Wykład III

Wykład III
Technologia 2
Kryształy
Metody otrzymywania monokryształów
Zarodkowanie
Krystalizacja
Krystalizacja
Krystalizacja
Kryształy posiadają minimalną energię
wewnętrzną, bo każda cząsteczka ma taką samą
energię (takie samo otoczenie)
Zarodkowanie
𝑮 = 𝑯 − 𝑻𝑺 = 𝑼 + 𝒑𝑽 − 𝑻𝑺
Energia wewnętrzna U ciała stałego jest mniejsza od energii
wewnętrznej cieczy.
W szczególności krystaliczne ciała stałe mają najmniejszą
energię wewnętrzną.
Krystalizacja
Zarodkowanie homogeniczne (jednorodne)
•Tworzenie zarodka kryształu w cieczy jest związane z
utworzeniem granicy: ciecz/kryształ. Ponieważ atomy
na granicy faz mają podwyższoną energię – utworzenie
granicy międzyfazowej prowadzi do wzrostu energii. Ten
przyrost energii jest proporcjonalny do wielkości
powierzchni zarodka – jest to energia powierzchniowa
„”
•Poniżej Ttopnienia= Trównowagi atomy wewnątrz kryształu
mają niższą entalpię swobodną niż atomy w cieczy – a
zatem tworzeniu zarodka towarzyszy zmniejszenie
energii proporcjonalne do objętości zarodka – jest to
objętościowa entalpia swobodna GV
Krystalizacja homogeniczna
Jeżeli energia granicy: zarodek/osnowa NIE
zależy od jej orientacji, to ze względów
energetycznych najbardziej prawdopodobny
jest:
kulisty kształt zarodka!
(kula ma najmniejszy stosunek powierzchni
do objętości)
Zarodkowanie
Można bowiem pokazać, że ze wzrostem
przechłodzenia maleje promień zarodka krytycznego!
German
• Podobnie jak Si, Ge jest otrzymywany w
procesie redukcji GeO2 węglem. Ge o
odpowiedniej klasie czystości jest uzyskiwany
analogicznie jak Si z mieszaniny z HCl
(poprzez GeCl4) a następnie wyciągany
metodą Czochralskiego lub metodą wytapiania
strefowego.
GaAs
• GaAs jest wytwarzany podczas reakcji
egzotermicznej w wysokim ciśnieniu i w
wysokiej temperaturze.
Niedopasowanie sieciowe
Niedopasowanie sieciowe
• Każdy atom epiwarstwy chce się związać z 1 atomem
podłoża: wzrost pseudomorficzny
• Jeśli stała sieciowa podłoża jest różna od stałej
sieciowej epiwarstwy to epiwarstwa jest naprężona
• Energia naprężenia rośnie ze wzrostem objętości
warstwy
• Aby zmniejszyć naprężenia, mogą zostać zerwane
niektóre wiązania – pojawiają się dyslokacje
związane z niedopasowaniem (misfit dislocations).
Krytyczna grubość
• Maksymalna grubość epiwarstwy gdy jest ona
naprężona ale jeszcze pseudomorficzna jest
zwana krytyczną grubością warstwy
• Gdy grubość warstwy jest większa od
krytycznej, to warstwa nie jest już naprężona
ale zdefektowana
MOVPE (MOCVD)
Epitaksja z fazy gazowej z użyciem związków
metaloorganicznych
• A(CH3)3 - związek metaloorganiczny
pierwiastka III grupy (np. TMGa, TEGa)
• BH3 - wodorek pierwiastka V grupy.
• W reaktorze proces przebiega wg ww reakcji
w warunkach dalekich od równowagi
chemicznej, to znaczy, że dla typowych jego
parametrów może zachodzić jedynie
osadzanie.
MOVPE
Gaz nośny (najczęściej
wodór)
przepływając
przez saturator nasyca
się
parami
związku
metaloorganicznego
i
przenosi je do reaktora.
Stężenie
tych
par
określone
jest
temperaturą saturatora.
Do reaktora dostarczane
są także wodorki V grupy
oraz
(ewentualnie)
domieszki. Jednorodna
mieszanina gazów ulega
w wysokiej temperaturze
pirolizie i dochodzi do
grzanego podłoża w
postaci
atomów
lub
cząsteczek
osadzanej
substancji,
które
są
wiązane
na
jego
powierzchni.
Oscylacje RHEED
(Reflection High - Energy Electron Diffraction)
Jedna oscylacjajedna monowarstwa
MOCVD vs MBE
MOCVD
• plusy
– szybszy wzrost niż w MBE, (kilka mikronów/godz. )
– wyższa temp. wzrostu; proces wzrostu jest termodynamicznie korzystny
- jakość warstw lepsza niż MBE
• minusy
– nie można kontrolować wzrostu ( technika RHEED nie może być
zastosowana, bo ciśnienie jest wyższe)
– granica narostu nie jest tak dobrze zdefiniowana ze względu na przepływ
gazu i efekt pamięci („memory effects”)
– problem toksycznych gazów
MOCVD vs MBE
MBE
• Ultra-wysoka próżnia: 10-5~10-11Torr
• Średnia droga swobodna atomów >odległość źródło - podłoże
• III: ciało stałe
• V: NH3 lub plazma N
MOCVD
• Atmosfera wodoru: 25-760 Torr
• III: związki metaloorganiczne
(TMGa,TMAl, TMIn)
V: NH3