GaN составляет около 100 на кв. см, а в эпитаксиальном (например, по технологии Оптоган, см. их сайт) около 100000 на кв. см. И с этими цифрами будут считаться. Те, кто это осознает раньше и поддержит нас, будет владеть технологией. Один из вариантов развития нашей лаборатории – выход на полупромышленную установку в течение 3 лет и продажа технологии, как это сделал Оптоган (по-моему, за 1 млн.$).

Кстати, почему их купила не компания из Силиконовой долины, а ОНЭКСИМ – вопрос отчасти политический, а отчасти – технологический: в самой долине свои технологии находятся примерно на том же уровне развития (производимый GaN имеет 10000–100000 на кв. см), поэтому нет большого экономического смысла в такой покупке.

Правда, полноценной кооперации между исследователями из разных стран, видимо, не будет. Так, азиаты и большинство других исследователей свободно излагают подробности (или, ести хотите, know-how) своих работ в статьях, а лаборатории, в которых внутренний голос более строг (например, Варшава и Naval Research Laboratory) и где, возможно, предполагается скорый переход к полупромышленному производству GaN, в своих публикациях стараются подать минимум секретов синтеза GaN. Как отмечалось в заметке, нитрид галлия особенно привлекателен для оборонных и космических применений, недаром исследования в США идут при поддержке Naval Research Laboratory. Причины секретности понятны.

В октябре я надеюсь посетить Международную конференцию по нитридным полупроводникам в Корее, где встретятся многие из ведущих ученых. Наше общение в любом случае будет взаимнообогащающим и послужит ускорению работ в каждой лаборатории. Например, в публикации обычно не входят неудачные опыты и негативные результаты. Тем не менее, знать от коллег о заведомо тупиковых направлениях весьма полезно, это экономит всем время и ресурсы.

Aleksandr аватар

Вы пишите что основное препятствие является выбор материала контейнера для расплава, поэтому прошу ответить на вопросы:

  1. Какие требования вы выдвигаете к материалу контейнера.
  2. Была ли решена Вами проблема выбора материалла.

Если можно продублировать ответит на korespondenciya@mail.ru.

Категории статьи