СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 28 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2015 2008 2009 2010 20112012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 8 ″ 6 ″ 3 ″ 2 ″ 4 ″ 100 80 60 40 20 0 % 67 66 62 60 50 39 28 18 11 6 6 20 27 39 44 45 2 10 70 70 65 61 48 38 1 3 6 9 14 20 22 44 14 35 13 20 19 18 18 16 26 7 1 5 10 5 3 14 Окно (сапфир) Изоляция Светодиод 2008 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2020 100 120 80 60 40 20 0 2 ″ 3 ″ 4 ″ 80 98 73 42 38 44 42 40 38 36 34 33 6 7 7 8 8 8 9 23 25 12 8 8 позволяет снижать стоимость сфор- мированных на них электронных приборов. В то же время отметим, что высокая твёрдость и химическая стой- кость сапфира (см. табл. 4) является серьёзным препятствием при реа- лизации технологии резки слитков сапфира, шлифования и полирова- ния пластин и подложек в промыш- ленном производстве. Р ЫНОК САПФИРА Рост объёмов поставок изделий из сапфира на рынке за последние несколько лет способствовал актив- ному развитию новых технологий, что привело к интенсивному применению сапфира в электронике и оптоэлектро- нике. Одно из самых главных примене- ний сапфира на сегодняшний день – это светоизлучающие диоды (СИД). СИД широко используются в панелях телевизоров высокой чёткости, диспле- ях компьютеров, в дорожных знаках, светофорах и разных табло, в экранах мобильных телефонов. Развитие также получает использование СИД в энерго- сберегающих системах общего освеще- ния, так как позволяет экономить око- ло 30% электроэнергии (см. рис. 4). В настоящее время три четверти выпу- скаемых в мире светоизлучающих дио- дов производится с использованием сапфира (см. рис. 5). Большинство светодиодов состоят из нитридов элементов III группы, кото- рые наносятся на сапфировые подлож- ки. Причина этому – особое эпитакси- альное соотношение между нитрида- ми элементов III группы и сапфира, а именно, поворот решётки GaN на 30 ° по отношению к решётке сапфира позволяет добиться идеальной ори- ентации кристалла вдоль оси [0001]. Высокая термическая стойкость сап- фира позволяет производить очистку подложки перед началом выращивания структуры СИД. Потребление сапфира после 2010 г. растёт в среднем на 20% в год [9]. Про- гноз цен на сапфировые подложки представлен на рисунке 6. Основны- ми потребителями сапфира являют- ся США, Германия, Израиль, Китай, Тайвань, Швейцария, Россия, Чехия и некоторые другие страны. В трой- ку ведущих мировых производителей сапфира наряду с Россией («Монокри- сталл», г. Ставрополь) входят японская корпорация Kyocera и американская компания Rubicon Technology. Завод «Монокристалл» – крупнейшая произ- водственная площадка Европы по выра- щиванию искусственного сапфира для нужд электронной техники. Около 90% производимых в Ставрополе сапфиро- вых подложек поставляются 50 азиат- ским, европейским и американским компаниям, работающим в электрон- ной промышленности. В 2010 г. доля «Монокристалла» на мировом рынке сапфира составила около 25%. В КЛАД АВТОРОВ В РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ САПФИРА Дальнейшее усовершенствование технологии получения крупногабарит- ных кристаллов сапфира требует увели- чения производительности, снижения её энергоёмкости, повышения качества кристаллов, разработки методов кон- троля и управления процессами кри- сталлизации в реальном времени. Для решения данных проблем необходи- мо исследование тепломассопереноса, поиск методов его контроля и управле- ния, а также исследование закономер- ностей возникновения дефектов в про- цессе роста кристаллов. Авторы обзора развивают техноло- гию выращивания кристаллов сапфи- ра и разрабатывают новые техноло- гии получения изделий из них, созда- ют научно-обоснованные алгоритмы управления процессами кристалли- зации из расплава и соответствующее программное обеспечение, повыша- ют качество кристаллов. Исследова- ния ведутся в научных центрах «Лазер- ные технологии», «Нанотехнологии», в Институте нанотехнологий, элек- троники и приборостроения Южного федерального университета совмест- но с заводом «Кристалл» (г. Таганрог). Оптимизация технологии изготов- ления подложек сапфира решалась на основе сочетания метода анали- тического моделирования с экспе- риментом и технологией эксперт- ных систем. Результаты исследова- ний и программное обеспечение дают достаточно полную информа- цию о реальной структуре монокри- сталлических подложек из сапфира. Основными отличиями предлагаемой методики являются: ● использование методов экспертной оценки и планирования эксперимен- та в ходе построения моделей зависи- мости выходных параметров (уров- Рис. 4. Светодиод на основе сапфира Рис. 5. Тренды использования сапфировых подложек для светодиодов Таблица 4. Физические свойства подложек сапфира и кремния, используемых для гетероэпитаксиальных плёнок Параметр Al 2 O 3 Si Плотность, г/см 3 3,98 2,33 Твёрдость по Моcсу 9 7 Модуль упругости, ГПа 350 18,9 Растворимость в воде Отсутствует Отсутствует Растворимость в кислотах в HNO 3 , H 2 SO 4 , HCl, HF при t > 300°С В смеси HNO 3 и HF Растворимость в щелочах Отсутствует до 800–1000°С Растворим при нагревании Растворимость в расплавах металлов (Mg, Al, Cr, Co, Ni, Na, K, Zn, Cs) Отсутствует до 800°С Растворим Рис. 6. Прогноз цен на сапфировые подложки ($) © СТА-ПРЕСС