| Название: | Разработка газовой системы установки МОС-гидридной эпитаксии для реализации технологии эпитаксиального роста А3В5 гетероструктур, предназначенных для создания источников лазерного излучения на основе гетерогенно-интегрированных волноводных структур SOI/A3B5 |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 11-300 - Производство оптоэлектронных приборов в т.ч. полупроводниковых лазеров, микродисплеев, фотоприемных матриц |
| Научная дисциплина: | 11-331 - Технологическое оборудование, комплектующие и оснастка для производства оптоэлектронных приборов в т.ч. полупроводниковых лазеров, микродисплеев, фотоприемных матриц |
| Ключевые слова: | установка МОС-гидридной эпитаксии, гетерогенная интеграция полупроводниковых структур А3В5 и кремния, полупроводниковые наногетероструктуры, твердые растворы In-Ga-Al-As-P/InP, полупроводниковые лазеры, фотонные интегральные схемы |
| Тип: | прикладные |
| Руководитель(и): | Слипченко,СО |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 23-91-06204 |
Предлагаемый проект входит в технологическое предложение, направленное на разработку отечественной технологии инжекционных источников лазерного излучения, совместимых с групповой технологией создания фотонных интегральных схем (ФИС) на основе структур кремний на изоляторе (КНИ). Такие ФИС обеспечивают кардинальное улучшение скоростных и энергетических характеристик оптических прием-передающих модулей (ППМ) за счет интеграции источников лазерного излучения в планарную интегральную схему, в которой сформированы компактных интегральные модуляторы, элементы мультиплексирования/демультиплексирования оптических сигналов. Это позволит создать высокоскоростные ППМ (трансиверы) как для отечественного телекоммуникационного оборудования, так и для центров обработки данных.
В рамках проекта планируется решить блок задач, связанных с проблемой создания оборудования для реализации технологии роста планарных полупроводниковых гетероструктур А3В5 с использованием метода МОС-гидридной эпитаксии, предназначенных для изготовления гетерогенно-интегрированных волноводных структур КНИ(кремний на изоляторе)/A3B5 и инжекционных источников лазерного излучения на их основе. Инжекционные источники лазерного излучения на основе гетерогенно-интегрированных волноводных структур КНИ/A3B5 позволят реализовать преимущества групповой технологии изготовления ФИС, что обеспечит технологичность в производстве высокоскоростных трансиверов.
Важность реализации предлагаемого проекта также обусловлена тем, что в настоящее время недоступно передовое зарубежное оборудование для роста планарных гетероструткур А3В5 методом МОС-гидридной эпитаксии, при этом именно данная технология является одной из ведущих для создания лазерных источников в спектральном диапазоне 1300-1600нм. Отсутствие доступных мощностей для производства полупроводниковых гетероструктур А3В5 формирует риск задержки запуска в производство разработанных решений. Реализация предлагаемого проекта решает данную проблему и позволит сформировать научно-технический задел для выпуска отечественного оборудования для реализации технологии МОС-гидридной эпитаксии планарных гетероструктур А3В5. Предлагаемая для реализации газовая система установки МОС-гидридной эпитаксии для реализации технологии эпитаксиального роста А3В5 гетероструктур, является основной части эпитаксиального оборудования и будет включать следующие основные блоки: (1) блок формирования газовой смеси, обеспечивающий подачу газовой смеси с заданными характеристиками и составом в реактор, включая газовые каналы, элементы переключения и управления газовыми потоками; (2) блок согласования потока газовой смеси с реактором, который должен быть согласован с внешней автоматической системой управления технологическим процессом, а также обеспечивать требуемые условия эпитаксии - однородность состава и скорости роста; (3) блок откачки газовой смеси, обеспечивающий поддержание рабочего давления в реакторе, а также удаление неиспользуемой газовой смеси из блока формирования газовой смеси; (4) блок термостатирования источников прекурсоров металлоорганического типа, предназначенный для поддержания выбранной температуры для каждого источника; (5) блок нагрева газовой смеси в зоне роста, обеспечивающий поддержание рабочей температуры из заданного диапазона; (5) блок датчиков газовой смеси в объеме корпуса экспериментального образца газовой системы установки МОС-гидридной эпитаксии для детектирования превышения допустимого уровня ПДК.
