Lateralny wzrost epitaksjalny (ELO)

Transkrypt

1 Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów Lateralny wzrost epitaksjalny (ELO) 15 kwietnia 2013 Zbigniew R. Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN Warszawa, Al. Lotników 32/46 tel: 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 poniedziałek 15:00 ul. Pawińskiego 5a, blok D, V piętro, sala konferencyjna

2 Epitaxial Lateral Overgrowth (ELO) Lateralny Wzrost Epitaksjalny skrzydło warstwa ELO maska SiO 2 podłoże Wymagania: wzrost selektywny (brak zarodkowania na masce) duża pozioma (lateralna) prędkość wzrostu V lat mała pionowa (normalna) prędkość wzrostu V ver

3 R (szybkość wzrostu) Szybkość wzrostu różnych powierzchni kryształu (wykład SK) powierzchnia atomowo szorstka (przesycenie) Prawo wzrostu Wilsona - Frenkla

4 R (szybkość wzrostu) Szybkość wzrostu różnych powierzchni kryształu (wykład SK) powierzchnia atomowo-gładka bez dyslokacji - zarodki 2D 2D (przesycenie)

5 R (szybkość wzrostu) Szybkość wzrostu różnych powierzchni kryształu (wykład SK) powierzchnia atomowo-gładka z dyslokacjami 2D dyslokacje (przesycenie)

6 R (szybkość wzrostu) Mechanizm wzrostu warstw ELO (100), (111),... gładka powierzchnia górna szorstka powierzchnia boczna dyslokacje ELO opt 2D (przesycenie) podłoże Wybrać: gładką powierzchnię górną (mała V ver ) szorstką powierzchnię boczną (duża V lat ) dobrać przesycenie opt - LPE super!!! - VPE, MOVPE, HVPE - OK. - MBE???? słabo

7 Mechanizm wzrostu warstw ELO (100), (111),... gładka powierzchnia górna ELO szorstka powierzchnia boczna Zytkiewicz Cryst. Res. Technol Warstwa GaAs na podłożu (100) GaAs (LPE) podłoże [011] (111)A [001] (111)B (010) 8 równoważnych kierunków okien gdy podłoże bez dezorientacji [011] gdy jest dezorientacja podłoża istnieje 1 optymalny kierunek okna 1.2 mm (100)

8 Zastosowanie ELO - struktury SOI otrzymywane techniką LPE wing Si ELO SiO 2 mask Si substrate - silicon-on-insulator structures - zagrzebany kontakt/zwierciadło light ELO MOS transistor on ELO Si/SiO 2 Bergmann et al. Appl. Phys. A (1992) mask substrate back mirror (photon recycling) ELO mask substrate buried electrical contact - separacja elektryczna od podłoża ELO (GaSb) substrate GaSb mask

9 seed Warstwy ELO Si/SiO 2 /Si - struktury SOI otrzymywane techniką LPE E. Bauser et al. Max-Planck Inst. Stuttgart ELO skąd taki kształt warstw ELO Si? - brak dyslokacji w podłożach Si ścięcie podłoża

10 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!!!

11 ELO = metoda redukcji gęstości dyslokacji w warstwach epitaksjalnych wing ELO jamki trawienia maska: SiO 2, Si 3 N 4, W, ZrN, grafit,... podłoże S W MOVPE GaN: S = 5 20 m; W = 2-5 m LPE GaAs: S = m; W = 6-10 m ELO GaN GaAs A x B 1-x C bufor podłoże GaN szafir GaAs Si A x B 1-x C binary nowa klasa podłóż o zaplanowanej stałej sieci a = f(x) potrzebne szerokie i cienkie warstwy ELO

12 filtracja dyslokacji w ELO - nowa idea? Necking in Bridgman growth Cu crystal Chochralski growth z T T top wing ELO recepta: weź z podłoża info o sieci krystalograficznej; nie bierz defektów N TD = cm -2 L = 100 nm ~ 200a

13 Mechanizm wzrostu ELO na podłożach z dyslokacjami porównanie ELO na podłożu bez dyslokacji Si/Si ELO na podłożu z dyslokacjami GaAs/GaAs Zytkiewicz et al. Cryst. Res. Technol warstwa ELO Si maska SiO 2 3 o podłoże Si kierunek ścięcia seed GaAs substrate kierunek ścięcia wzrost tylko w kierunku ścięcia wzrost we wszystkich kierunkach wzrost ELO możliwy bez dezorientacji podłoża; ścięcie podłoża czasami stosowane (np. GaAs/Si)

14 aspect (width/thickness) ratio thermal roughening of the upper face aspect ratio ELO - optymalizacja przesycenia w LPE temperatura wzrostu ELO GaAs - cooling rate microfacetting on the side wall T opt undoped GaAs/GaAs growth temperature T 0 [ o C] gładka powierzchnia 10 ELO 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 szorstka powierzchnia cooling rate [ o C/min] podłoże

