Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время широко востребованы устройства на основе
AlGaAs/GaAs-гетероструктур, в частности высокомощные
полупроводниковые светоизлучающие приборы. Хорошо известно, что основной причиной, ограничивающей срок службы и рабочую мощность полупроводниковых светоизлучающих гетероструктур, является разрушение их поверхности под воздействием мощного оптического излучения. Под воздействием мощного оптического излучения, больших протекающих токов и тепловых эффектов, вызванных разогревом структуры, поверхность полупроводника деградирует в ходе работы. Одной из причин выхода из строя полупроводниковой структуры является диффузия кислорода к поверхности из кислородсодержащего диэлектрика либо через него. Одним из высокоэффективных способов защиты поверхности от окисления является технология скалывания пластины на кристаллы в сверхвысоком вакууме или в инертной среде с последующей пассивацией, однако это очень дорогие и сложные в реализации процессы. Большое число исследований проведено в области халькогенидной и нитридной пассивации, однако данные о внедрении этих методов в производство отсутствуют. В связи с этим активно развиваются технологии нанесения наноразмерных диэлектрических покрытий. Сегодняшний уровень развития нанотехнологий позволяет рассмотреть перспективу использования полимерных материалов в качестве оптических покрытий вместо используемых в настоящее время диэлектрических неорганических материалов. В последние годы интерес к полимерным материалам постоянно растёт благодаря их уникальным механическим свойствам и устойчивости к мощному когерентному излучению. Защитные покрытия на основе полимеров могут найти применение в производстве как органических светоизлучающих диодов, так и лазерных диодов с длиной волны, лежащей в видимом диапазоне. Это может не только улучшить параметры этих приборов, но и уменьшить их стоимость и упростить технологию производства. Основными достоинствами полимеров являются простота изготовления покрытий на их основе и возможность работы с гибкими подложками. Полимерные покрытия могут быть сформированы с использованием различных методов осаждения из раствора, например метода полиионной сборки (метод адсорбции из раствора), метода Ленгмюра-Блоджетт и центрифугирования. Для того, чтобы выдерживать воздействие мощного когерентного излучения полимер должен обладать высокой термической устойчивостью. К полимерам, обладающими максимальной термостабильностью (до 560С) относится класс полиимидов. Это свойство позволяет использовать их в качестве герметизирующих и пассивирующих покрытий в светоизлучающих
полупроводниковых приборах. В тоже время, развитие технологий вакуумного напыления позволяет получать неорганические покрытия с высокой лучевой прочностью.
Помимо герметизации излучающей грани полупроводниковой структуры, часто необходима диэлектрическая изоляция р-п-перехода. Такая защита необходима во избежание короткого замыкания рип областей полупроводниковой структуры во время пайки. Преимуществом мягкой диэлектрической полимерной плёнки перед твёрдой (SiC>2, Si3N.4) является её способность не давать трещин при механическом воздействии на кристалл. Так, во время скалывания полупроводниковой пластины на кристаллы твёрдый диэлектрик может разрушаться и крошиться, в то время как мягкие плёнки не повреждаются. Плёнки полиамидоимидов (ПАИ) могут осаждаться центрифугированием, что делает способ их получения быстрым и недорогим по сравнению с напылением плёнки диэлектрика в вакууме. Кроме того, этим методом можно получать толстые плёнки, полностью покрывающие канавки в полупроводниковой структуре. В связи с этим актуальной задачей является поиск новых материалов для защиты светоизлучающей поверхности полупроводника, позволяющих увеличить рабочую и предельную мощность приборов и продлить их срок службы, а также разработка технологий, позволяющих уменьшить стоимость конечной продукции.
Цель диссертационной работы: создание защитных покрытий на
основе полимеров и неорганических материалов, позволяющих увеличить
предельную мощность и надёжность светоизлучающих
полупроводниковых приборов на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур.
Задачи исследования:
Разработать технологические основы получения полимерного защитного покрытия методом адсорбции из раствора на поверхности полупроводниковой гетероструктуры.
Создать эффективную диэлектрическую защиту р-п-перехода с помощью осаждения толстых (~1 мкм) полиамидоимидных плёнок, полученных методом центрифугирования, и определить процент выхода годных приборов.
