Прием работ на конкурс «Моя лаборатория», который проводит программа «Мастерские инноваций» ФИОП РОСНАНО, продлен до 15 февраля. В рамках проекта наши корреспонденты побывали в санкт-петербургской лаборатории LEDMicrosensor. Здесь нам объяснили, почему производство свето- и фотодиодов невозможно без женщин.
Команда LEDMicrosensor выросла в лаборатории инфракрасной оптоэлектроники петербургского физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН. Сегодня компания занимается производством свето- и фотодиодов, перекрывающих средний инфракрасный диапазон. В конкурентном отношении этот участок наиболее свободный – в России производят только функциональные аналоги.
Светодиоды – это приборы на основе полупроводников, преобразующие электрический ток в световое излучение. Фотодиод – то же самое, только наоборот. Вместе они образуют оптопару. Излучение светодиодов варьируется по всей спектральной шкале – от ультрафиолетового до инфракрасного. Оптопары производства LEDMicrosensor настроены на средний инфракрасный диапазон, поскольку в основном используются в разработках сенсоров для анализа практически всех сред.
Дело в том, что любое вещество в любом состоянии может быть исследовано. Все вещества имеют фундаментальную полосу поглощения – это величина длины волны, при которой вещество поглощает максимум излучения. Если пропустить через какое-то вещество определенный вид излучения, то оно будет забирать больше или меньше излучения. А в спектральном диапазоне 1600-5000 нм как раз находятся характерные полосы поглощения важных химических соединений, таких как вода H2O, метан CH4, углекислый газ CO2, окись углерода CO, ацетон CH3COCH3, а также полосы поглощения многих других органических и неорганических соединений.
В основе анализаторов лежат как раз-таки оптопары – источник излучения (светодиод) и приемник излучения (фотодиод). Когда газ попадает между ними, то поглощает часть излучения, тогда на фотодиод излучения попадает меньше, чем было эмитировано светодиодом. На основании этого процесса и определяется наличие и концентрация анализируемого вещества.
Сам процесс создания оптопар крайне трудоемкий и требует немалого количества времени и усилий. Однако наибольший интерес представляет технология, с помощью которой в лабораториях создают светодиодные материалы. Первым этапом становится выращивание многослойных полупроводниковых структур – гетероструктур.
Еще советские исследователи выяснили, что для получения гетероструктур ячейки кристаллических решеток двух разных веществ должны практически идеально располагаться относительно друг друга. Это осуществимо при эпитаксиальном способе выращивания полупроводников. Технологи из полупроводниковых растворов – химических элементов III и V групп – выращивают целые пластины. На одну такую пластину уходит примерно пять-шесть часов.
Директор компании LED Microsensor NT Николай Стоянов
Следующим этапом становится фотолитография – нанесение контактов и формирование чипов из эпитаксиальной пластины, полученной от технологов. На полупроводниковую пластину проецируют специальные фотошаблоны – по несколько раз на одну.
Завершающее действие в производстве светодиодных материалов – формирование чипов. Занимаются этим в строго обеспыленном помещении, поэтому в нем всегда поддерживают определённый уровень влажности. Технически этот процесс осуществляют несколько установок, но без усидчивости и терпения лаборантов ничего бы не получилось. Каждая такая установка оборудована микроскопом с увеличением примерно в триста раз, потому что чипы миниатюрны – разглядеть их даже с самым острым зрением невозможно. Полупроводниковая пластина, предварительно расколотая, наклеивается на корпуса. Так получаются чипы –на одной пластине их бывает до пяти тысяч, а на одном готовом корпусе – какое угодно количество, в зависимости от объема клиентского заказа.
Чипы приклеивают или приваривают – опять же, в зависимости от пожеланий клиента. Но закрепить их на корпусе мало, затем чипы отправляют в специальную печь, где при температуре 100-120˚С они скрепляются еще больше. Следующий шаг – сварка контактов.
Чипы мало нанести на корпуса и скрепить высокими температурами, затем их нужно еще проверить на прочность и стабилизировать длину волны. Последнее происходит в особенных установках, напоминающих обыкновенные холодильники. Дело в том, что излучение светодиода должно быть фиксировано и если оно собьется, то есть риск не попасть в полосу поглощения нужного вещества. В случае, если излучение светодиода все-таки сместилось, следует взять чипы из другой пластины.
Весь процесс формирования, закрепления и тестирования чипов на прочность сами специалисты называют более чем скромно – монтажом микросборки. Чтобы студент, пришедший на практику в LEDMicrosensorсо своими теоретическими разработками смог обработать полупроводниковую пластину от начала до конца – должно пройти не менее полугода. Интересно, что на этом этапе работают всегда женщины. В лаборатории шутят, что у мужчин психология другая – для эпитаксии годится, а для такой усидчивой деятельности нет.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Напоминаем Вам, что в рамках Олимпиады проходит творческий конкурс "Моя лаборатория". Участвовать в конкурсе могут студенты, аспиранты, молодые ученые, специалисты и журналисты.
На конкурс принимаются научно-популярные статьи, посвященные работе научной лаборатории, научному обмену или любым другим аспектам научной деятельности. Текст должен быть понятен и интересен самой широкой аудитории и в первую очередь школьникам старших классов.
Более подробно о конкурсе.
