eng
Выпуск #2/2020
Н. А. Кульчицкий, А. В. Наумов, В. В. Старцев
ФОТОНИКА – НОВЫЙ ДРАЙВЕР GaAs
ФОТОНИКА – НОВЫЙ ДРАЙВЕР GaAs
Просмотры: 2365
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.2.138.149
Показано, что размещение дифракционной микроструктуры на плоской поверхности одной из рефракционных линз высокоапертурного триплета позволяет одновременно выполнить условия коррекции как хроматических, так и монохроматических аберраций и получить объективы, рассчитанные на средний и двойной инфракрасные диапазоны, имеющие достаточно высокие оптические характеристики.
Показано, что размещение дифракционной микроструктуры на плоской поверхности одной из рефракционных линз высокоапертурного триплета позволяет одновременно выполнить условия коррекции как хроматических, так и монохроматических аберраций и получить объективы, рассчитанные на средний и двойной инфракрасные диапазоны, имеющие достаточно высокие оптические характеристики.
Теги: chromatic and monochromatic aberrations diffraction microstructure lens middle and double ir ranges дифракционная микроструктура объектив средний и двойной ик- диапазоны хроматические и монохроматические аберрации
Фотоника – новый драйвер арсенида галлия
Н. А. Кульчицкий 1, А. В. Наумов 2, В. В. Старцев 2
Государственный научный центр РФ, Акционерное общество «Научно-производственное объединение «Орион», Москва, Россия
Акционерное общество «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», Лыткарино, Моск. обл., Россия
В статье показаны результаты краткого анализа рынка GaAs-пластин, представлен обзор основных продуктов оптоэлектроники, перечислены мировые производители-лидеры изделий (слитков, пластин и эпитаксиальных слоев) GaAs и рассмотрена ситуация российской базы производства GaAs-материалов. Двойное полупроводниковое соединение арсенид галлия (GaAs) – традиционный материал СВЧ электроники. До недавних пор одним из наиболее быстрорастущих сегментов рынка применений этого материала были высокочастотные интегральные схемы (ИС) на GaAs для мобильной телефонии. Однако парадигма развития рынка GaAs меняется. Новым двигателем развития мирового рынка арсенида галлия становится фотоника.
Ключевые слова: арсенид галлия, светодиоды, лазерные диоды, VCSEL, EEL, радары
Статья получена: 19.02.2020
Статья принята к публикации: 23.03.2020
АРСЕНИД ГАЛЛИЯ (GаAs) –
ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Производство GaAs появилось и развивалось как внедрение технологий создания материала СВЧ электроники. В середине 60-х годов прошлого века одновременно в США и в СССР начались исследования свойств GaAs. Они завершились разработкой интегральных схем (ИС) высокого быстродействия, используемых в «интеллектуальных» системах управления огнем и в суперкомпьютерах. Промышленное освоение процессов обработки пластин GaAs диаметром 150 мм привело к существенному снижению стоимости СВЧ транзисторов. Это обеспечило их широкое распространение во все сектора применения: от мобильных телефонов и базовых станций до радаров и систем связи миллиметрового диапазона [1–2]. GaAs также широко используется в оптоэлектронике – на основе арсенида галлия изготавливаются светодиоды (СД). Изобретение первых СД, излучающих монохроматический свет при подключении к источнику тока, относится к 1960-м годам. С тех пор СВЧ применения и СД применения поделили между собой рынок GaAs. Однако похоже, вектор развития GaAs окончательно меняется: от СВЧ электроники к фотонике. Рубежом можно считать 2017 год – момента появления в смартфонах iPhone X функции 3D сканирования лиц с использованием лазерных диодов с вертикальным излучающим резонатором (VCSEL) на базе GaAs (рис. 1). Основные типы приборов на основе GaAs приведены в табл. 1 [1].
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ GaAs
Промышленные монокристаллы GaAs можно разделить на 2 большие группы:
Полуизолирующий (ПИ) GaAs с высоким удельным сопротивлением / собственной проводимостью (107 Ом • см). Используется при изготовлении высокочастотных ИС и дискретных микроэлектронных приборов. Помимо высокого удельного сопротивления, монокристаллы ПИ-GaAs должны иметь высокие значения подвижности носителей заряда и высокую макро- и микроскопическую однородность распределения свойств как в поперечном сечении, так и по длине выращенных слитков.
Легированный (ПП) GaAs n-типа проводимости с низкой плотностью дислокаций. Монокристаллы сильно легированного (1017–1018 см–3) GaAs, помимо высокой проводимости, должны обладать достаточно совершенной кристаллической структурой. Они используется в оптоэлектронике для изготовления инжекционных лазеров, свето- и фотодиодов, фотокатодов, являются материалом для генераторов СВЧ колебаний. Монокристаллы арсенида галлия, легированные хромом, используют в ИК оптике.