Исследовать оптические и структурные характеристики плёнок нитрида кремния, селенида цинка и оксида алюминия и проанализировать возможность их использования в полупроводниковых приборах с мощным когерентным излучением.
Научная новизна работы:
1. Показана возможность использования полимерных материалов для пассивации выходной светоизлучающей грани полупроводниковых кристаллов на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур и на примере полупроводниковых лазерных диодов показано, что наноразмерная плёнка полиамидокислоты (ПАК) позволяет увеличить их предельную мощность в 1.5 раза.
2. Показана возможность диэлектрической изоляции р-п-перехода
полиамидоимидами, что позволяет увеличить выход годных приборов по
короткому замыканию до 90 - 95%.
3. Разработаны технологии получения тонких защитных
неорганических плёнок с высокой лучевой прочностью методом
электронно-лучевого испарения в вакууме с ионным ассистированием.
Научно-практическая значимость работы:
1. Создана технология защиты тонкими полимерными покрытиями на
основе полиамидокислот светоизлучающих поверхностей
полупроводниковых гетероструктур на основе AlGaAs/GaAs.
2. Показано, что полиамидоимидная герметизация может
использоваться при создании полупроводниковых устройств с р-п-
переходом, таких как полупроводниковые диоды, транзисторы, лазерные
диоды.
3. Результаты диссертационной работы использованы в ОАО «НПП
«Инжект»», г. Саратов, что подтверждается актом внедрения № 5 от
26.04.11.
Достоверность полученных результатов обусловлена
использованием в экспериментах стандартной сертифицированной измерительной аппаратуры и подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных, полученных с использованием современных физико-химических методов: атомно-силовой микроскопии (АСМ), спектрофотометрии, инфракрасной (ПК) Фурье спектроскопии и др.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
Исследуемые полиамид окис лоты, осаждённые методом адсорбции из раствора на поверхность гетероструктуры AlGaAs/GaAs, обеспечивают надёжную герметизацию, предохраняя её от воздействия атмосферного кислорода, что обеспечивает повышение рабочей мощности излучения в 1.5 раза. Выходная оптическая плотность мощности при этом увеличивается до 7 МВт/см .
Полиамидоимидная диэлектрическая плёнка, осаждённая методом центрифугирования, исключает возможность короткого замыкания р-п-перехода в линейках полупроводниковых кристаллов, разделённых канавками и может использоваться для их изоляции наравне с традиционными неорганическими покрытиями, такими как оксид алюминия.
Защитные покрытия на основе нитрида кремния и оксида алюминия, полученные методом электронно-лучевого испарения с ионным ассистированием образуют надёжное диэлектрическое герметизирующее покрытие с высокой лучевой прочностью, которое может подвергаться воздействию мощного когерентного излучения. Полученные покрытия SisN4 и AI2O3 осаждённые на выходную грань полупроводникового квантового генератора, повышают значение его предельной мощности в 2.6 и 3.4 раза соответственно.
Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре химии Саратовского государственного технического университета. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях:
V Всероссийская конференция молодых учёных «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» - Саратов, 2010.
V Международная конференция «Стеклопрогресс-XXI» - Саратов, 2010.
V Международная конференция «Композит-2010» - Саратов, 2010.
X Юбилейная международная научная конференция «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» - Ставрополь, 2010.
XXI Международная конференция "Лазеры в науке, технике, медицине» - Сочи, 2010.
Семинар в рамках совместного российско-германского проекта по повышению квалификации молодых руководящих кадров из малых и средних предприятий по избранным вопросам немецко-русских технологических и иннновационных трансферов в области оптических технологий, Дрезден, 2010.
Шестой саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций, Саратов, 2011.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 статьи в реферируемых научных журналах из списка ВАК, выдано положительное решение о выдаче патента на полезную модель.
Личный вклад диссертанта. Все основные экспериментальные результаты диссертации, связанные с получением тонких плёнок и исследованием их физических свойств, выполнены лично автором. Постановка задач исследования и обсуждение результатов проведены под руководством д.х.н., профессора Кособудского И.Д., д.х.н., доцента Горина Д.А, д.ф.-м.н. Микаеляна Г.Т. При использовании результатов, полученных в соавторстве, даются соответствующие ссылки на источник.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 120 страниц, включая 52 рисунка и 13 таблиц. В списке использованных источников содержится 104 наименования.
