Epitaksja - zagadnienia podstawowe

Transkrypt

1 Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów Epitaksja - zagadnienia podstawowe 13 marzec 2008 Zbigniew R. Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN Warszawa, Al. Lotników 32/46 tel: ext zytkie@ifpan.edu.pl Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN Warszawa, ul Sokołowska 29/37 tel: stach@unipress.waw.pl, mike@unipress.waw.pl Wykład 2 godz./tydzień czwartek Interdyscyplinarne Centrum Modelowania UW Budynek Wydziału Geologii UW sala

2 Epitaksja - zagadnienia podstawowe Plan wykładu definicje metody wzrostu epitaksjalnego niedopasowanie sieciowe naprężenia termiczne domeny antyfazowe (wzrost polar on non-polar) o niektórych metodach redukcji gęstości defektów w niedopasowanych sieciowo warstwach epitaksjalnych

3 Epitaksja - zagadnienia podstawowe kryształy objętościowe wzrost z roztopu wzrost z roztworu wzrost z fazy pary ogniwo słoneczne struktury epitaksjalne source ohmic HEMT gate metal (e.g. aluminum) Schottky diode n-algaas t b i-algaas δ i-gaas 2DEG Insulating substrate ohmic drain ~kilka µm dioda laserowa ~300 µm

4 Definicje Epitaksja = nakładanie warstw monokrystalicznych na monokrystaliczne podłoże wymuszające strukturę krystaliczną warstwy epi = na taxis = uporządkowanie MnTe(hex)/szafir MnTe(cub)/GaAs GaN(hex)/szafir GaN(cub?)/GaAs zarodki nowej warstwy podłoże Homoepitaksja = warstwa i podłoże takie same Heteroepitaksja = podłoże i warstwa różnią się strukturą chemiczną

5 Techniki wzrostu epitaksjalnego Epitaksja z fazy gazowej (MBE, VPE, MOVPE, HVPE,...) V gr µm/h kolejne wykłady: Z.R. Żytkiewicz i T. Słupiński H 2 NH 3 GaCl 3 λ swobodna 1 p metody nierównowagowe analiza in situ wzrostu Epitaksja z fazy ciekłej (LPE, LPEE,...) V gr µm/min następny wykład: Z.R. Żytkiewicz

6 Przykłady: wygrzewanie po implantacji Epitaksja z fazy stałej (solid phase epitaxy) mechanizm transportu masy - dyfuzja w fazie stałej niskotemperaturowy bufor AlN (GaN) (wzrost 2-etapowy) wzrost GaN bez bufora T 1000 o C atomy na powierzchni mobilne nukleacja AlN T 600 o C

7 Niedopasowanie sieciowe zaleta związków wieloskładnikowych: a = f(skład) ograniczona ilość dostępnych kryształów podłożowych!!! najczęściej epitaksja warstw niedopasowanych sieciowo z podłożem

8 Niedopasowanie sieciowe Założenia: h s = h e < h cr a > relax e a s przed epitaksją warstwa a e relax h e po epitaksji warstwa naprężona a = a < a II e s relax e ściskanie w warstwie h s = a > relax e a e tetragonalna dystorsja sieci podłoże a s niedopasowanie sieci ( lattice misfit) f = ( a a ) / a e s s energia naprężeń elastycznych w warstwie E el f 2 h e

9 Jak obniżyć energię naprężeń? interdyfuzja deformacja powierzchni - proces bardzo powolny - mało istotny dla grubych warstw - ważny w nanostrukturach - relaksacja sieci blisko powierzchni - ważne w nanostrukturach (QDs) - mało istotny dla grubych warstw

10 Generacja dyslokacji niedopasowania (misfit dislocations - MD) warstwa z dyslokacjami h e > h cr a II e a e a relax e a GaSb > a GaAs GaSb 8 Przykład: GaSb na GaAs MDs GaAs 9 Qian et al. J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 1430

11 Czy lubimy dyslokacje niedopasowania? Threading dislocations Dyslokacje nie mogą się kończyć w krysztale dyslokacje TD przyspieszają rekombinację niepromienistą nośników Lester et al. APL 66 (1995) 1249 GaN dyslokacja krawędziowa A-D; A-B i C-D leżą na powierzchni przyrząd TD podłoże MD TD epi MD = dyslokacja niedopasowania (misfit dislocation) TD = dyslokacja przechodząca (threading dislocation) katastrofalna degradacja przyrządów

12 Czy lubimy dyslokacje niedopasowania? Threading dislocations Czas życia niebieskich diod laserowych GaN/InGaN w funkcji gęstości dyslokacji (wg Sony) czas życia lifetime lasera (h) [godz] x10 6 3x10 6 4x10 6 5x10 6 6x10 6 7x10 6 gęstośćepd dyslokacji (cm-2) [cm -2 ]

13 Cross-hatch pattern 10 nm Si (strained) µm SiGe (relaxed) Si substrate MDs gęstość linii gęstość dyslokacji L = 1 N Disl N Disl = 10 6 cm -2 L = 10 µm średnia odległość dyslokacji