В промышленном производстве монокристаллов GaAs используют три метода выращивания: метод Чохральского с жидкостной герметизацией расплава слоем борного ангидрида (Liquid Encapsulated Czochralski – LEC), метод горизонтальной направленной кристаллизации в вариантах «по Бриджмену» (Horizontal Bridgman – HB) или «кристаллизации в движущемся градиенте температуры» (Horizontal Gradient Freeze – HGF) и метод вертикальной направленной кристаллизации (ВНК) в тех же двух вариантах (Vertical Bridgman – VB и Vertical Gradient Freeze – VGF).
Важнейшей особенностью метода LEC (рис. 2а) является то, что выращивание монокристалла осуществляется при достаточно больших осевых и радиальных градиентах температуры вблизи фронта кристаллизации, т. е. в области максимальной пластичности материала. Следствием роста кристалла при высоких градиентах температуры в технологии LEC является высокая плотность дислокаций. Типичные значения ND в нелегированных монокристаллах составляют до (1–2) ∙ 105 см–2 при диаметрах слитка 100–200 мм. Материал LEC обладает более однородным распределением удельного сопротивления по площади пластины.
Материал, полученный методом ВНК (рис. 2б), имеет более низкую плотность дислокаций. Основными требованиями к качеству легированного полупроводникового (ПП) арсенида галлия, как подложечного материала, являются низкое удельное сопротивление. Это достигается введением примеси кремния (n-тип) или цинка (p-тип) в необходимой концентрации. Высокое структурное совершенство является ключевым требованием, поскольку в процессе эпитаксии происходит наследование дислокаций из подложки в эпитаксиальный слой, являющийся активным элементом будущего светоизлучающего прибора. В отличие от СВЧ приборов, в приборах, генерирующих излучение, присутствие дислокаций в активных областях светоизлучающих структур нежелательно, поскольку приводит к быстрой деградации характеристик прибора. Соответственно, требование низкой плотности дислокаций (ND) является основным требованием к сильно легированному материалу, используемому в качестве подложки для светоизлучающих структур. На практике сложилась следующая градация: в производстве светодиодов используются кристаллы с плотностью дислокаций ND < 5,103–1,104 см–2, а в производстве лазеров – с ND < 5,102 см–2.
Стоимостной особенностью производства оптоэлектронных приборов в сравнении с производством СВЧ ИС является различие вклада операций изготовления в стоимость изделий, что преобладающая часть себестоимости прибора приходится на операции, выполняемые уже после разделения структуры на отдельные чипы. Соответственно, в производстве оптоэлектронных приборов не столь актуально увеличение площади пластин. Поэтому в мировом производстве светодиодов и лазеров до сих пор в больших объемах используются пластины диаметром до 100 мм. И это происходит повсеместно, несмотря на то, что промышленностью освоено производство монокристаллов с низкой плотностью дислокаций большего диаметра 200 мм.
Двумя методами, LEC методом и ВНК методом, можно выращивать как ПП GaAs-, так и ПИ GaAs-кристаллы. Важно подчеркнуть, что монокристаллы, выращенные методом ВНК, имеют более высокую себестоимость, чем выращенные методом LEC. Это обусловлено меньшей скоростью кристаллизации (в 4–5 раз) и исключением из технологического цикла операции повторного затравления. Сравнивая совокупность характеристик, присущих приборам, полученных различным методам выращивания, можно видеть разницу. Для большинства СВЧ применений предпочтительно (по крайней мере, экономически) использование LEC-GaAs, в то время как для изготовления СД, а также для всех оптоэлектронных применений, – использование GaAs, полученного методом ВНК. Эти технические решения, полученные благодаря большому практическому опыту, безальтернативны (табл. 1). Поэтому оба метода присутствуют на рынке, но с существенным преобладанием ВНК. Если в 2011 году на рынке преобладал LEC-GaAs кристаллы, то в 2016 году материал, полученный VGF методом, составлял 62,93% в то время, как LEC материал составлял только 26,97%. В дальнейшем, по мнению аналитиков, эта тенденция будет продолжаться (рис. 3)
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ GaAs
Светодиоды
Появление синих (в середине 1990-х годов) и белых СД (в начале 21 века) и постоянное снижение стоимости позволили расширить использование СД в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, для подсветки жидкокристаллических экранов различных приборов. Впоследствии применение СД основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации. Срок службы СД, превышающий в 6–8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании сделали – все это превратило источники света в лидеров на этапе соревнования с более традиционными источниками: газоразрядными и люминесцентными лампами, а также лампами накаливания.
