Wzrost kryształów objętościowych oraz epitaksja

Wzrost kryształów objętościowych i warstw
epitaksjalnych- informacje wstępne
Michał Leszczyński
Instytut Wysokich Ciśnień PAN UNIPRESS
i TopGaN
Plan wykładu
• Laboratoria wzrostu kryształów w
Warszawie
• Po co nam kryształy półprzewodników?
• Podłoża, np., Si
• Epitaksja MBE
• Epitaksja MOVPE
• Charakteryzacja kryształów
Firmy w Warszawie
• CEMAT-SILICON- spin-off z Instytutu
Technologii Materiałów Elektronicznych,
kryształy krzemu
• Ammono – absolwenci UW+Nichia,
kryształy podłożowe GaN
• TopGaN- spin-off z Instytutu Wysokich
Ciśnień PAN, kryształy podłożowe GaN,
epitaksja (AlGaIn)N, diody laserowe
• Vigo- spin-off z Wojskowej Akademii
Technicznej, epitaksja HgCdTe, detektory
podczerwieni
• EpiLab- spin-off z Instytutu Technologii
Materiałów Elektronicznych, epitaksja IIIV, SiC, grafen
Nagroda dla Ammono za podłoża
GaN- CSEurope 2012
Laboratoria w Warszawie
• Instytut Technologii Materiałów
Elektronicznych –GaN, GaAs, InP, SiC,
kryształy tlenkowe, i in., kryształy
objętościowe i epitaksja
• Instytut Wysokich Ciśnień PAN- GaN,
kryształy objętościowe i epitaksja
• Instytut Fizyki PAN- kryształy tlenkowe,
II-VI, GaN, i in., kryształy objętościowe i
epitaksja
• Wydział Fizyki UW- epitaksja III-V i GaN
• Wydział Fizyki PW- epitaksja III-V
• Instytut Technologii Elektronowej –
epitaksja III-V
W 2012 w Warszawie:
• Działa około 100 reaktorów do wzrostu
kryształów objętościowych
• Około 25 reaktorów epitaksjalnych
• Zatrudnionych bezpośrednio przy wzroście
kryształów jest ok. 400 osób + 400 przy
charakteryzacji
• 4 wspomniane firmy przynoszą dochód ok.
30 mln Eur rocznie
•
• 2020- co najmniej 2 razy więcej
Nowe laboratoria w Warszawie
• Centrum Zaawansowanych
Materiałów, Politechnika,
IWC PAN, IF PAN
CEZAMAT
• Centrum Nowych
Technologii UW
CENT
Kryształy półprzewodników się przydają...
Np., GaN
Ciało stałe może mieć strukturę:
Monokrystaliczną
amorficzną
polikrystaliczną
Materiał monokrystaliczny:
• Ma większą ruchliwość nośników elektrycznych
• Mniej rozprasza światło w porównaniu z
polikryształem
• Ma mniej zlokalizowanych stanów w przerwie
energetycznej w porównaniu z materiałem
amorficznym
• Łatwiej uzyskać gładkie interfejsy w strukturach
warstwowych
Co jest ważne w krysztale
podłożowym?
• Wielkość
• Defekty
Punktowe: zanieczyszczenia, wakanse, atomy
międzywęzłowe,
Rozciągłe: dyslokacje, wydzielenia,
aglomeraty, błędy ułożenia, itp..
• Powierzchnia
Wzrost podłoża, na przykład,
objętościowego kryształu
krzemu
SiO2+2C→Si +2 CO (1500-2000oC)
98% purity
Si+3HCl→SiHCl3 +H2 (BCl3, FeCl3,
itp., usunięte przez destylację)
SiHCl3 +H2→Si +3HCl
Si polikrystaliczny 11N
• Metoda
Czochralskiego
• Polikrystaliczny
krzem jest topiony i
trzymany trochę
poniżej 1417 °C, a z
zarodka
monokrystalicznego
wyrasta kryształ.
