Zastosowanie struktur epitaksjalnych półprzewodników na

Zastosowanie struktur
epitaksjalnych półprzewodników
na świecie i w Polsce
Michał Leszczyński
Instytut Wysokich Ciśnień PAN (UNIPRESS)
i TopGaN
Wykład 21 01 2013
1
Plan wykładu
1. Porównanie wartości produkcji różnych
pólprzewodników
2. Metoda MBE i MOVPE
3. Przyrządy: tranzystor, dioda LED, laser, detektor
4. Struktury Si:Ge
5. Struktury (AlGaIn)(AsP) (III-V)
6. Struktury (AlGaIn)N (III-N)
7. Struktury II-VI
8. Homoepitaksja SiC (+grafen)
2
Rynki
GaN
Molecular Beam Epitaxy MBE
Appropriate other meaning s of MB E
Mos tly B roken Equipment
Mas s ive B eer Expenditures
Maniac B loods ucking Eng ineers
Meg a-B uck Evaporator
Many B oring Evening s (how do you think
this lis t came about? )
Minimal B abe Encounters (s ee previous
item)
Mainly B .S . and Exag g eration
Medieval B rain Extractor
Money B uys Everything
Make B elieve Experiments
Manag ement B ulls hits Everyone
Malcontents , B oobs , and Eng ineers
Mus ic, B eer, and Excedrin
MOVPE-Metalorg anic C hemical Vapour Phas e
Epitaxy
Reflektometria laserowa In-situ
nośny)
podłoże
grzanie indukcyjne
Wlot grupy III
TMGa
TMAl
TMIn
Cp2Mg
Gaz nośny
grafitowa podstawa
pokryta SiC
A(CH3)3+NH3->AN+3CH4
A= Ga, In, Al
HEMT (High Electron Mobility
Transistors), także sensory gazów i cieczy
gat e
s o u r ce
m e t a l (e .g . a lu m in u m )
o h m ic
t
Sch o t t k y
d io d e
o h m ic
n -A lG a A s
b
δ
i-A lG a A s
i-G a A s
In s u la t in g s u b s t r a t e
2 D EG
d r a in
Diody elektrolumines cencyjne LE D
+
G aN:Mg 100nm
Al0.20G aN:Mg 60nm
4QW
QW – InX G a1-X N/QB –
InYG a1-YN:S i
In0.02G aN:S i 50nm
Al0.16G aN:S i 40nm
G aN:S i 50 0 n m
-
Diody laserowe
Detektory światła
Ogniwa słoneczne
Si-Ge
Przykład przyrządu Si-Ge
(AlGaIn)(AsP)
AlGaAs/GaAs
• Dobre dopasowanie sieciowe
– Róznica między AlAs and GaAs .14%
• Duża różnica w przerwie energetycznej
–
for x<0.45
Eg
1.424 + 1.247x
Eg
1.424 + 1.247x + 1.147 ( x − 0.45)
2
for higher x values
• Duża ruchliwość elektronów 8000 cm2/V-s i dziur 380
cm2/V-s ( bez rozpraszania na domieszkach))
• Podłoża GaAs
InGaAs/InP
• Wyższa ruchliwość elektronów (13,000 cm2/V-s)
1.6 razy większa niż w GaAs i 9 razy większa niż
Si (czyste materiałY)
• Mniejsza przerwa energetyczna (mniejsze napięcia
przełączania)
• Lepsza przewodność termiczna
• Podłoża InP droższe i gorsze
Główne zastosowania
(AlGaIn)(AsP)
1. Tranzystory wysokich częstości
2. Czerwone i podczerwone diody laserowe
3. Ogniwa słoneczne
2012 około 6 mld USD
Polska nic nie produkuje (chyba) i nie ma
nadziei, że będzie.
A była na to szansa...
Muzeum zamiast Laboratorium Fizyki Wzrostu Kryształów, ruiny zamiast fabryki
Może z azotkami będzie lepiej...
Prof. S ylwes ter Porows ki
Ojciec chrzes tny pols kich
półprzewodników
azotkowych
Połprzewodniki azotkowe- (AlGaIn)N
20
Dominacja japońska od samego początku
1989- Amano i Akasaki (Meijo University)
1992-1996
Producenci
LD 405 nm:
Nichia
Sony
Sanyo
Sharp
Matsushita
Shuji Nakamura (Nichia)
First commercial blue LEDs
First LDs
21
BluRay (405 nm)
Białe LED-y
Wielomiliardowy rynek
przewyższający przyrządy
na GaAs
22
Mieszanie trzech kolorów RGB
23
Za chwilę:
Telewizja laserowa
450 nm – bliskie masowej produkcji
(Osram, Nichia)
Mitsubishi, 65 inch
520 nm- zademonstrowano w kilku
firmach
24
Za chwilę:
Rail Traction
25
Lasery GaN-owe
p- doping
InGaN QWsIn-segregation,
electric built-in fields
AlGaN- cladding,
lattice mismatch
Bulk GaN substrate
26
Problemy do rozwiązania
Zielony dół
electrons
holes
Segregacja indu w InGaN
Niedopasowanie
sieciowe
Droop
Domieszkowanie
na typ p
Pola elektryczne
i wiele innych!!!