15 ELO - wpływ domieszkowania domieszkowanie szybkość wzrostu: wykład SK aspect ratio aspect ratio ELO GaAs - undoped (a) [Si] = 0.5 % at. [Si] = 0 [Si] = 2.5 % at. gładka powierzchnia ELO szorstka powierzchnia ELO GaAs - Si doped (b) 10 m 106 m 25 m growth temperature To [ o C] T = 750 o C 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Si concentration in liquid [at. %] podłoże Model t 1 t 2 >t 1 t 3 >t 2 dopants d stopień domieszki blokują przepływ stopni na górnej ścianie V ver maleje V lat rośnie

16 ELO - wbudowywanie domieszek domieszkowanie szybkość wzrostu: wykład T. Słupiński k 0 C C keff l o s C C k eff s l k 0 ( 1 k0 k0 ) exp( u / D) u - liniowa prędkość krystalizacji (prędkość przesuwania frontu krystalizacji) δ grubość warstwy dyfuzyjnej D stała dyfuzji domieszki w cieczy a 10 m b ELO GaAs:Te SEM 10 m wizualizacja rozwoju ELO CL k 0 mniej Te k eff > k 0 więcej Te t 4 t 3 t 2 t 1 seed substrate

17 Efekt Gibbsa-Thomsona wykład SK Efekt Gibbsa - Thomsona zmiana równowagi faz na powierzchni zakrzywionej p R = p 1 C R = C 1 R - capillarity constant ( 10-7 cm = 1 nm) R R równowagowe ciśnienie (koncentracja) na powierzchni zakrzywionej jest większe niż na płaskiej warstwa ELO Si duża krzywizna ściany na początku wzrostu maska SiO 2 podłoże Si Silier et al. J. Cryst. Growth 1996 Potrzebne wstępne przesycenie roztworu o ok. 1.8 o C by rozpocząć wzrost ELO Si metodą LPE; w przeciwnym wypadku warstwa nie może wyjść ponad maskę

18 thickness [ m] thickness [ m] growth near-surface diffusion Efekt Gibbsa-Thomsona wykład SK symulacje: ELO GaAs techniką LPE C bulk As bulk diffusion wizualizacja efektu Gibbsa-Thomsona: ELO GaAs techniką LPE C in C eq GaAs substrate (a) Gibbs-Thomson effect OFF width [ m] laterally grown part of ELO vertically grown part of ELO SiO 2 mask window substrate (b) Gibbs-Thomson effect ON width [ m] obecność dyslokacji podłożowych pozwala na wzrost ELO bez wstępnego przesycenia roztworu

19 ELO GaAs/GaAs otrzymywane metodą LPE L = 172 m; t = 2.8 m 10 m thickness t = 2.8 m width of the wing L = 172 m aspect ratio 2L/t = 126

20 Filtrowanie dyslokacji w procesie ELO LPE - GaAs/Si GaAs ELO LPE - GaSb/GaAs GaSb ELO MBE GaAs buffer seed (001) Si substrate MBE GaSb buffer GaAs substrate EPD > 10-8 cm GaSb ELO MBE GaSb buffer device

21 Filtrowanie dyslokacji w procesie ELO: TEM GaAs/Si ELO GaAs ELO wing SiO 2 mask Si substrate 2 µm GaAs buffer LT GaAs wzrost 2-stopniowy (wykład 14)

22 Filtrowanie dyslokacji w procesie ELO: TEM HVPE GaN/szafir Sakai et al. APL 1998 TEM Szerokość skrzydła ELO skrzydło wing width L MOVPE LPE LPE GaN * GaAs/Si ** GaAs/GaAs 5 m 90 m 200 m * Fini et al. JCG (2000) ** Chang et al. JCG (1998) dislocations blocked by the mask bending of TD s in window area!!!

23 Zytkiewicz Thin Solid Films 412 (2002) 64 Filtrowanie dyslokacji w procesie ELO - katodoluminescencja Yu et al. MRS Internet Nitride Semicond. Res integrated CL LPE GaAs/Si MOVPE GaN on sapphire band edge emission 365 nm wing GaAs grown over the seed

24 Kozodoy et al. APL 1998 Gdzie na warstwie ELO umieścić przyrządy? Nakamura et al. MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1, G1.1 (1999)!!! CW RT blue LD - Nichia large leakage current due to TD on the wing j th = 3 ka/cm 2 on the window j th = 6-9 ka/cm 2

25 Intensity [cps] Naprężenia w warstwach ELO (XRD - wykład M. Leszczyński) XRD geometry ELO GaAs on SiO 2 -coated GaAs Zytkiewicz et al. JAP 1998 angle = 0 o = 90 o scattering plane angle ELO stripes rotation axis substrate angle [deg] poszerzenie RC: różne stałe sieci??? wiele pasków o różnej orientacji??? wygięcie sieci - w którą stronę? angle [deg] porządny GaAs

26 Naprężenia w warstwach ELO technika lokalnej dyfrakcji XRD X-ray beam sample rotation axis in the ω scan seed window ELO layer t SiO 2 mask W substrate sample movement L y X-ray beam 5 10 μm mm sample movement step 5 20 μm RC, RSM, measured locally mapping

