Epitaksja - Instytut Wysokich Ciśnień PAN

Epitaksja - Instytut Wysokich Ciśnień PAN

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów
Epitaksja - zagadnienia podstawowe
13 marzec 2008
Zbigniew R. Żytkiewicz
Instytut Fizyki PAN
02-668 Warszawa, Al. Lotników 32/46
tel: 843 66 01 ext. 3363
E-mail: [email protected]
Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński
Instytut Wysokich Ciśnień PAN
01-142 Warszawa, ul Sokołowska 29/37
tel: 88 80 244
e-mail: [email protected], [email protected]
Wykład – 2 godz./tydzień – czwartek 8.15 – 9.45
Interdyscyplinarne Centrum Modelowania UW
Budynek Wydziału Geologii UW – sala 3089
http://www.unipress.waw.pl/~stach/wyklad_ptwk_2007
http://www.icm.edu.pl:80/edukacja/mat/wyklad_ptwk_2007/index.html
Epitaksja - zagadnienia podstawowe
Plan wykładu
• definicje
• metody wzrostu epitaksjalnego
• niedopasowanie sieciowe
• naprężenia termiczne
• domeny antyfazowe (wzrost polar on non-polar)
• o niektórych metodach redukcji gęstości defektów w niedopasowanych
sieciowo warstwach epitaksjalnych
Epitaksja - zagadnienia podstawowe
kryształy objętościowe
• wzrost z roztopu
• wzrost z roztworu
• wzrost z fazy pary
• ……
ogniwo słoneczne
struktury epitaksjalne
source
HEMT
gate
metal (e.g. aluminum)
ohmic
tb
δ
n-AlGaAs
i-AlGaAs
i-GaAs
Schottky
drain
diode
ohmic
2DEG
~kilka µm
Insulating substrate
~300 µm
dioda laserowa
Definicje
• Epitaksja = nakładanie
warstw monokrystalicznych na
monokrystaliczne podłoże wymuszające strukturę
krystaliczną warstwy
epi = na
taxis = uporządkowanie
MnTe(hex)/szafir
MnTe(cub)/GaAs
GaN(hex)/szafir
GaN(cub?)/GaAs
zarodki nowej warstwy
podłoże
warstwa i podłoże takie same
Heteroepitaksja = podłoże i warstwa różnią się strukturą
chemiczną
• Homoepitaksja =
•
Techniki wzrostu epitaksjalnego
• Epitaksja z fazy gazowej (MBE, VPE, MOVPE, HVPE, ...)
Vgr ∼ µm/h
kolejne wykłady: Z.R. Żytkiewicz i T. Słupiński
H2
NH3
GaCl3
λswobodna ∝ 1 p
metody nierównowagowe
analiza in situ wzrostu
• Epitaksja z fazy ciekłej (LPE, LPEE, ...)
następny wykład: Z.R. Żytkiewicz
Vgr ∼ µm/min
Epitaksja z fazy stałej (solid phase epitaxy)
mechanizm transportu masy - dyfuzja w fazie stałej
Przykłady:
wygrzewanie po implantacji
niskotemperaturowy bufor AlN (GaN)
(wzrost 2-etapowy)
wzrost GaN bez bufora
T ∼ 1000oC
atomy na powierzchni mobilne
nukleacja AlN
T ∼ 600oC
Niedopasowanie sieciowe
zaleta związków wieloskładnikowych:
a = f(skład)
ograniczona ilość dostępnych kryształów podłożowych !!!
najczęściej epitaksja warstw niedopasowanych sieciowo z podłożem
Niedopasowanie sieciowe
Założenia: hs = ∞
he < hcr
przed epitaksją
aerelax > as
po epitaksji
warstwa naprężona
warstwa aerelax
he
hs = ∞
aeII = as < aerelax
ściskanie w warstwie
ae⊥ > aerelax
tetragonalna dystorsja sieci
podłoże as
niedopasowanie sieci ( lattice misfit)
energia naprężeń elastycznych w warstwie
f = ( ae − a s ) / a s
Eel ∝ f 2 ⋅ he
Jak obniżyć energię naprężeń?
interdyfuzja
- proces bardzo powolny
- mało istotny dla “grubych” warstw
- ważny w nanostrukturach
deformacja powierzchni
- relaksacja sieci blisko powierzchni
- ważne w nanostrukturach (QDs)
- mało istotny dla “grubych” warstw
Generacja dyslokacji niedopasowania
(misfit dislocations - MD)
warstwa z dyslokacjami
he > hcr
8
II
e
⊥
e
a ≈a ≈a
aGaSb > aGaAs
relax
e
Przykład: GaSb na GaAs
GaSb
MDs
GaAs
9
Qian et al. J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 1430
Czy lubimy dyslokacje niedopasowania?
