Wykład III
Transkrypt
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 oscylacjajedna 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