• Szybkość wyciągania
zarodka, rozkład
temperatur, szybkość
rotacji- do
optymalizacji
Wzrost kryształu
krzemu
10-50 mm/h
kwarcowy reaktor
źródłem tlenu
Obróbka kryształu
Figure 4.20
Cięcie na plasterki (wafle-wafers)
Trawienie chemiczne dla usunięcia zniszczeń
powierzchni i zanieczyszczeń
Figure 4.25
Ilość procesorów 1.5 cm x 1.5 cm2
88 die
200-mm wafer
232 die
300-mm wafer
Figure 4.13
Polerowanie
Wzrost epitaksjalny, na przykład
warstw AlGaInN
DEFINICJA
Epitaksja- nakładanie warstw
monokrystalicznych na podłoże
monokrystaliczne wymuszające
strukturę krystaliczną warstwy.
Diody elektroluminescencyjne LED
+
GaN:Mg 100nm
Al0.20GaN:Mg 60nm
4QW
QW – InXGa1-XN/QB –
InYGa1-YN:Si
In0.02GaN:Si 50nm
Al0.16GaN:Si 40nm
GaN:Si 500nm
Diody laserowe
HEMT, także sensory gazów i cieczy
source
gate
Schottky
diode
metal (e.g. aluminum)
ohmic
ohmic
n-AlGaAs
tb
δ
i-AlGaAs
i-GaAs
Insulating substrate
2DEG
drain
Detektory światła
Ogniwa słoneczne
Metody wzrostu warstw
epitaksjalnych
• Molecular Beam Epitaxy (MBE)
• Metalorganic Vapour Phase Epitaxy (MOVPE), czasami
zwane MOCVD
Zasada działania MBE
MBE
Appropriate other meanings of MBE
Mostly Broken Equipment
Massive Beer Expenditures
Maniac Bloodsucking Engineers
Mega-Buck Evaporator
Many Boring Evenings (how do you think this list came about?)
Minimal Babe Encounters (see previous item)
Mainly B.S. and Exaggeration
Medieval Brain Extractor
Money Buys Everything
Make Believe Experiments
Management Bullshits Everyone
Malcontents, Boobs, and Engineers
Music, Beer, and Excedrin
RHEED- kontrola wzrostu warstw MBE
RHEED- reflection high energy electron
diffraction
Gładkość
Parametry
sieci
Rekonstrukcja
powierzchni
Szybkość
wzrostu
Mod wzrostu poprzez płynięcie stopni
(step-flow)
Brak oscylacji RHEED
AFM
TEM struktury laserowej wzrastanej metodą MBE
10 nm
MOVPE-metalorganic chemical vapour
phase epitaxy
A(CH3)3+NH3->AN+3CH4
A= Ga, In, Al
MOVPE
Reflektometria laserowa In-situ
Przepływ górny (gaz nośny)
podłoże
Wlot grupy V
NH3
SiH4
gaz nośny
grzanie indukcyjne
Wlot grupy III
TMGa
TMAl
TMIn
Cp2Mg
Gaz nośny
grafitowa podstawa
pokryta SiC
MOVPE
Układ
gazowy
Reaktor
Wielowaflowe (multiwafer) reaktory MOVPE
Reflektometria laserowa (monitorowanie
wzrostu struktury niebieskiej diody
laserowej)
Problem niedopasowania
sieciowego
• Homoepitaksja
• Heteroepitaksja
• Przypadek warstw naprężonych
• Przypadek warstw zrelaksowanych
III. Relaksacja sieci
Naprężone- fully strained
Zrelaksowane- relaxed
Wartości krytyczne do relaksacji
10000
critical thickness (nm)
dislocations
1000
100
cracking
10
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
mismatch (%)
Wartości
niedopasowania
i grubości
warstw
występujących
w laserze
niebieskim
Wartości krytyczne zależą nie tylko od
