diament. krzem, german

Fizyka i technologia wzrostu kryształów
Wykład .1 Wzrost kryształów objętościowych
półprzewodników na świecie i w Polsce
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]
Zbigniew Żytkiewicz
Instytut Fizyki PAN
02-668 Warszawa, Al. Lotników 32/46
E-mail: [email protected]
Wykład – 2 godz./tydzień – czwartek 11.00 – 13.00
http://www.ptwk.org.pl
Wzrost kryształów objętościowych
półprzewodników na świecie i w Polsce
Michał Leszczyński
Instytut Wysokich Ciśnień PAN UNIPRESS
i TopGaN
Wykład w Instytucie Fizyki PAN, 6 10 2005
Inspiracja do wykładu
Jan Czochralski- polski
geniusz wzrostu kryształów i
nie tylko
Książka wydana przez mojego
Tatę w roku mojego urodzenia
Plan wykładu
• Po co nam kryształy półprzewodników?
• Laboratorium wzrostu kryształów/ warstw
epitaksjalnych
• Krzem- wzrost ze stopu
• Arsenek galu- wzrost ze stopu
• Azotek galu- wzrost z roztworu lub fazy
gazowej
Warunki topnienia
półprzewodników
crystal
Melting T,oC
P at melting
bar
Si
1400
<1
GaAs
1250
1.5
GaP
1465
3.0
GaN
2225
60 000
1. Po co nam kryształy półprzewodników?
Struktura monokrystaliczna
Struktura amorficzna
polikrystaliczna
Kryształy półprzewodników się przydają...
Np., GaN
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
Półprzewodnikowe kryształy objętościowe
(prywatne oszacowania)
Cena za cm2 Produkcja na Procent w
świecie (mln Polsce (mln
(Euro)
Euro)
Euro) (%)
Krzem
0.2
10-15 000
GaAs
5
1 000
GaN
500-1000
5-50
0.1 (Cemat
Silicon)
0.1-1
(TopGaN,
Ammono)
Co jest ważne w krysztale
podłożowym?
• Wielkość
• Defekty
Punktowe: zanieczyszczenia, wakanse, atomy
międzywęzłowe,
Rozciągłe: dyslokacje, wydzielenia,
aglomeraty, błędy ułożenia, itp..
• Powierzchnia
Laboratorium Wzrostu Kryształów
Modelowanie
teoretyczne
Wzrost
Obróbka
powierzchni
Charakteryzacja
Dyfrakcja rentgenowska!!! HR XRD
Krzywa odbić
Rocking curve
Topografia
Badanie naprężeń
Pomiar 2theta/omega
Parametry sieci
mierzone w różnych
kierunkach
Trawienie selektywne defektów, EPD
Ujawnianie defektów,
koncentracji nośników
elektrycznych, polarności
Wysokorozdzielcza transmisyjna
mikroskopia elektronowa (HRTEM)
Wizualizacja
poszczególnych defektów,
składu chemicznego i
naprężeń
Pomiary elektryczne
=
V
x 2πs
I
Constant current source
R
I
Voltmeter
(hms-cm)
V
Koncentracja
nośników
Ich ruchliwość
Wafer
Pomiary optyczne
Informacja nt składu warstw, grubości, defektów…
KRZEM
SiO2+2C→Si +2 CO (1500-2000oC)
98% purity (MG Si)
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
Tlen!!!!
Electromagnetic Czochralski EMCz
“Float Zone” –proces do krystalizacji
lub/i oczyszczania materiału
Proces Float zone: domieszki i inne zanieczyszczenia
nie wbudowują się w rekrystalizowany materiał.
Można tego rodzaju oczyszczanie robić kilka razy.
Obróbka kryształu
Figure 4.20
Cięcie na plasterki (wafle-wafers)
Trawienie chemiczne dla usunięcia zniszczeń
powierzchni i zanieczyszczeń
Figure 4.25
Wymiary wafli krzemowych
Diameter
(mm)
Thickness
(µm)
Area
(cm2)
Weight
(grams/lbs)
Weight/25
Wafers (lbs)
150
200
300
400
675 ± 20
176.71
28 / 0.06
725 ± 20
314.16
53.08 / 0.12
775 ± 20
706.86
127.64 / 0.28
825 ± 20
1256.64
241.56 / 0.53
1.5
3
7
13
Table 4.3
Ilość procesorów 1.5 cm x 1.5 cm2
88 die
200-mm wafer
232 die
300-mm wafer
Figure 4.13
Polerowanie
Trochę inżynierii defektowej
“Backside Gettering” –oczyszczanie krzemu
Polished Surface
Backside Implant: Ar (50 keV, 1015/cm2)
Argon amorfizuje tylnią część wafla krzemowego.