Разрабатываемые решения будут основаны на численных моделях, в том числе моделях потоков газовой смеси, которые характеризуют процесс эпитаксиального роста планарных гетероструктур А3В5. На этапе моделирования в качестве отправной точки будет использована конструкция реактора Dragon - отечественной разработки для роста нитридных гетероструктур. Однако переход к арсенид-фосфидным соединениям потребует перенастройки согласующих элементов в связи с заметной разницей свойств газовой смеси. Анализ процесса эпитаксиального роста в реакторе будет проводиться в рамках модели, позволяющей сделать детальное описание транспортных процессов (течения, тепло- и массопереноса), а также модели химических процессов, которая бы предсказывала скорость осаждения, однородность и состав слоя. Подобна модель должна описывать не только эпитаксиальный рост на подложке, но и учитывать эффект паразитного осаждения на внутренних стенках реактора, протекающего в условиях лимитированных кинетикой. Используемая модель позволит предсказывать скорость роста и состав эпитаксиального слоя в условиях лимитированных десорбцией соединений с поверхности, что важно для режимов роста слабо напряженных квантовых ям. Проведенное моделирование позволит определить требования к потокам и составам газовой смеси, подаваемой в зону роста, и требуемую конфигурацию газовых каналов.
Разрабатываемая конструкция газовой системы, а также численные модели позволят в дальнейшем получать решения, оптимизированные под реализации других типов и конструкций планарных гетероструктур А3В5.
В соответствии с разработанными конструктивными решениями будет собран экспериментальный образец газовой системы. Для настройки технологических режимов эпитаксиального роста планируется сборка стенда, включающего систему управления и реактор, а также проведение тестовых эпитаксиальных процессов роста основных элементов конструкции базовых гетероструктур: квантовых ям, объемных слоев с различным легированием. Исследования характеристик данных слоев с использованием методик фотолюминесценции с пространственным разрешением, рентгеновского микроанализа, электронной микроскопии, позволят определить основные характеристики, связанный с воспроизводимостью и управляемостью режимов роста, а также однородностью по пластине.
При выполнении проекта должны быть получены следующие основные результаты:
- должен быть разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец газовой системы установки МОС-гидридной эпитаксии, согласованный реактором, обеспечивающий эпитаксиальный рост в одном процессе на трех подложках диаметром не менее 2 дюймов;
- должны быть изготовлены и испытаны экспериментальные образцы Al-In-Ga-AsP/InP гетероструктур с элементами конструкций, предназначенных для создания источников лазерного излучения на основе гетерогенно-интегрированных волноводных структур КНИ/A3B5;
- должна быть разработана эскизная документация экспериментального образца газовой системы установки МОС-гидридной эпитаксии для реализации технологии эпитаксиального роста А3В5 гетероструктур, предназначенных для создания источников лазерного излучения на основе гетерогенно-интегрированных волноводных структур КНИ/A3B5;
- должен быть разработан комплектов документов на изготовление экспериментальных образцов эпитаксиальных структур с элементами конструкций, предназначенных для создания источников лазерного излучения на основе гетерогенно-интегрированных волноводных структур КНИ/A3B5.
Экономический эффект проекта выражается в реализации возможности изготовления планарных гетероструктур А3В5 для инжекционных источников лазерного излучения, которые могут использоваться отечественными предприятиями при производстве отечественных высокоскоростных приемо-передающих модулей (трансиверов). Ежегодное потребление приемопередающих модулей (трансиверов) в РФ составляет более 1 млн. штук. Доля высокоскоростных трансиверов составляет сегодня 5-10% процентов и вырастет до 60% в ближайшие 5 лет. Российское производство фотонных компонент высокоскоростных систем связи является необходимым условием для возможности проектирования и производства суверенных платформ управления критическими инфраструктурами РФ и гарантированного, в условиях технологической изоляции, обеспечения связности территории РФ и ее населения. В результате реализации данного проекта и технологического предложения будет достигнута максимальная экономическая эффективность на операциях сборки ФИС у предприятия заказчика АО «ЗНТЦ», при этом организация серийного производства трансиверов с применением ФИС запланирована и объявлена двумя крупнейшими производителями: Компания ООО «ФайберТрейд», г. Новосибирск, и ООО «НЕОРОС», г. Москва.