СД состоит из эпитаксиальных слоев GaAsP или InGaAsP, выращенных на GaAs- подложке. Диапазон их излучения простирается от бледно-зеленого до красного света. СД из AlGaAs на подложках GaAs излучают свет от красного до иИК. В начале 2000-х годов СД индустрия вступила в новый этап развития. Это было вызвано тем, что на яркие и сверхъяркие СД пал выбор при использования их в качестве источников систем общего освещения нового поколения, где они заменяют традиционные лампы накаливания и люминесцентные лампы. Недавно появились новые приборы – микро-СД. Они соединяют в себе преимущества высокой эффективности, яркости и надежности с более коротким временем отклика, что позволяет создавать более легкие, тонкие и гибкие дисплеи с преимуществами энергосбережения. Такие устройства пользуются популярностью в таких приложениях, как носимые устройства, автомобили, большие телевизоры, дополненная реальность (AR) и многое другое.
Приборы на базе GaAs получают методом эпитаксии металлоорганических соединений из газовой фазы (MOCVD), высокотемпературной газовой эпитаксии (HT CVD), либо методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подложку GaAs. Всего в мире сегодня работают эпитаксиальные реактора общей стоимостью более 1 миллиард долларов США. Для обеспечения их работы используется свыше 100 т галлия и мышьяка в год в виде соединений высокой чистоты. К 2025 году, как ожидается, количество реакторов вырастет более чем в 6 раз (рис. 4), преимущественно под влиянием роста лазерных СД и микро-СД применений [5, 6].
Лазерные диоды (VСSEL, EEL и другие)
Смартфон iPhone X корпорации Apple стал первым потребительским прибором, в котором стала применяться технология распознавания лиц – ИК-СД сканирует лицо пользователя и строит 3D модель. В iPhone X 150-мм GaAs-подложки используются для изготовления VCSEL и фотодетекторов, применяемых при распознавании лиц. Учитывая потенциальное внедрение этой технологии всеми платформами Android, аналитики ожидают, что этот сегмент рынка пластин GaAs для VCSEL будет вырасти на 58% ежегодно в период до 2023 года, а сам рынок VCSEL вырастет до 3 775 миллионов долларов США в 2024 году. Следует вспомнить, что всего два года тому назад, в 2018 году, он составлял 783 миллиона долларов США.
Технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью лидаров (активных оптических систем, LiDAR – Light Identification Detection and Ranging – обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света») – ключевая технология. Она позволяет создавать 3D карту окрестностей для автономных транспортных средств и широких областей применения робототехники. В этом новом приложении используются высокомощные и крупногабаритные лазерные устройства на основе GaAs с «краевым излучением» (EEL), которые, как ожидается, также дадут большой импульс роста для рынка «фотонных» пластин GaAs. В 2024 году рынок EEL, как ожидается, вырастет до 5100 миллионов долларов США, при том что в 2018 году он составлял 2 500 млн долл. США.
Ожидается, что сектор ИК светодиодов на подложках GaAs будет демонстрировать сильный рост. Инфракрасные светодиоды на основе GaAs, используемые в медицинских датчиках артериального давления и уровня сахара в крови, а также датчики для распознавания жестов в смартфонах и автомобилях, также составляют заметный сегмент растущего рынка.
В дальнейшем, при анализе сфер применения GaAs, для определенности, будем выделять традиционные СД видимого диапазона в отдельную категорию, а VCSEL-, EEL-, ИК- и другие излучатели мы будем относить к категории «оптоэлектроника».
Тепловизионные приборы с фотоприемными устройствами на квантовых ямах
Растущий спрос на ИК системы, вызванный как военными, так и гражданскими применениями, вызовет рост мирового рынка тепловых камер в ближайшие годы. Рынок тепловых камер для военных и охранных применений, как предсказывают аналитики, превысит 2,4 млрд долл. США к 2023 году, вследствие возрастающих проблем безопасности. Использование ИК систем коротковолнового ИК диапазона спектра (0,9–1,7 мкм) потребовало охлаждения приборов при их эксплуатации. Это привело к Значительное расширение областей их применения привело к появлению охлаждаемых матричных фотоприемных устройств (МФПУ) на основе и квантовых ям (QWIP) (рис. 5). В табл. 2 дан краткий обзор ИК модули некоторых зарубежных и отечественных производителей с охлаждаемыми МФПУ на квантовых ямах на базе GaAs.
РАЗВИТИЕ РЫНКА GaAs ПОСЛЕ 2017 ГОДА
Для рынка СД на GaAs аналитики прогнозируют 21% ежегодного прироста, что даст более половины объема пластин GaAs к 2023 году. Если говорить в финансовых терминах о общем рынке пластин GaAs, то ожидается, что рынок, составляющий в 2019 году 260 миллионов долларов США, продемонстрирует ежегодный темп роста в ближайшие 5 лет 4,5%, и достигнет 330 миллионов долларов США в 2024 году. Динамика роста рынка в натуральных единицах (млн шт.) приведена на рис. 6.
Производители GaAs в мире и в России и существующие бизнес-модели
Основными производителями изделий (слитков, пластин и эпитаксиальных слоев) GaAs являются компании: Freiberger Compound Materials, AXT, Sumitomo Electric, China Crystal Technologies, Shenzhou Crystal Technology, Tianjin Jingming Electronic Materials, DOWA Electronics Materials, II–VI Incorporated, IQE Corporation и Wafer Technology. В области поставок объемных кристаллов GaAs, Sumitomo Electric, Freiberger Composite Materials и AXT лидируют на рынке с общей долей рынка около 95%.