grubości i niedopasowania warstwy
epitaksjalnej, ale także od:
• Dezorientacji (miscut) podłoża
• Domieszkowania
• Obecności defektów w podłożu
• Warunków wzrostu (temperatura, przepływy reagentów,
ciśnienie)
• Grubości podłoża
Pękanie 1 µm AlGaN, Al=8%
On 60 µm GaN
On 120 µm GaN substrates
Wygięcie struktury laserowej w
zależności od grubości podłoża
R
AlGaN
1000
cladding
R(cm)
HP GaN
Akceptowalne
Za małe
100
120 µ m
90 µ m
60 µ m
10
0
5
10
15
Al content (%)
20
Metody charakteryzacji
kryształów
• Trawienie selektywne (EPD)
• Dyfrakcja rentgenowska (XRD)
• Mikroskopia sił atomowych (AFM)
• Mikroskopia elektronowa
• Pomiary własności elektrycznych i optycznych
• I wiele innych
Trawienie selektywne defektów, EPD
Ujawnianie defektów,
koncentracji nośników
elektrycznych, polarności
EPD w strukturze epitaksjalnej
niebieskiego lasera
105 cm-2
50 µm
Około 5 dyslokacji na pasek, w tym 0-1
przecinających warstwę aktywną
20 µm LD
pasek
EPD- informacja gdzie się
dyslokacja zaczyna
Pod warstwą aktywną
EPD- informacja gdzie się
dyslokacja zaczyna
Nad warstwą aktywną
Dyfrakcja rentgenowska
Krzywa odbić
Rocking curve
GaAs typu ELOG na Si
I (zliczenia/sek.)
(4% niedopasowania sieciowego)
10000
1000
100
A
B
10
-2000 -1500 -1000 -500
500
1000 1500 2000
ω - ω max (sek.)
płaszczyzna
dyfrakcji
oś obrotu
kąta ω
0
A
• Krzywa
odbić refl.
004
niezrośnięt
ych pasków
GaAs typu
ELOG dla
dwóch
geometrii
pomiaru
płaszczyzna
dyfrakcji
B
oś obrotu
kąta ω
Czasem wielostudnie są bliskie ideału…
1000000
1000000
100000
intensity (cps)
100000
intensity (cps)
10000
10000
experimental
1000
100
1000
experimental
simulation
10
34.2
100
34.3
34.4
34.5
34.6
34.7
2 theta (deg)
10
1
simulation
0.1
31
32
33
34
35
Angle
2 theta (deg)
(deg)
36
37
Nie ma segregacji indu. d(well)=3.2 nm, d(barrier)=7.1
nm, xaverage= 3.2%
34.8
Czasem nie są…
Krzywa odbić dla GaN/InGaN MQW z
rozsegregowanym indem
1000000
100000
experiment
simulation
intensity [a. u.]
10000
1000
100
10
1
0,1
0,01
-20000
-15000
-10000
-5000
0
2theta [rel.
Angle
(arcsec.]
sec)
5000
10000
15000
Topografia
Wysokorozdzielcza transmisyjna
mikroskopia elektronowa (HRTEM)
Wizualizacja
poszczególnych defektów,
składu chemicznego i
naprężeń
Mikroskopia skanningowa (SEM) : Warstwa
AlGaN z za dużą koncentracją Al i Mg
Mikroskopia sił atomowych AFM
Uwagi końcowe:
* Wspaniałe perspektywy przed wzrostem kryształów w
Warszawie
* Niezwykle trudne zagadnienie poznawcze- bardzo duża
ilość parametrów współzależnych do optymalizacji
* Szczęście we wzroście kryształów sprzyja mądrzejszym
* Potrzebna wiedza nie tylko z zakresu termodynamiki,
chemii, ale i charakteryzacji kryształów i działania
przyrządów elektronicznych
Motto na dalsze wykłady:
Kryształy są jak kobiety. Defekty
czynią je pięknymi.