14 Naprężenia termiczne a GaAs > a Si naprężeniaściskające w warstwie GaAs wzrastanej na Si (???) GaAs Lattice parameter (A) 5,70 5,65 ε th RT GaAs on Si T F ε free-standing GaAs GT th = ( αgaas αsi ) ( TGT TRT ) naprężenia rozciągające w GaAs na Si GaN/szafir 16,06 16,04 TF Leszczynski et al. JAP 94 a bulk GaN - a bulk sapphire podłoże Si o TF = 450 ± 90 C GaAs / Si o T 250 ± 100 C InP Si F = / Yamamoto & Yamaguchi 88 residual thermal strain 5,45 Si a/a (%) 16,02 16,00 15,98 a GaN/sapphire - a sapphire Temperature ( o C) 15,96 15, temperature ( o C)

15 Naprężenia termiczne cd. GaAs AlAs AlAs 0.99 P Laser DH GaAlAs/GaAs Rozgonyi, Petroff, Panish JCG 27 (1974) 106. AlGaAs/GaAs - idealny układ laserowy - dopasowanie sieci (?) 2 MPa R 8m bez fosforu z fosforem GaAs on Si - pękanie warstw GaAs grubszych niż 10 µm 10 9 dyn/cm 2 = 100 MPa

16 Wykorzystanie naprężeń: przykład a Si < a Ge a InGaAs > a AlAs relaxed Si tensile Si relaxed Ge relaxed InGaAs compressive InGaAs relaxed AlAs Si substrate GaAs substrate po wytrawieniu

17 Granice antyfazowe (polar on nonpolar) (antiphase domain boundaries - APB) polar (GaAs) polar (GaAs) As Ga dominujące przy wzroście niestechiometrycznym (np. MBE) APB polar (GaAs) nonpolar (Si)

18 wygięcie dyslokacji podłożowych Mechanizmy generacji dyslokacji niedopasowania generacja półpętli dyslokacyjnych h e h cr heterogeneous nucleation homogeneous nucleation TD TD TD TD MD MD MD h e > h cr NTD 2 l av l av - length of MD segment Ge 0.25 Si 0.75 /Si l av 10 µm; in lattice-mismatched structures EPD cm -2

19 Grubość krytyczna Matthews & Blakeslee JCG 27 (1974) 118 F T h e h cr F σ misfit stress force dislocation line tension F σ F T b h e f 2 h b ln e + 1 b F > F T σ growth of MD segment h cr (nm) 10 lattice mismatch (%) Bean et al. 550 o C Kasper et al. 750 o C Matthews-Blakeslee Dodson-Tsao 550 o C Dodson-Tsao 750 o C 100 F = F T σ h = h e cr equilibrium model (onset of MD generation) Dodson & Tsao APL 51 (1987) 1325; 52 (1988) 852 velocity of MD excess stress (actual stress - EQ) strain = f (h e, T, t,...) dynamical model Ge x Si 1-x x

20 Warstwy buforowe bufor GaN GaAs Si Al O 2 3 bufor = zrelaksowana warstwa epitaksjalna o żądanej wartości parametru sieciowego osadzona na dostępnym podłożu podłoże nowe podłoże dla dalszej epitaksji Qian et al. J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 1430 Tachikawa & Yamaguchi APL 56 (1990) MBE GaSb/GaAs 10 plane TEM etching dislocation density (cm ) -2 dislocation density (cm ) VPE GaAs/Si 200 distance from GaAs/Si interface (µm) layer thickness (µm)

21 Redukcja gęstości dyslokacji w buforach Tachikawa & Yamaguchi APL 56 (1990) 484 L dislocation density (cm -2 ) VPE GaAs/Si plane TEM etching MD TD distance from GaAs/Si interface (µm) dlaczego ta zależność się nasyca? L = 1 N TD N TD = cm -2 L = 100 nm wysoka wydajność reakcji pomiędzy dyslokacjami N TD = 10 6 cm -2 L = 10 µm niska wydajność reakcji pomiędzy dyslokacjami Jak przyspieszyć spadek EPD z grubością?

22 Wygrzewanie naprężenia termiczne siła napędowa ruchu dyslokacji TD Yamamoto & Yamaguchi MRS 116 (1988) 285 Yamaguchi et al. APL 53 (1988) 2293 etch pit density (cm -2 ) MOVPE GaAs/Si T a = 800 o C as grown ex-situ annealed in-situ annealed (10 times) wygrzewanie w czasie wzrostu (in-situ): wzrost 1 µm GaAs wygrzewanie (T gr RT T a ) N wzrost 2 µm T gr etch pit density (cm -2 ) MOVPE GaAs/Si 10 8 T a = 700 o C 10 7 T a = 800 o C T a = 900 o C thickness (µm) cycle number N