Następnie wygrzewanie w 550oC, powoduje
rekrystalizację, powstanie mikropęcherzyków argonu,
do których dyfundują zanieczyszczenia (głównie
metale). Jednocześnie powstają wydzielenia tlenowe,
obniżając ilość tlenu przy powierzchni.
GaAs
GaAs device market
4000
3500
USD Millions
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
year
Strategies Unlimited
GaAs substrate market
900
800
700
USD Millions
600
500
400
300
200
100
0
1999
2000
2001
2002
year
2003
2004
2005
Horizontal Bridgeman
Dyslokacje w GaAs
LEC
100000/cm2
VCz
10000/cm2
VGF Un
1000/cm2
VGF Si(q)
100/cm2
VGF Si(pBN)
20/cm2
GaN
Oświetlenie
Sales / $ billion
Rynek azotkowych diod UHB –
ultra high brightness
> 20% p.a.
4.0
3.0
1.8
1.2
'01
'02
'06e
2002 forecast
Inne zastosowania GaN
•
•
•
•
Diody laserowe
Sensory
Detektory UV
Tranzystory wysokiej mocy, wysokiej
częstości
Dyslokacje:
Rozpraszają
światło
Rozpraszają
nośniki
elektryczne
Zwiększają
dyfuzję
Rekombinują
nieradiacyjnie
Niska moc
Gorsza
efektywność
Krótszy czas
życia
Kryształy GaN wzrastane
w wysokim ciśnieniu (HP)
10 000 atm., 1500 oC
Objętość: 4.5 liters
Czas wzrostu: 100-200 h
Technologia opatentowana
Jak rosną kryształy GaN?
Własności kryształów gaNPrzygotowanie
Bardzo mała
gęstość dyslokacji
powierzchni
Polerowanie
Trawienie mokre
Trawienie jonowe
10 – 100 cm-2
Grubość 50-120 µm
RMS=1 nm
Wysokoćiśnieniowy wzrost PENDEO
(zawieszony)
Gęstość
dyslokacji:
108 cm-2
106 cm-2
HVPE w CBW PAN
HCl(g) + Ga(l) GaCl(g) + 1/2H2
GaCl(g)+NH3(g) = GaN(s)+HCl(g)+H2
Gal
Linia HCl Linia NH3
Susceptor obrotowy
Bolek Łucznik & P. Hageman, grudzień 2002
Warunki procesu HVPE
Układ podstawowy
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Geometria układu
Podłoże
Przepływy i stężenia HCl i NH3
Temperatura wzrostu
Gaz nośny
Temperatura syntezy GaCl
susceptor
Układ zmodyfikowany
GaCl
NH3
Gal
HVPE
Szybkość wzrostu do
500 µm/h
Na HP GaN
Na szafirze 1 inch, grubość2-4 mm
Gęstość dyslokacji 106 cm-2
Gęstość dyslokacji
105 cm-2
Wysokociśnieniowe HP
kryształy GaN
Gęstość
dyslokacji 0-1
na laser
Z każdego kryształu 200-300
niebieskichj laserów
wielkość: do 0.5
cala
Do zastosowań w laserach dużej mocy
2-calowe kryształy wzrastane metodą
HVPE
Gęstość dyslokacji 10100 na laser
Wielkość do 2 cali
Jakośc zbliżona do trzech
innych producentów na
świecie
Do produkcji masowej
laserów małej mocy
Łączona metoda HP i HVPE
Gęstośc dyslokacji: 1-10
na laser
+
Size: do 2 cali
Unikalny produkt
Do laserów średniej mocy
Processing
Struktura laserowa
Łupanie
Pojedyńczy chip
Motto na dalsze wykłady:
Kryształy są jak kobiety. Defekty
czynią je pięknymi.