Threading dislocations
Dyslokacje nie mogą się kończyć w krysztale
dyslokacje TD przyspieszają
rekombinację niepromienistą nośników
Lester et al. APL 66 (1995) 1249
GaN
dyslokacja krawędziowa A-D;
A-B i C-D leżą na powierzchni
przyrząd
TD
TD
podłoże MD
epi
MD = dyslokacja niedopasowania (misfit dislocation)
TD = dyslokacja przechodząca (threading dislocation)
katastrofalna degradacja przyrządów
Czy lubimy dyslokacje niedopasowania?
Threading dislocations
Czas życia niebieskich diod laserowych GaN/InGaN w
funkcji gęstości dyslokacji (wg Sony)
lifetimelasera
(h)
czas życia
[godz]
10000
1000
6
2x10
6
3x10
6
4x10
6
5x10
6
6x10
(cm-2) [cm-2]
gęstośćEPD
dyslokacji
6
7x10
Cross-hatch pattern
10 nm Si (strained)
MDs
∼µm SiGe (relaxed)
Si substrate
gęstość linii ∼ gęstość dyslokacji
L =1
N Disl
NDisl = 106 cm-2 ⇒ L = 10 µm
średnia odległość dyslokacji
Naprężenia termiczne
GaAs
aGaAs > aSi ⇒ naprężenia ściskające w warstwie
GaAs wzrastanej na Si (???)
podłoże Si
ε th = (αGaAs − α Si ) ⋅ (TGT − TRT )
naprężenia rozciągające
w GaAs na Si
5,70
TF
TF = 450 ± 90o C → GaAs / Si
TF = 250 ± 100o C → InP / Si
Yamamoto & Yamaguchi ‘88
residual thermal strain
free-standing
GaAs
εth
GaN/szafir
TF
5,65
16,04
GT
RT
5,45
Si
abulk GaN - abulk sapphire
16,02
16,00
aGaN/sapphire - asapphire
15,98
0
100
200
300
Leszczynski et al. JAP ‘94
16,06
∆a/a (%)
Lattice parameter (A)
GaAs on Si
400
o
500
600
15,96
Temperature ( C)
15,94
0
100
200
300
400
o
temperature ( C)
500
Al
As
Naprężenia termiczne cd.
.99 P
0.0
14
• Laser DH GaAlAs/GaAs
AlGaAs/GaAs idealny układ laserowy dopasowanie sieci (?)
R ∼ 8m
2 MPa
Ga
As
Al
As
0
Rozgonyi, Petroff, Panish JCG 27 (1974) 106.
bez fosforu
z fosforem
• GaAs on Si pękanie warstw GaAs
grubszych niż ∼ 10 µm
109 dyn/cm2 = 100 MPa
Wykorzystanie naprężeń: przykład
aSi < aGe
aInGaAs > aAlAs
relaxed Si
tensile Si
relaxed InGaAs
compressive InGaAs
relaxed Ge
relaxed AlAs
Si substrate
GaAs substrate
po wytrawieniu
Granice antyfazowe (polar on nonpolar)
(antiphase domain boundaries - APB)
polar
(GaAs)
As
Ga
polar
(GaAs)
APB
polar
(GaAs)
nonpolar
(Si)
dominujące przy
wzroście
niestechiometrycznym
(np. MBE)
Mechanizmy generacji dyslokacji niedopasowania
wygięcie dyslokacji podłożowych
generacja półpętli dyslokacyjnych
he ≈ hcr
homogeneous
nucleation
heterogeneous
nucleation
TD
TD
TD
MD
MD
he > hcr
N TD ∝ 2
lav
lav - length of MD segment
Ge0.25Si0.75/Si lav ∼ 10 µm;
in lattice-mismatched structures
EPD ∼ 106 - 1010 cm-2
TD
MD
Grubość krytyczna
Matthews & Blakeslee JCG 27 (1974) 118
he ≈ hcr
Fσ
FT
0.2
0.4
0.6
0.8
h
FT ∼ b2 ⋅ ln e  + 1
  b 
dislocation line tension
Fσ > FT
growth of MD segment
Fσ = FT
he = hcr
1.0
1.2
o
Bean et al. 550 C
o
Kasper et al. 750 C
Matthews-Blakeslee
o
Dodson-Tsao 550 C
o
Dodson-Tsao 750 C
100
Dodson & Tsao APL 51 (1987) 1325; 52 (1988) 852
hcr (nm)
velocity of MD ∝ excess stress (actual stress - stress @ EQ)
strain = f (he, T, t, ...)