23 Filtrowanie TD poprzez naprężone supersieci SLS niedopasowanie sieciowe siła napędowa wygięcia i ruchu dyslokacji TD SL MBE GaSb/GaAs TD bufor TD Qian et al. J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 1430 dislocation density (cm -2 ) x x (GaSb/AlSb) SLS 1 10 layer thickness (µm) filtr SLS wydajny dla wysokich gęstości TD wymagany ostrożny wzrost (brak nowych defektów) czasami stosowane wygrzewanie + filtr SLS gęstości TD < cm -2 nieosiągalne w planarnych buforach

24 Wzrost na małych podłożach wychodzenie dyslokacji do krawędzi 2W 10 7 Yamaguchi et al. APL 56 (1990) podłoże MBE etch pit density (cm -2 ) MOVPE 4 µm GaAs/Si 2 x 900 o C residual stress σ (dyn/cm 2 ) podłoże patterned width W (µm) MOVPE - selektywna epitaksja na maskowanym podłożu podłoże h rozkład naprężeń w mesie Luryj & Suhir APL 49 (1986) 140 podłoże W ε(0) E ( h, W ) h cr malejąca funkcja W strain E dislocation

25 Wzrost na cienkich podłożach - koncepcja (compliant substrates) Y.H. Lo, APL 59 (1991) 2311 ε e ε s h e h s 1 1 h dla cr = hcr h s h > cr 1 h s h cr grubość krytyczna h cr = h cr ( h = ) s ε e ε 0 = równowaga sił σ ε = σ ε h e e e s prawo Hooka σ ε ε 0 = ε e + ε s hs + h s transfer naprężeń z epi do podłoża większa grubość krytyczna s h s =h e ε e = ε s h s h cr /h cr effective thickness no MD for any h e < h cr hcr = substrate thickness h s /h cr podłoże warstwa warstwa podłoże

26 Wytwarzanie cienkich podłóż cienka membrana podłoże Wymagania: mocne wiązanie z podłożem - zapobiec zwijaniu się membrany słabe wiązanie z podłożem - łatwe przesuwanie membrany wzdłuż podłoża duża powierzchnia i mała grubość membrany De Boeck et al. JJAP 30 (1991) L423 MBE 1.3 µm GaAs/Si; patterning + mesa release & deposition MBE growth of 1 µm GaAs 80 µm patterning + mesa release & deposition GaAs AlAs podłoże 40 µm GaAs trawienie podłoże swobodna membrana GaAs PL: no strain in GaAs grown on the membrane large strain in GaAs grown on bulk Si podłoże

27 Wytwarzanie cienkich podłóż (wafer bonding) etch stop GaAs thin film GaAs substrate 1 Θ Twist-bonded interface Benemara et al. Mat. Sci. Eng.B 42 (1996) 164 GaAs substrate 2 łączenie: T 550 o C w H 2 lub UHV nacisk: 200 g/2 inch wafer kąt obrotu Θ: 0-45 o można łączyć bardzo cienkie warstwy (10 ML) Plane-view TEM połączonych płytek Si (Θ 0.6 o ) Problemy: pęcherze z gazem na złączu - pęknięcia warstwy resztkowe zanieczyszczenia na złączu problemy z łupaniem technologia bardzo trudna gęsta sieć dyslokacjiśrubowych miękie połączenie odległość dyslokacji = f(θ) brak threading dislocations

28 Uniwersalne elastyczne podłoże (universal compliant substrate) Ejeckam et al. APL 70 (1997) 1685 film GaAs 10 nm; Θ 17o in H2 300 nm of InGaP on GaAs by MOVPE f = 1% he = 30 hcr (10 nm) Lo et al. Cornell Sci. News 1997; Ejeckam et al. APL 71 (1997) 776 TD 1011 cm-2 TD < 106 cm-2 InSb on GaAs f = 14.7% Morał: spektakularne wyniki laboratoryjne; sukces medialny ładne potwierdzenie zjawiska transferu naprężeń do podłoża bardzo trudna technologia wytwarzania podłóż brak sygnałów o zastosowaniach przemysłowych

29 Podsumowanie technik redukcji gęstości dyslokacji w heterostrukturach niedopasowanych sieciowo zwiększanie h cr filtrowanie powstałych defektów wzrost na cienkich podłożach (compliant substrates) bufory z SLS wygrzewanie wzrost na małych podłożach (mesy) lateralny wzrost epitaksjalny (epitaxial lateral overgrowth - ELO) Brak uniwersalnej metody redukcji TD w heterostrukturach niedopasowanych sieciowo; Najlepiej unikać niedopasowania sieciowego - znaleźć podłoże!!!

30 Lateralny wzrost epitaksjalny epitaxial lateral overgrowth - ELO How to grow low EPD homoepitaxial layers on heavily dislocated substrates? ELO adjustable lattice parameter Homoepitaxy wing ELO etch pits mask: SiO 2, Si 3 N 4, W, graphite,... buffer substrate substrate S W MOVPE GaN: S = 5 20 µm; W = 2-5 µm LPE GaAs: S = µm; W = 6-10 µm Wykład 15 maja 2008