Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów

Transkrypt

1 Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów 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 wtorek Interdyscyplinarne Centrum Modelowania UW Budynek Wydziału Geologii UW sala

2 Wzrost kryształów objętościowych półprzewodników na świecie i w Polsce Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN UNIPRESS i TopGaN Wykład 5 października 2010

3 Instrukcja postępowania dla crystalgrowera: Znaleźć odpowiedzi na pytania: Jaki kryształ warto hodować i dlaczego? Jak go wyhodować? Jak go scharakteryzować? Komu można go sprzedać?

4 Czego powinien nauczyć się crystal-grower? 1. Termodynamiki 2. Fizyki powierzchni 3. KUCHNI!!!!! 4. Fizyki defektów 5. Metod charakteryzacji

5 Przykładowe pytania do zadawania wykładowcom Jak zmienia się entalpia przy syntezie Ga+As= GaAs? Jak zmienia się prędkość wzrostu kryształu w zależności od dezorientacji zarodka (podłoża)? Dlaczego kryształ krzemu można wyhodować o średnicy prawie 400 mm, a innych kryształów nie? Dlaczego jedne atomy zanieczyszczeń się wbudowują w kryształ, a drugie wręcz przeciwnie? Jak można zmierzyć ilość wakansów w krysztale? I setki innych!!!! ZADAWAJCIE JE KONIECZNIE!!!!

6 Plan wykładu Po co nam kryształy półprzewodników? Wzrost kryształów z roztopu (Si, GaAs) Wzrost kryształów z roztworu (GaN) Wzrost kryształów z fazy gazowej (GaN) Defekty w kryształach (charakteryzacja)

7 Dokąd zmierza świat? Szybkość przetwarzania informacji Szybkość przesyłania informacji Detekcja materiałów biologicznych i chemicznych- diagnozy medyczne, środowiska, i in. Nowe terapie medyczne Produkcja i oszczędzanie energii Przykłady związane z GaN na następnych slajdach:

8 Ultragęsty zapis informacji HD DVD (kilkadziesiąt t Gigabajtów)

9 Ultragęsty zapis informacji: holografia (Terabajty)

10 Spintronika- informacja przenoszona za pomocą spinu x Mn = 0.05, p = 3.5x10 20 cm -3 T.Dietl. et al., Science 00, PRB 01

11 Przyrządy na przejściach międzypasmowych (intrasubband) E 2 E 1 H 1 Intersubband transition is fast <1 ps Interband recombination is slow ~1 ns Laser kaskadowy

12 Sensory materiałów biologicznych (i nie tylko)

13 Oświetlenie za pomocą diod LED

14 Oświetlenie diodowe

15 Ogniwa słoneczne

16 1. Co to znaczy kryształ? Struktura monokrystaliczna Struktura amorficzna polikrystaliczna

17 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 Ma możliwość regulacji przerwy energetycznej przy zmienianym składzie. Łatwiej uzyskać gładkie interfejsy w strukturach warstwowych Niemal wszystkie półprzewodnikowe przyrządy elektroniczne i optoelektroniczne są wykonywane na materiałach krystalicznych.

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

19 ZnO

20 Związki II-VI: ZnO, (ZnCdHgMg)(SSeTe) Bardzo pożądane, bo: - Przerwa energetyczna zmienna w dużym zakresie, - Łatwość domieszkowania Mn, Fe- spintronika Ale: - Dużo defektów strukturalnych (punktowych i rozciągłych) generowanych podczas wzrostu i pracy przyrządów

21 Laboratorium Wzrostu Kryształów Modelowanie teoretyczne Wzrost Obróbka powierzchni Charakteryzacja

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

23 KRZEM

24 SiO 2 +2C Si +2 CO ( o C) 98% purity (MG Si) Si+3HCl SiHCl 3 +H 2 (BCl 3, FeCl 3, itp., usunięte przez destylację) SiHCl 3 +H2 Si +3HCl Si polikrystaliczny 11N

25 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

26

27 Wzrost kryształu krzemu mm/h kwarcowy reaktor źródłem tlenu

28 Tlen!!!!

29 Electromagnetic Czochralski EMCz

30 Float Zone proces do krystalizacji lub/i oczyszczania materiału

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

32 Obróbka kryształu Figure 4.20

33 Cięcie na plasterki (wafle-wafers)

34 Trawienie chemiczne dla usunięcia zniszczeń powierzchni i zanieczyszczeń Figure 4.25

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

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

37 Polerowanie

38 Trochę inżynierii defektowej

39 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.

40 GaAs

41 GaAs device market USD Millions year Strategies Unlimited

42 GaAs substrate market USD Millions year

43

44 Horizontal Bridgeman

45

46 Dyslokacje w GaAs LEC VCz VGF Un VGF Si(q) VGF Si(pBN) /cm /cm /cm 2 100/cm 2 20/cm 2

47 GaN

48 Zastosowania GaN

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

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

51 Dyslokacje: Rozpraszają światło Rozpraszają nośniki niki elektryczne Zwiększaj kszają dyfuzję Rekombinują nieradiacyjnie Niska moc Gorsza efektywność Krótszy czas życia

52 Kryształy GaN wzrastane w wysokim ciśnieniu (HP) p= atm., T= 1500 o C Objętość: 4.5 litra Czas wzrostu: godz. Technologia opatentowana

53 Jak rosną kryształy GaN?

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

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

56 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

57 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

58 HVPE Szybkość wzrostu do 500 µm/h Na szafirze 1 inch,, grubość ść2-4 4 mm Na HP GaN Gęstość dyslokacji 10 5 cm -2 Gęstość dyslokacji 10 6 cm -2

59 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

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

61 Łączona metoda HP i HVPE Gęstośc dyslokacji: 1-10 na laser + Size: do 2 cali Unikalny produkt Do laserów średniej mocy

62 Jak sobie radzą inni? ELOG: 5-75 µm stripes Sumitomo: : 300 µm m (???) Dislocation density 10 6 cm -2

63 Motto dla każdego crystal-growera: Kryształy są jak kobiety. Defekty czynią je pięknymi.

64 Defekty sieci krystalicznej Rozciągłe (extended defects) punktowe (point defects)

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

66 Topografia

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

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

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

70 Pomiary optyczne Informacja nt składu warstw, grubości, defektów

71 Życzenia: Na wzroście kryształów można się nieźle wzbogacić. W Polsce już trzecie pokolenie zmarnowało swoje szanse (mimo, że kilka firm High- Tech ostatnio powstało) Niech czwarte nie naśladuje poprzedników!!!