До недавнего времени в России сохранялось несколько небольших производителей монокристаллов арсенида галлия различной формы собственности, которые в совокупности могли удовлетворять большую часть отечественных потребностей в этом материале. Однако в 2007 году было ликвидировано производство монокристаллов в ЗАО «Элма-Малахит» (г. Зеленоград), производившем по технологии LEC монокристаллы нелегированного полуизолирующего и легированного GaAs. В 2008 году аналогично завершилась история существования двух других компаний, растивших GaAs-кристаллы, – ОАО «НИИ материалов электронной техники» (г. Калуга), выпускавшего по технологии LEC монокристаллы легированного GaAs, и ООО «Гирмет» (г. Москва), производившем монокристаллы по технологии ВНК. В настоящее время монокристаллы арсенида галлия в России изготавливаются в АО «Гиредмет» (Москва, предприятие Росатома) методом LEC и в ООО «Лассард» (г. Обнинск) методом ВНК. В АО «Гиредмет» и в ООО «Лассард» сегодня осуществляются инвестиционные проекты, направленные на развитие технологии GaAs.
Также в 2019 году запущено производство гетероструктур на основе арсенида галлия. АО «Экран-оптические системы», опираясь на разработки Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова (ИФП) СО РАН, ввело в эксплуатацию установку молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [8].
Поскольку новые лазерные приложения диктуют очень высокие технические требования к пластинам GaAs, которые постоянно ужесточаются, аналитики полагают, что метод ВНК в этом секторе будет главенствующим, а упомянутые игроки сохранят свое техническое преимущество, по крайней мере, в течение еще 3–5 лет. Ожидается, что китайские поставщики пластин GaAs, такие как Violent Materials, которые захватили часть рынка СД от ведущих поставщиков, увеличат свою долю.
Что касается производства эпитаксиальных структур GaAs и приборов на GaAs, то там существуют различные бизнес-модели (рис. 7). Рынок СД GaAs в основном вертикально интегрирован, с хорошо зарекомендовавшими себя интегрированными производителями устройств, такими как Osram, Sanan, Epistar и Changelight. За последние несколько лет сектор эпитаксиальных структур GaAs прошел через большую консолидацию, в результате чего осталось четыре основных игрока: IQE, VPEC, Sumitomo Chemicals (включая Sumitomo Chemical Advanced Technologies и SCOCS) и IntelliEPI.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основным двигателем развития рынка GaAs становится фотоника. В средне- и долгосрочной перспективе мировые рынки пластин и эпитаксиальных структур GaAs будут расти. Рынок пластин GaAs, как ожидается, достанет 1,3 миллиарда долларов США к 2023 году с ежегодным темпом роста 11,5%. На данный момент российский рынок полупроводниковых соединений для развития фотоники и электронно-компонентной базы (GaAs и др.) имеет незначительный объем. В то же время, существует понимание, что для создания современной электронной компонентной базы в России необходимо развивать производства исходных материалов [7]. Представляется также, что, если говорить о развитии GaAs в России, в первую очередь необходимо развивать технологии ВНК производства монокристаллов и epi-ready пластин GaAs.
REFERENCES
Mayanov E., Hasanov A., Knyazev S., Naumov A. GaAs. monocrystals’ market trends ((Mayanov E., Gasanov A., Knyazev S., Naumov A. Tendencii razvitiya rynka monokristallov GaAs. In Russ). Electronics: Science, Technology, Business. 2018; 2 (00173): 172–184. DOI: 10.22184 / 1992–4178.2018.173.2.172.184.
Марков А. В. Монокристаллы полупроводниковых соединений III–V: современное производство и перспективы его развития. Известия ВУЗов. Физика. 2003; 6: 5–11.
Markov A. V. Monokristally poluprovodnikovyh soedinenij III–V: sovremennoe proizvodstvo i perspektivy ego razvitiya. Izvestiya VUZov. Fizika. 2003; 6: 5–11.
GaAs wafer market growing at 15% CAGR to 2023, driven by photonics applications growing at 37%. URL: www.semiconductor-today.com/news_items/2018/jul/yole_240718.shtml.
GaAs Wafer & Epiwafer Market: RF, Photonics, LED и PV application. URL: https://www.i-micronews.com/products/gaas-wafer-and-epiwafer-market-rf-photonics-led-and-pv-applications/?cn-reloaded=1.
GaAs Market Overview. URL: https://anysilicon.com/gaas-market-overview-apple-changing-future/.
Apple Is Changing GaAs Future. URL: https://compoundsemiconductor.net/article/104852/Apple_Is_Changing_GaAs_Future
URL: www.astrohn.com.
