Нитридная технология в оптоэлектронике близка к тому, чтобы занять место, аналогичное кремнию в схемах вычислительной техники. К тому же нитридные светодиоды становятся альтернативой ламп накаливания и люминесцентых ламп при значительной экономии электроэнергии. Ниже – кто стоял у ее истоков и нерешенные сегодня нитридные проблемы.

Статья исследователей из Ноттингемского университета «Growth and characterization of free-standing zinc-blende (cubic) GaN layers and substrates», опубликованная в январском выпуске журнала Semicond. Sci. Technol., вызвала живейший интерес не только в научной среде, но и в бизнес-кругах [1]. Авторам удалось получить относительно толстые слои (до 100 мкм) кубического нитрида галлия с минимальным включением вюрцитной фазы. Чтобы оценить это событие должным образом, вернемся к истории вопроса.

В течение десятилетий голубой лазер был недостижимой мечтой в лазерной технологии. Дело в том, что голубой свет имеет самую короткую длину волны в видимом спектре. Таким образом, построив голубой лазер, можно «квадратично» увеличить плотность хранения данных на компакт дисках (CD-ROM) и на плеерах цифровых видеодисков (DVD). Кроме того, поскольку красный и зеленый лазеры уже были изобретены, оставалось сделать голубой – и можно, комбинируя их, получать излучение белого света, а значит, заменить лампы накаливания.

Рис. 1. Накамура весело объясняет, почему он покинул
свои острова ради американской мечты [2].

В течение 20 лет исследователи самых крупных фирм (от RCA и Hewlett-Packard до Matsushita и Sony) пытались решить эту задачу, но их преследовали неудачи. Ее решил в 1993 году некто Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura) из малоизвестной тогда небольшой японской компании «Nichia Chemical Industries Ltd».

В 1989 г. для голубых лазеров рассматривали два материала – селенид цинка (ZnSe) и нитрид галлия (GaN) – прямозонные полупроводники с подходящей для голубого излучения зоной запрещенных энергий. Большинство исследователей работали с селенидом цинка, потому что качество кристаллов из этих материалов было значительно лучше в сравнении с нитридом галлия (плотность дислокаций – 10³/см³, а у нитридов – 10¹⁰/см³; считалось, что для стабильного свечения нужно ниже 10³ или даже 10². Накамура выбрал нитрид, чтобы даже в случае удачи не попасть в тиски многочисленных конкурентов.

Модернизировав коммерческий реактор под двухпоточный (активный газ направлялся параллельно подложке, а неактивный – перпендикулярно, что позволяло управлять конвекционными потоками), методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (MOCVD) Накамура в 1991 г. вырастил на сапфировых подложках монокристаллические пленки нитрида галлия самого высокого качества в мире на то время: плотность дислокаций 10¹⁰, но подвижность дырок – 200см²/В*с (тогда – мировой рекорд). Затем он решил проблему получения монокристаллического нитрида индий-галлия, необходимого для получения светодиодной структуры. Наконец, в 1993 г. он сделал первый коммерческий голубой светодиод (LED) на основе структур GaN-InGaN.

И тогда компания Nichia внезапно анонсировала голубой светодиод. Поле было чистым – никаких конкурентов. Все, кто сделал ставку на селенид цинка, получили только зеленое свечение, причем неяркое, нестабильное и недолго живущее. В 1995 г. Накамура увеличил яркость голубого светодиода на структурах с квантовыми ямами и изготовил лазерные диоды.

Фактически усилиями Накамуры на мировой рынок вышли три нитрида – AlN, GaN, InN, определившие дальнейший успех оптоэлектроники. Компания Nichia стала крупнейшим производителем светодиодов всех цветов радуги с многомиллиардно-долларовыми годовыми оборотами. И, естественно, самым тщательнейшим образом отслеживает любое нарушение её патентных прав. Патентные права принадлежат компании, а не Накамуре, хотя каждая строчка в них написана рукой его рукой [2]. Он, кстати, уже давно покинул Японию и стал профессором факультета материаловедения Калифорнийского университета в Санта-Барабаре, хотя с удивительным постоянством публикует почему-то свои последние достижения именно в японском журнале – Japanese Journal of Applied Physics) [3,4].

Но… у победно шествующей нитридной оптоэлектроники остается одна – но гигантская! – проблема. И называется она – родная (GaN!) подложка. Не будет преувеличением сказать, что нобелевский успех арсенид-галлиевой оптоэлектроники не в последнюю очередь связан с тем, что существовал «объёмный» арсенид галлия. Родная нитрид-галлиевая подложка – столь же несбыточная (пока) мечта нитридной технологии, как в свое время голубая мечта лазерщиков.

Так вот, объёмного нитрида галлия как не было 18 лет назад, так нет и сейчас. Точнее, он вроде бы и есть, но неприемлемо мелкий по размерам (~ 1 см²), как правило, с гексагональной структурой (вюрцитный, со всеми своими «спонтанными» и пьезо- полярзациями) и по цене гораздо дороже золота (если брать по весу) [5].

Рис. 2. Освобождённые от GaAs подложки плёнки кубического GaN: a) толщиной ~ 8 мкм; b) толщиной ~ 30 мкм [1].

А всё потому, что молекулярный азот (N₂) очень трудно растворяется в жидком галлии, даже при давлениях в десятки тысяч атмосфер и температурах под две тысячи градусов Цельсия. А раз так, то и скорости роста этих «объёмных» кристаллов чрезвычайно низкие. Отсюда, возвращаясь к началу этого сообщения, становится ясной причина интереса к ноттингемской работе [1].

Ее авторы – совсем не новички в нитридной технологии. Ещё 12 лет назад они научились выращивать кубический (сфалеритный) GaN на подложке GaAs (что приятно – не без помощи россиян!) и, соответственно, имеют немалый опыт по использованию плазменных источников атомарного азота компании “Oxford Applied Research”. И вот у них новая удача. Не остановившись перед длительностью процесса роста (целая неделя!), они получили кубический (сфалеритный) GaN толщиной ~ 100 мкм на четвертинке двухдюймовой GaAs шайбы (см. рис. 2), в котором вюрцитную фракцию (не более 10%) удалось обнаружить только с помощью ЯМР-метода. Правда, скорость роста этих «подложек» всё-таки пока маловата для крупнотоннажного производства. Но… начало положено.

Автор – С. Чикичев