10
GexSi1-x
1
0.00
(onset of MD generation)
equilibrium model
lattice mismatch (%)
0.0
1000
Fσ ∼ b ⋅ he ⋅ f
misfit stress force
0.01
0.02
x
0.03
dynamical model
Warstwy buforowe
bufor
 GaN   GaAs 

 

Si
Al
O


 2 3
bufor = zrelaksowana warstwa epitaksjalna o żądanej
wartości parametru sieciowego osadzona na
dostępnym podłożu
podłoże
nowe podłoże dla dalszej epitaksji
Qian et al. J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 1430
Tachikawa & Yamaguchi APL 56 (1990) 484
10
10
10
MBE GaSb/GaAs
10
plane TEM
etching
9
10
8
10
7
10
6
10
5
0
50
100
150
-2
10
dislocation density (cm )
-2
dislocation density (cm )
VPE GaAs/Si
200
distance from GaAs/Si interface (µm)
10
9
10
8
10
7
1
10
layer thickness (µm)
Redukcja gęstości dyslokacji w buforach
Tachikawa & Yamaguchi APL 56 (1990) 484
10
L
10
-2
dislocation density (cm )
VPE GaAs/Si
10
TD
plane TEM
etching
9
MD
10
8
10
7
10
6
10
5
0
50
100
150
200
L =1
N TD
distance from GaAs/Si interface (µm)
NTD = 1010 cm-2 ⇒ L = 100 nm
wysoka wydajność reakcji pomiędzy dyslokacjami
dlaczego ta zależność się nasyca?
NTD = 106 cm-2 ⇒ L = 10 µm
niska wydajność reakcji pomiędzy dyslokacjami
Jak przyspieszyć spadek EPD z grubością?
Wygrzewanie
naprężenia termiczne ⇔ siła napędowa ruchu dyslokacji TD
Yamamoto & Yamaguchi MRS 116 (1988) 285
as grown
ex-situ annealed
in-situ annealed
(10 times)
8
10
7
10
wygrzewanie w czasie wzrostu (in-situ):
• wzrost 1 µm GaAs
• wygrzewanie (Tgr → RT → Ta) × N
• wzrost 2 µm GaAs @ Tgr
MOVPE GaAs/Si
8
10
o
Ta = 700 C
-2
o
Ta = 800 C
etch pit density (cm )
-2
etch pit density (cm )
MOVPE GaAs/Si
Yamaguchi et al. APL 53 (1988) 2293
7
10
o
Ta = 800 C
o
Ta = 900 C
6
6
10
10
0
1
2
3
4
5
thickness (µm)
6
7
0
5
10
cycle number N
15
Filtrowanie TD poprzez naprężone supersieci SLS
niedopasowanie sieciowe ⇔ siła napędowa wygięcia i ruchu dyslokacji TD
MBE GaSb/GaAs
TD
bufor
TD
Qian et al. J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 1430
10
9
10
8
10
7
40 x
-2
dislocation density (cm )
SL
9 x (GaSb/AlSb) SLS
1
10
layer thickness (µm)
• filtr SLS wydajny dla wysokich gęstości TD
• wymagany ostrożny wzrost (brak nowych defektów)
• czasami stosowane wygrzewanie + filtr SLS
gęstości TD < 106 - 107 cm-2
nieosiągalne w planarnych buforach
Wzrost na „małych” podłożach
Yamaguchi et al. APL 56 (1990) 27
wychodzenie dyslokacji do krawędzi
10
10
2W
7
6
9
10
podłoże
residual stress σ (dyn/cm2)
etch pit density (cm-2 )
10
10
5
10
MOVPE 4 µm GaAs/Si 108
o
2 x annealed @ 900 C
MBE
0
1
10
podłoże
MOVPE - selektywna epitaksja
na maskowanym podłożu
2
3
10
10
10
patterned width W (µm)
h
4
10
rozkład naprężeń w mesie
Luryj & Suhir APL 49 (1986) 140
podłoże
W
ε(0)
podłoże
Estrain ( h,W ) ↔ Edislocation
hcr malejąca funkcja W
Wzrost na „cienkich” podłożach - koncepcja (compliant substrates)
Y.H. Lo, APL 59 (1991) 2311
εe
he
εs
hs
1
hcr
= 1
1
∞ −
hcr
hcr grubość krytyczna
hcr∞ = hcr (hs = ∞)
hs
∞
dla hs > hcr
