Fizyka i technologia wzrostu kryształów

Transkrypt

1 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 Warszawa, ul Sokołowska 29/37 tel: stach@unipress.waw.pl, mike@unipress.waw.pl Zbigniew Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN Warszawa, Al. Lotników 32/46 zytkie@ifpan.edu.pl Wykład 2 godz./tydzień czwartek

2 Wzrost kryształów objętościowych półprzewodników na świecie i w Polsce Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN UNIPRESS i TopGaN Wykład w Instytucie Fizyki PAN,

3 Inspiracja do wykładu Jan Czochralski- polski geniusz wzrostu kryształów i nie tylko Książka wydana przez mojego Tatę w roku mojego urodzenia

4 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

5 Warunki topnienia półprzewodników crystal Si GaAs GaP GaN Melting T, o C P at melting bar <

6 1. Po co nam kryształy półprzewodników? Struktura monokrystaliczna Struktura amorficzna polikrystaliczna

7 Kryształy półprzewodników się przydają... Np., GaN

8 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

9 Półprzewodnikowe kryształy objętościowe (prywatne oszacowania) Cena za cm2 (Euro) Produkcja na świecie (mln Euro) Procent w Polsce (mln Euro) (%) Krzem (Cemat Silicon) GaAs GaN (TopGaN, Ammono)

10 Co jest ważne w krysztale podłożowym? Wielkość Defekty Punktowe: zanieczyszczenia, wakanse, atomy międzywęzłowe, Rozciągłe: dyslokacje, wydzielenia, aglomeraty, błędy ułożenia, itp.. Powierzchnia

11 Laboratorium Wzrostu Kryształów Modelowanie teoretyczne Wzrost Obróbka powierzchni Charakteryzacja

12 Dyfrakcja rentgenowska!!! HR XRD Krzywa odbić Rocking curve

13 Topografia

14 Badanie naprężeń Pomiar 2theta/omega Parametry sieci mierzone w różnych kierunkach

15

16 Trawienie selektywne defektów, EPD Ujawnianie defektów, koncentracji nośników elektrycznych, polarności

17 Wysokorozdzielcza transmisyjna mikroskopia elektronowa (HRTEM) Wizualizacja poszczególnych defektów, składu chemicznego i naprężeń

18 Pomiary elektryczne = V I x 2πs (hms-cm) Constant current source I R Voltmeter V Koncentracja nośników Ich ruchliwość Wafer

19 Pomiary optyczne Informacja nt składu warstw, grubości, defektów

20 KRZEM

21 SiO2+2C Si +2 CO ( oC) 98% purity (MG Si) Si+3HCl SiHCl3 +H2 (BCl3, FeCl3, itp., usunięte przez destylację) SiHCl3 +H2 Si +3HCl Si polikrystaliczny 11N

22 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

23

24 Wzrost kryształu krzemu mm/h kwarcowy reaktor źródłem tlenu

25 Tlen!!!!

26 Electromagnetic Czochralski EMCz

27 Float Zone proces do krystalizacji lub/i oczyszczania materiału

28 Proces Float zone: domieszki i inne zanieczyszczenia nie wbudowują się w rekrystalizowany materiał. Można tego rodzaju oczyszczanie robić kilka razy.

29 Obróbka kryształu Figure 4.20

30 Cięcie na plasterki (wafle-wafers)

31 Trawienie chemiczne dla usunięcia zniszczeń powierzchni i zanieczyszczeń Figure 4.25

32 Wymiary wafli krzemowych Diameter (mm) Thickness (µm) Area (cm 2 ) Weight (grams/lbs) Weight/25 Wafers (lbs) ± / ± / ± / ± / Table 4.3

33 Ilość procesorów 1.5 cm x 1.5 cm 2 88 die 200-mm wafer 232 die 300-mm wafer Figure 4.13

34 Polerowanie

35 Trochę inżynierii defektowej

36 Backside Gettering oczyszczanie krzemu Polished Surface Backside Implant: Ar (50 kev, /cm 2 ) Argon amorfizuje tylnią część wafla krzemowego. Następnie wygrzewanie w 550 o C, powoduje rekrystalizację, powstanie mikropęcherzyków argonu, do których dyfundują zanieczyszczenia (głównie metale). Jednocześnie powstają wydzielenia tlenowe, obniżając ilość tlenu przy powierzchni.

37 GaAs

38 GaAs device market USD Millions year Strategies Unlimited

39 GaAs substrate market USD Millions year

40

41 Horizontal Bridgeman

42

43 Dyslokacje w GaAs LEC VCz VGF Un VGF Si(q) VGF Si(pBN) /cm /cm2 1000/cm2 100/cm2 20/cm2

44 GaN

45 Oświetlenie

46 Rynek azotkowych diod UHB ultra high brightness Sales / $ billion 1.2 > 20% p.a forecast '01 '02 '06e

47 Inne zastosowania GaN Diody laserowe Sensory Detektory UV Tranzystory wysokiej mocy, wysokiej częstości

48 Dyslokacje: Rozpraszają światło Rozpraszają nośniki elektryczne Zwiększają dyfuzję Rekombinują nieradiacyjnie Niska moc Gorsza efektywność Krótszy czas życia

49 Kryształy GaN wzrastane w wysokim ciśnieniu (HP) atm., 1500 o C Objętość: 4.5 liters Czas wzrostu: h Technologia opatentowana

50 Jak rosną kryształy GaN?

51 Własności kryształów gan Bardzo mała gęstość dyslokacji Przygotowanie powierzchni Polerowanie Trawienie mokre Trawienie jonowe cm -2 RMS=1 nm Grubość µm

52 Wysokoćiśnieniowy wzrost PENDEO (zawieszony) Gęstość dyslokacji: 10 8 cm cm -2

53 HVPE w CBW PAN HCl(g) + Ga(l) GaCl(g) + 1/2H 2 GaCl(g)+NH 3 (g) = GaN(s)+HCl(g)+H 2 Gal Susceptor obrotowy Linia HCl Linia NH 3 Bolek Łucznik & P. Hageman, grudzień 2002

54 Warunki procesu HVPE Układ podstawowy GaCl Gal 1. Geometria układu 2. Podłoże 3. Przepływy i stężenia HCl i NH 3 4. Temperatura wzrostu 5. Gaz nośny 6. Temperatura syntezy GaCl susceptor NH 3 Układ zmodyfikowany

55 HVPE Szybkość wzrostu do 500 µm/h Na szafirze 1 inch,, grubość2-4 4 mm Na HP GaN Gęstość dyslokacji 10 5 cm -2 Gęstość dyslokacji 10 6 cm -2

56 Wysokociśnieniowe HP kryształy GaN Z każdego kryształu niebieskichj laserów Gęstość dyslokacji 0-10 na laser wielkość: do 0.5 cala Do zastosowań w laserach dużej mocy

57 2-calowe kryształy wzrastane metodą HVPE Gęstość dyslokacji na laser Wielkość do 2 cali Jakośc zbliżona do trzech innych producentów na świecie Do produkcji masowej laserów małej mocy

58 Łączona metoda HP i HVPE + Gęstośc dyslokacji: na laser Size: : do 2 cali Unikalny produkt Do laserów średniej mocy

59 Processing Struktura laserowa Łupanie Pojedyńczy chip

60 Motto na dalsze wykłady: Kryształy są jak kobiety. Defekty czynią je pięknymi.