Электронный ресурс: Экран-оптические системы» запустил первое в России промпроизводство наногетероструктур на основе арсенида галлия // http://www.sib-science.info/ru/institutes/v-novosibirske-zapuscheno-proizvodstvo 02102019.
ОБ АВТОРАХ
Кульчицкий Николай Александрович, докт. техн. наук, e-mail: n.kulchitsky@gmail.com, главный специалист, ГНЦ РФ, АО «Научно-производственное объединение «Орион», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4664-4891
Наумов Аркадий Валерьевич инженер-аналитик, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0001-6081-8304
Старцев Вадим Валерьевич, канд. техн. наук, главный конструктор, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544X
Н. А. Кульчицкий 1, А. В. Наумов 2, В. В. Старцев 2
Государственный научный центр РФ, Акционерное общество «Научно-производственное объединение «Орион», Москва, Россия
Акционерное общество «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», Лыткарино, Моск. обл., Россия
В статье показаны результаты краткого анализа рынка GaAs-пластин, представлен обзор основных продуктов оптоэлектроники, перечислены мировые производители-лидеры изделий (слитков, пластин и эпитаксиальных слоев) GaAs и рассмотрена ситуация российской базы производства GaAs-материалов. Двойное полупроводниковое соединение арсенид галлия (GaAs) – традиционный материал СВЧ электроники. До недавних пор одним из наиболее быстрорастущих сегментов рынка применений этого материала были высокочастотные интегральные схемы (ИС) на GaAs для мобильной телефонии. Однако парадигма развития рынка GaAs меняется. Новым двигателем развития мирового рынка арсенида галлия становится фотоника.
Ключевые слова: арсенид галлия, светодиоды, лазерные диоды, VCSEL, EEL, радары
Статья получена: 19.02.2020
Статья принята к публикации: 23.03.2020
АРСЕНИД ГАЛЛИЯ (GаAs) –
ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Производство GaAs появилось и развивалось как внедрение технологий создания материала СВЧ электроники. В середине 60-х годов прошлого века одновременно в США и в СССР начались исследования свойств GaAs. Они завершились разработкой интегральных схем (ИС) высокого быстродействия, используемых в «интеллектуальных» системах управления огнем и в суперкомпьютерах. Промышленное освоение процессов обработки пластин GaAs диаметром 150 мм привело к существенному снижению стоимости СВЧ транзисторов. Это обеспечило их широкое распространение во все сектора применения: от мобильных телефонов и базовых станций до радаров и систем связи миллиметрового диапазона [1–2]. GaAs также широко используется в оптоэлектронике – на основе арсенида галлия изготавливаются светодиоды (СД). Изобретение первых СД, излучающих монохроматический свет при подключении к источнику тока, относится к 1960-м годам. С тех пор СВЧ применения и СД применения поделили между собой рынок GaAs. Однако похоже, вектор развития GaAs окончательно меняется: от СВЧ электроники к фотонике. Рубежом можно считать 2017 год – момента появления в смартфонах iPhone X функции 3D сканирования лиц с использованием лазерных диодов с вертикальным излучающим резонатором (VCSEL) на базе GaAs (рис. 1). Основные типы приборов на основе GaAs приведены в табл. 1 [1].
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ GaAs
Промышленные монокристаллы GaAs можно разделить на 2 большие группы:
Полуизолирующий (ПИ) GaAs с высоким удельным сопротивлением / собственной проводимостью (107 Ом • см). Используется при изготовлении высокочастотных ИС и дискретных микроэлектронных приборов. Помимо высокого удельного сопротивления, монокристаллы ПИ-GaAs должны иметь высокие значения подвижности носителей заряда и высокую макро- и микроскопическую однородность распределения свойств как в поперечном сечении, так и по длине выращенных слитков.
Легированный (ПП) GaAs n-типа проводимости с низкой плотностью дислокаций. Монокристаллы сильно легированного (1017–1018 см–3) GaAs, помимо высокой проводимости, должны обладать достаточно совершенной кристаллической структурой. Они используется в оптоэлектронике для изготовления инжекционных лазеров, свето- и фотодиодов, фотокатодов, являются материалом для генераторов СВЧ колебаний. Монокристаллы арсенида галлия, легированные хромом, используют в ИК оптике.
В промышленном производстве монокристаллов GaAs используют три метода выращивания: метод Чохральского с жидкостной герметизацией расплава слоем борного ангидрида (Liquid Encapsulated Czochralski – LEC), метод горизонтальной направленной кристаллизации в вариантах «по Бриджмену» (Horizontal Bridgman – HB) или «кристаллизации в движущемся градиенте температуры» (Horizontal Gradient Freeze – HGF) и метод вертикальной направленной кристаллизации (ВНК) в тех же двух вариантах (Vertical Bridgman – VB и Vertical Gradient Freeze – VGF).