27 Intensity Intensity - 0 [deg] - 0 [deg] Lokalna XRD - przykład sample rotation axis in the ω scan X - rays R α α ELO layer α 0 - α R α α ELO substrate 0 y position on the sample substrate α 0 - α ELO substrate 0 y position on the sample SRXRD mapping: tilt angle α(y) can be measured tilt direction easy to determine curvature radius R(y) can be measured locally shape of lattice planes can be analyzed α(y) ~ h (y) width of ELO can be measured substrate left wing right wing substrate left wing right wing Standard Rocking Curve: tilt angle α can be measured tilt direction cannot be determined - α 0 α - α 0 α - 0 [deg] - 0 [deg]

28 h [ m] Naprężenia w warstwach ELO (mapy krzywych odbić) width of the ELO stripe Czyzak et al. Appl. Phys. A m - 0 [arcsec] ELO substrate Position across the stripe x [ m] 25,00 31,98 40,90 52,31 66,91 85,58 109,5 140,0 179,1 229,0 292,9 374,7 479,2 613,0 784, ,30 1,175E4 2 α=0,5 o 0,25 0,20 kształt płaszczyzn (001) obliczone z XRD 0,15 0,10 0,05 0, Position across the stripe x [ m]

29 Intensity [cps] = 0 o Wygięcie warstw ELO ELO GaAs on SiO 2 -coated GaAs max max ELO layer SiO 2 mask 10 2 window GaAs substrate [arcsec] angle [deg] wing 1 seed wing 2 substrate Position across the stripe x [ m] window 1,000 1,462 2,138 3,127 4,573 6,687 9,779 14,30 20,91 30,58 44,72 65,40 95,64 139,9 204,5 299,1 437,3 639,6 935, = 55 ELO layer GaAs substrate region I seed [Si] region I > [Si] region II a region I < a region II wygięcie skrzydła do góry ELO wing region II GaAs substrate Resztkowe wygięcie wywołane niejednorodnym domieszkowaniem

30 Wygięcie warstw ELO powszechne w ELO GaN, Si, GaAs, etc. ELO GaN on sapphire Kim et al. JCG 2002 ELO GaN bufor GaN maska SiO 2 szafir KRZEM kierunek i kąt wygięcia z dyfrakcji elektronów w TEM XRD na synchrotronie

31 left wing right wing Zrastanie pasków ELO low angle grain boundary 1 µm Zytkiewicz et al. JAP 2007 growth window front of coalescence ELO GaAs void 1 µm no dislocations above the mask edge GaAs substrate SiO 2 mask GaAs substrate Similar effect in: ELO Si on Si - Banhart et al. Appl. Phys ELO GaN on sapphire - Sakai et al. APL 1998 PE GaN on sapphire - Chen et al. APL

32 Naprężenia termiczne w warstwach ELO (GaAs/SiO2/GaAs/Si) ELO GaAs GaAs buffer ELO GaAs 100 Intensity [cps] Intensity [cps] 100 GaAs buffer qx qx qz X-rays qz X-rays 0.705

33 intensity [cps] Naprężenia termiczne w warstwach ELO (GaAs/SiO 2 /GaAs/Si) Zytkiewicz et al. APL 1999 ELO GaAs/Si: wings hanging over the SiO 2 mask (no mask-induced tilt) wings tilted upwards Our model: direction of tilt GaAs/Si GaAs > Si tension in GaAs buffer sign of thermal strain in the buffer GaN/sapphire GaN < sapphire compression in GaN buffer FWHM=94'' 2 =250'' 2 =216'' as grown SiO2 removed angle [arcsec] upwards tilt SiO 2 mask GaAs buffer Si substrate Fini et al. Appl. Phys. Lett downwards tilt

34 Inna koncepcja ELO (m. in. Pendeo-epitaxy) Epitaxial Lateral Overgrowth buffer substrate New concept buffer substrate

35 Pendeo-epitaxy pendeo - hanging on suspending from Nitronex Corp., Raileigh, North Caroline University Al 2 O 3 substrate PE GaN GaN buffer mask Davis et al. JCG 2001 PE vs. ELO: reduction of TD density over the whole wafer within one PE process

36 Pendeo-epitaxy Chen et al. APL 1999 TEM B A C Advantage: maskless versions of PE possible for GaN on SiC or SiC-coated Si Strittmatter et al. APL 2001; Davis et al. JCG 2001

37 EVA Embedded Void Approach Frajtag et al. APL x10 9 cm x10 7 cm -2. TEM

38 buffer substrate ELO recepta na wzrost warstw o małym EPD na zdyslokowanych podłożach weź info o sieci podłoża (bufora), Nie bierz defektów!!! ELO rozwiązanie problemów niedopasowania sieciowego? Osiągnięcia: 1. Znacząca redukcja gęstości defektów w heterostrukturach niedopasowanych sieciowo 2. Łatwiejsza relaksacja naprężeń termicznych Problemy: 1. Oddziaływanie z maską i wygięcie 2. Generacja defektów na zroście warstw buffer substrate

39 zastosowania Nichia przemysłowe wykorzystanie struktur ELO GaN/szafir Lumilog produkcja podłóż GaN/szafir Fizyka naturalnych procesów ELO w heterostrukturach z dużym niedopasowaniem sieciowym random mask (SiN coverage below 1 ML)