σ e ⋅εe = σ s ⋅εs
prawo Hooka
σ ∝ε
ε0 = εe + εs
εe
hs
=
ε 0 he + hs
hs=he ⇔ εe= εs
no MD for any he
równowaga sił
effective thickness hcr/hcr∞
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
∞
substrate thickness hs/hcr
podłoże
transfer naprężeń z epi do podłoża
⇓
większa grubość krytyczna
hs < hcr∞ ⇒ hcr = ∞
warstwa
warstwa
podłoże
Wytwarzanie cienkich podłóż
cienka membrana
De Boeck et al. JJAP 30 (1991) L423
podłoże
• mocne wiązanie z podłożem
- zapobiec zwijaniu się membrany
• słabe wiązanie z podłożem
- łatwe przesuwanie membrany wzdłuż podłoża
• duża powierzchnia i mała grubość membrany
patterning + mesa release & deposition
GaAs
AlAs
80 µm
40 µm
Wymagania:
MBE 1.3 µm GaAs/Si;
patterning + mesa release & deposition
MBE growth of 1 µm GaAs
podłoże
GaAs
trawienie
podłoże
„swobodna” membrana GaAs
podłoże
PL: no strain in GaAs grown on the membrane
large strain in GaAs grown on bulk Si
Wytwarzanie cienkich podłóż (wafer bonding)
Twist-bonded interface
Θ
etch stop
GaAs thin film
Benemara et al. Mat. Sci. Eng.B 42 (1996) 164
GaAs substrate 1
GaAs substrate 2
Plane-view TEM
połączonych
płytek Si (Θ ∼ 0.6o)
• łączenie: T ∼ 550o C w H2 lub UHV
• nacisk: ∼ 200 g/2 inch wafer
• kąt obrotu Θ: 0 - 45o
• można łączyć bardzo cienkie warstwy (10 ML)
Problemy:
• pęcherze z gazem na złączu - pęknięcia warstwy
• resztkowe zanieczyszczenia na złączu
• problemy z łupaniem
• technologia bardzo trudna
gęsta sieć dyslokacji śrubowych
⇓
“miękie” połączenie
odległość dyslokacji = f(Θ)
brak threading dislocations
Uniwersalne elastyczne podłoże
(universal compliant substrate)
Ejeckam et al. APL 70 (1997) 1685
film GaAs 10 nm; Θ ∼ 17o in H2
300 nm of InGaP on GaAs by MOVPE
f = 1% ⇒ he = 30 × hcr∞ (10 nm)
Lo et al. Cornell Sci. News 1997;
Ejeckam et al. APL 71 (1997) 776
TD ∼1011 cm-2
TD < 106 cm-2
InSb on GaAs f = 14.7%
Morał:
• spektakularne wyniki laboratoryjne; sukces medialny
• ładne potwierdzenie zjawiska transferu naprężeń do podłoża
• bardzo trudna technologia wytwarzania podłóż
• brak sygnałów o zastosowaniach przemysłowych
Podsumowanie technik redukcji gęstości dyslokacji w
heterostrukturach niedopasowanych sieciowo
zwiększanie hcr
wzrost na cienkich podłożach
(compliant substrates)
filtrowanie powstałych defektów
bufory z SLS
wygrzewanie
wzrost na “małych” podłożach (mesy)
lateralny wzrost epitaksjalny
(epitaxial lateral overgrowth - ELO)
Brak uniwersalnej metody redukcji TD w heterostrukturach niedopasowanych sieciowo;
Najlepiej unikać niedopasowania sieciowego - znaleźć podłoże !!!
Lateralny wzrost epitaksjalny
epitaxial lateral overgrowth - ELO
How to grow low EPD homoepitaxial layers
on heavily dislocated substrates ?
mask: SiO2,
Si3N4, W,
graphite, ...
Homoepitaxy
adjustable lattice
parameter
ELO
„wing”
ELO
etch pits
buffer
substrate
substrate
S
W
MOVPE GaN: S = 5 – 20 µm;
W = 2 - 5 µm
LPE GaAs: S = 100 – 500 µm; W = 6 - 10 µm
Wykład 15 maja 2008