Важнейшей особенностью метода LEC (рис. 2а) является то, что выращивание монокристалла осуществляется при достаточно больших осевых и радиальных градиентах температуры вблизи фронта кристаллизации, т. е. в области максимальной пластичности материала. Следствием роста кристалла при высоких градиентах температуры в технологии LEC является высокая плотность дислокаций. Типичные значения ND в нелегированных монокристаллах составляют до (1–2) ∙ 105 см–2 при диаметрах слитка 100–200 мм. Материал LEC обладает более однородным распределением удельного сопротивления по площади пластины.
Материал, полученный методом ВНК (рис. 2б), имеет более низкую плотность дислокаций. Основными требованиями к качеству легированного полупроводникового (ПП) арсенида галлия, как подложечного материала, являются низкое удельное сопротивление. Это достигается введением примеси кремния (n-тип) или цинка (p-тип) в необходимой концентрации. Высокое структурное совершенство является ключевым требованием, поскольку в процессе эпитаксии происходит наследование дислокаций из подложки в эпитаксиальный слой, являющийся активным элементом будущего светоизлучающего прибора. В отличие от СВЧ приборов, в приборах, генерирующих излучение, присутствие дислокаций в активных областях светоизлучающих структур нежелательно, поскольку приводит к быстрой деградации характеристик прибора. Соответственно, требование низкой плотности дислокаций (ND) является основным требованием к сильно легированному материалу, используемому в качестве подложки для светоизлучающих структур. На практике сложилась следующая градация: в производстве светодиодов используются кристаллы с плотностью дислокаций ND < 5,103–1,104 см–2, а в производстве лазеров – с ND < 5,102 см–2.
Стоимостной особенностью производства оптоэлектронных приборов в сравнении с производством СВЧ ИС является различие вклада операций изготовления в стоимость изделий, что преобладающая часть себестоимости прибора приходится на операции, выполняемые уже после разделения структуры на отдельные чипы. Соответственно, в производстве оптоэлектронных приборов не столь актуально увеличение площади пластин. Поэтому в мировом производстве светодиодов и лазеров до сих пор в больших объемах используются пластины диаметром до 100 мм. И это происходит повсеместно, несмотря на то, что промышленностью освоено производство монокристаллов с низкой плотностью дислокаций большего диаметра 200 мм.
Двумя методами, LEC методом и ВНК методом, можно выращивать как ПП GaAs-, так и ПИ GaAs-кристаллы. Важно подчеркнуть, что монокристаллы, выращенные методом ВНК, имеют более высокую себестоимость, чем выращенные методом LEC. Это обусловлено меньшей скоростью кристаллизации (в 4–5 раз) и исключением из технологического цикла операции повторного затравления. Сравнивая совокупность характеристик, присущих приборам, полученных различным методам выращивания, можно видеть разницу. Для большинства СВЧ применений предпочтительно (по крайней мере, экономически) использование LEC-GaAs, в то время как для изготовления СД, а также для всех оптоэлектронных применений, – использование GaAs, полученного методом ВНК. Эти технические решения, полученные благодаря большому практическому опыту, безальтернативны (табл. 1). Поэтому оба метода присутствуют на рынке, но с существенным преобладанием ВНК. Если в 2011 году на рынке преобладал LEC-GaAs кристаллы, то в 2016 году материал, полученный VGF методом, составлял 62,93% в то время, как LEC материал составлял только 26,97%. В дальнейшем, по мнению аналитиков, эта тенденция будет продолжаться (рис. 3)
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ GaAs
Светодиоды
Появление синих (в середине 1990-х годов) и белых СД (в начале 21 века) и постоянное снижение стоимости позволили расширить использование СД в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, для подсветки жидкокристаллических экранов различных приборов. Впоследствии применение СД основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации. Срок службы СД, превышающий в 6–8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании сделали – все это превратило источники света в лидеров на этапе соревнования с более традиционными источниками: газоразрядными и люминесцентными лампами, а также лампами накаливания.
СД состоит из эпитаксиальных слоев GaAsP или InGaAsP, выращенных на GaAs- подложке. Диапазон их излучения простирается от бледно-зеленого до красного света. СД из AlGaAs на подложках GaAs излучают свет от красного до иИК. В начале 2000-х годов СД индустрия вступила в новый этап развития. Это было вызвано тем, что на яркие и сверхъяркие СД пал выбор при использования их в качестве источников систем общего освещения нового поколения, где они заменяют традиционные лампы накаливания и люминесцентные лампы. Недавно появились новые приборы – микро-СД. Они соединяют в себе преимущества высокой эффективности, яркости и надежности с более коротким временем отклика, что позволяет создавать более легкие, тонкие и гибкие дисплеи с преимуществами энергосбережения. Такие устройства пользуются популярностью в таких приложениях, как носимые устройства, автомобили, большие телевизоры, дополненная реальность (AR) и многое другое.