27
Podłoża GaN
28
Jakość podłoża GaN decydująca dla wielu zastosowań
S. Uchida et al. Sony
Shiroishi Semicond. Inc
IEEE J. of Selected Topics in
Quantum Electronics 9, no 5,
(2003)1252.
Our data
Dla sensorów
elektronicznych gęstość
dyslokacji najprawdopodobniej też bardzo29
S UMITOMO- niekwes tionowany lider podłoży
G aN
S ytuacja na ś wiecie w krys talizacji G aN
Technolog ia HVPE
1. S umitomo Electric Indus try – krys talizacja na G aAs
http://global-sei.com/news/press/10/10_25.html
n=5x1018 cm-3
TDD=5x104 cm-2
R -płas kie
S ytuacja na ś wiecie w krys talizacji G aN
Technolog ia HVPE
2. Hitachi C able, Furukawa, S aint G obain – krys talizacja na
s zafirze-technolog ia VAS 2”, 3” i 4” HVPE-G aN
n<1x1018 cm-3
TDD=5x106 cm-2
R =1-10 m
Y. Oshima et al. Jpn. J. Appl. Phys. V. 42 (2003)
Metoda amonotermalna
n-type do 2x1019 cm-3
p-type,
R. Doradziński, et al. in Technology of Gallium Nitride
Crystal Growth, Springer-Verlag, Heidelberg, 2010, pp. 137-158
s emi-ins ulating ,
TDD=5x104 cm-2
HVPE + HNP – combined method of TopGaN
+
Hydride Vapour Phase Epitaxy:
High Nitrogen
Fast growth, large dimensions
Pressure Overgrowth
34
G aN s ubs trates from
Multi-feed-s eed-method 10 kbar, 1600oC ,
g rowth from N s olution in G a
nowo wzrośnięty
HNPS-GaN
t= 5 0 0 h
a
b
T
c
1.5 inch HNPS-GaN 330 µm
LD 405 nm
Producent
Jthr
Vthr
2-3 kA/cm2 4.5-5 V
State of the
art (Nichia,
Sony, Samsung)
Unipress
TopGaN
2-4 kA/cm2
4.5-5 V
ηdiff
1-1.4 W/A
0.6-1.4 W/A
36
Single stripe devices in 5.6 mm package
Diody laserowe TopGaN
405 nm mają już dobre
parametry, ale koszty
produkcji zbyt wysokie na
produkcję- potrzeba
innych, bardziej
zaawansowanych
produktów
COMD efekt degradacji
2
Output power density (MW/cm )
100
2µ
m
80
20 µ
m
50 µ
m
60
200 mW
2W
6W
12 W
40
100 µ
m
20
0
0
2
4
6
8
10
12
14
Output power (W)
All Bluray LDs <2µm to have single mode emission
200 mW maximum
38
Matryce laserowe – dlaczego?
Optical power (arb. units)
1. Większa moc całkowita – korzystniejsze własności
3. termiczne niż lasery szerokopaskowe
80
70
20 µ m - pulse
50 µ m - pulse
50 µ m CW
20 µ m CW
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
2
current density (kA/cm )
Lasery szerokopaskowe mają tendencję do przegrzewania się w
pracy i filamentacji CW
Mini matryce
a
y
3 ,0
rs
e
it t
3
it t
e
r
e
m
2 ,0
1 ,0
a
n
g
rr
a
le
y
e
m
1 ,5
m
itt
e
rs
si
e
e
0 ,5
fiv
O p t i c a l p o w e r (W )
a
rr
2 ,5
0 ,0
0
1
2
3
4
5
c u r r e n t (A )
Nitride laser diodes, Jaszowiec-Krynica 2011
6
4 W – las er diode array
Półprzewodniki II-VI (HgCdZnMn)(TeSeS)
Przerwa energetyczna od 0 do uv
Kłopoty ze stechiometrią
Zbyt łatwa generacja defektów
Polska firma VIGO- jedna z bardzo niewielu
produkująca przyrządy na bazie II-VI
Detektory IR z firmy VIGO- sukcesy w zastosowaniach
cywilnych, kosmicznych i wojskowych
Epitaksja SiC
6 calowe podłoża wprowadzane do produkcji
CREE, SiCrystal, TankeBlue,
Wartość produkcji przyrządów SiC-owych: ok.
0,3 mld USD, ale 5 mld USD w 2022!
Polska firma EpiLab (spin-off z ITME):
warstwy SiC bardzo dobrej jakości
grafen
O P T Y M IZ M
2 0 0 0 - 3 u r z ąd z e n ia d o e p ita k s ji w P o ls c e
201 3- o k . 30
N o w e L a b o r a t o r ia : C E Z A M A T , C E N T
N a d z ie ja n a r o z w ó j fir m A m m o n o , T o p G a N , V IG O i n o w y c h ...