Приборы на базе GaAs получают методом эпитаксии металлоорганических соединений из газовой фазы (MOCVD), высокотемпературной газовой эпитаксии (HT CVD), либо методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подложку GaAs. Всего в мире сегодня работают эпитаксиальные реактора общей стоимостью более 1 миллиард долларов США. Для обеспечения их работы используется свыше 100 т галлия и мышьяка в год в виде соединений высокой чистоты. К 2025 году, как ожидается, количество реакторов вырастет более чем в 6 раз (рис. 4), преимущественно под влиянием роста лазерных СД и микро-СД применений [5, 6].
Лазерные диоды (VСSEL, EEL и другие)
Смартфон iPhone X корпорации Apple стал первым потребительским прибором, в котором стала применяться технология распознавания лиц – ИК-СД сканирует лицо пользователя и строит 3D модель. В iPhone X 150-мм GaAs-подложки используются для изготовления VCSEL и фотодетекторов, применяемых при распознавании лиц. Учитывая потенциальное внедрение этой технологии всеми платформами Android, аналитики ожидают, что этот сегмент рынка пластин GaAs для VCSEL будет вырасти на 58% ежегодно в период до 2023 года, а сам рынок VCSEL вырастет до 3 775 миллионов долларов США в 2024 году. Следует вспомнить, что всего два года тому назад, в 2018 году, он составлял 783 миллиона долларов США.
Технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью лидаров (активных оптических систем, LiDAR – Light Identification Detection and Ranging – обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света») – ключевая технология. Она позволяет создавать 3D карту окрестностей для автономных транспортных средств и широких областей применения робототехники. В этом новом приложении используются высокомощные и крупногабаритные лазерные устройства на основе GaAs с «краевым излучением» (EEL), которые, как ожидается, также дадут большой импульс роста для рынка «фотонных» пластин GaAs. В 2024 году рынок EEL, как ожидается, вырастет до 5100 миллионов долларов США, при том что в 2018 году он составлял 2 500 млн долл. США.
Ожидается, что сектор ИК светодиодов на подложках GaAs будет демонстрировать сильный рост. Инфракрасные светодиоды на основе GaAs, используемые в медицинских датчиках артериального давления и уровня сахара в крови, а также датчики для распознавания жестов в смартфонах и автомобилях, также составляют заметный сегмент растущего рынка.
В дальнейшем, при анализе сфер применения GaAs, для определенности, будем выделять традиционные СД видимого диапазона в отдельную категорию, а VCSEL-, EEL-, ИК- и другие излучатели мы будем относить к категории «оптоэлектроника».
Тепловизионные приборы с фотоприемными устройствами на квантовых ямах
Растущий спрос на ИК системы, вызванный как военными, так и гражданскими применениями, вызовет рост мирового рынка тепловых камер в ближайшие годы. Рынок тепловых камер для военных и охранных применений, как предсказывают аналитики, превысит 2,4 млрд долл. США к 2023 году, вследствие возрастающих проблем безопасности. Использование ИК систем коротковолнового ИК диапазона спектра (0,9–1,7 мкм) потребовало охлаждения приборов при их эксплуатации. Это привело к Значительное расширение областей их применения привело к появлению охлаждаемых матричных фотоприемных устройств (МФПУ) на основе и квантовых ям (QWIP) (рис. 5). В табл. 2 дан краткий обзор ИК модули некоторых зарубежных и отечественных производителей с охлаждаемыми МФПУ на квантовых ямах на базе GaAs.
РАЗВИТИЕ РЫНКА GaAs ПОСЛЕ 2017 ГОДА
Для рынка СД на GaAs аналитики прогнозируют 21% ежегодного прироста, что даст более половины объема пластин GaAs к 2023 году. Если говорить в финансовых терминах о общем рынке пластин GaAs, то ожидается, что рынок, составляющий в 2019 году 260 миллионов долларов США, продемонстрирует ежегодный темп роста в ближайшие 5 лет 4,5%, и достигнет 330 миллионов долларов США в 2024 году. Динамика роста рынка в натуральных единицах (млн шт.) приведена на рис. 6.
Производители GaAs в мире и в России и существующие бизнес-модели
Основными производителями изделий (слитков, пластин и эпитаксиальных слоев) GaAs являются компании: Freiberger Compound Materials, AXT, Sumitomo Electric, China Crystal Technologies, Shenzhou Crystal Technology, Tianjin Jingming Electronic Materials, DOWA Electronics Materials, II–VI Incorporated, IQE Corporation и Wafer Technology. В области поставок объемных кристаллов GaAs, Sumitomo Electric, Freiberger Composite Materials и AXT лидируют на рынке с общей долей рынка около 95%.
До недавнего времени в России сохранялось несколько небольших производителей монокристаллов арсенида галлия различной формы собственности, которые в совокупности могли удовлетворять большую часть отечественных потребностей в этом материале. Однако в 2007 году было ликвидировано производство монокристаллов в ЗАО «Элма-Малахит» (г. Зеленоград), производившем по технологии LEC монокристаллы нелегированного полуизолирующего и легированного GaAs. В 2008 году аналогично завершилась история существования двух других компаний, растивших GaAs-кристаллы, – ОАО «НИИ материалов электронной техники» (г. Калуга), выпускавшего по технологии LEC монокристаллы легированного GaAs, и ООО «Гирмет» (г. Москва), производившем монокристаллы по технологии ВНК. В настоящее время монокристаллы арсенида галлия в России изготавливаются в АО «Гиредмет» (Москва, предприятие Росатома) методом LEC и в ООО «Лассард» (г. Обнинск) методом ВНК. В АО «Гиредмет» и в ООО «Лассард» сегодня осуществляются инвестиционные проекты, направленные на развитие технологии GaAs.
Также в 2019 году запущено производство гетероструктур на основе арсенида галлия. АО «Экран-оптические системы», опираясь на разработки Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова (ИФП) СО РАН, ввело в эксплуатацию установку молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [8].
Поскольку новые лазерные приложения диктуют очень высокие технические требования к пластинам GaAs, которые постоянно ужесточаются, аналитики полагают, что метод ВНК в этом секторе будет главенствующим, а упомянутые игроки сохранят свое техническое преимущество, по крайней мере, в течение еще 3–5 лет. Ожидается, что китайские поставщики пластин GaAs, такие как Violent Materials, которые захватили часть рынка СД от ведущих поставщиков, увеличат свою долю.
Что касается производства эпитаксиальных структур GaAs и приборов на GaAs, то там существуют различные бизнес-модели (рис. 7). Рынок СД GaAs в основном вертикально интегрирован, с хорошо зарекомендовавшими себя интегрированными производителями устройств, такими как Osram, Sanan, Epistar и Changelight. За последние несколько лет сектор эпитаксиальных структур GaAs прошел через большую консолидацию, в результате чего осталось четыре основных игрока: IQE, VPEC, Sumitomo Chemicals (включая Sumitomo Chemical Advanced Technologies и SCOCS) и IntelliEPI.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основным двигателем развития рынка GaAs становится фотоника. В средне- и долгосрочной перспективе мировые рынки пластин и эпитаксиальных структур GaAs будут расти. Рынок пластин GaAs, как ожидается, достанет 1,3 миллиарда долларов США к 2023 году с ежегодным темпом роста 11,5%. На данный момент российский рынок полупроводниковых соединений для развития фотоники и электронно-компонентной базы (GaAs и др.) имеет незначительный объем. В то же время, существует понимание, что для создания современной электронной компонентной базы в России необходимо развивать производства исходных материалов [7]. Представляется также, что, если говорить о развитии GaAs в России, в первую очередь необходимо развивать технологии ВНК производства монокристаллов и epi-ready пластин GaAs.
REFERENCES
Mayanov E., Hasanov A., Knyazev S., Naumov A. GaAs. monocrystals’ market trends ((Mayanov E., Gasanov A., Knyazev S., Naumov A. Tendencii razvitiya rynka monokristallov GaAs. In Russ). Electronics: Science, Technology, Business. 2018; 2 (00173): 172–184. DOI: 10.22184 / 1992–4178.2018.173.2.172.184.
Марков А. В. Монокристаллы полупроводниковых соединений III–V: современное производство и перспективы его развития. Известия ВУЗов. Физика. 2003; 6: 5–11.
Markov A. V. Monokristally poluprovodnikovyh soedinenij III–V: sovremennoe proizvodstvo i perspektivy ego razvitiya. Izvestiya VUZov. Fizika. 2003; 6: 5–11.
GaAs wafer market growing at 15% CAGR to 2023, driven by photonics applications growing at 37%. URL: www.semiconductor-today.com/news_items/2018/jul/yole_240718.shtml.
GaAs Wafer & Epiwafer Market: RF, Photonics, LED и PV application. URL: https://www.i-micronews.com/products/gaas-wafer-and-epiwafer-market-rf-photonics-led-and-pv-applications/?cn-reloaded=1.
GaAs Market Overview. URL: https://anysilicon.com/gaas-market-overview-apple-changing-future/.
Apple Is Changing GaAs Future. URL: https://compoundsemiconductor.net/article/104852/Apple_Is_Changing_GaAs_Future
URL: www.astrohn.com.
Электронный ресурс: Экран-оптические системы» запустил первое в России промпроизводство наногетероструктур на основе арсенида галлия // http://www.sib-science.info/ru/institutes/v-novosibirske-zapuscheno-proizvodstvo 02102019.
ОБ АВТОРАХ
Кульчицкий Николай Александрович, докт. техн. наук, e-mail: n.kulchitsky@gmail.com, главный специалист, ГНЦ РФ, АО «Научно-производственное объединение «Орион», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4664-4891
Наумов Аркадий Валерьевич инженер-аналитик, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0001-6081-8304
Старцев Вадим Валерьевич, канд. техн. наук, главный конструктор, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544X
Отзывы читателей
