Epitaksja - zagadnienia podstawowe

Transkrypt

1 Fizyka, tchnologia oraz modlowani wzrostu kryształów Epitaksja - zagadninia podstawow 6 marzc 2012 Zbigniw R. Żytkiwicz Instytut Fizyki PAN Warszawa, Al. Lotników 32/46 tl: zytki@ifpan.du.pl Stanisław Krukowski i Michał Lszczyński Instytut Wysokich Ciśniń PAN Warszawa, ul Sokołowska 29/37 tl: mail: stach@uniprss.waw.pl, mik@uniprss.waw.pl Wykład 2 godz./tydziń wtork ul. Pawińskigo 5a, blok D, V piętro, sala konfrncyjna

2 Epitaksja - zagadninia podstawow Plan wykładu dfinicj mtody wzrostu pitaksjalngo nidopasowani siciow naprężnia trmiczn domny antyfazow (wzrost polar on non-polar) o niktórych mtodach rdukcji gęstości dfktów w nidopasowanych siciowo warstwach pitaksjalnych

3 Epitaksja - zagadninia podstawow kryształy objętościow wzrost z roztopu wzrost z roztworu wzrost z fazy pary ogniwo słonczn struktury pitaksjaln sourc ohmic HEMT gat mtal (.g. aluminum) Schottky diod n-algaas t b i-algaas d i-gaas 2DEG Insulating substrat ohmic drain ~kilka μm dioda lasrowa ~300 μm

4 Dfinicj Epitaksja = nakładani warstw monokrystalicznych na monokrystaliczn podłoż wymuszając strukturę krystaliczną warstwy pi = na taxis = uporządkowani MnT(hx)/szafir MnT(cub)/GaAs GaN(hx)/szafir GaN(cub?)/GaAs zarodki nowj warstwy podłoż Homopitaksja = warstwa i podłoż taki sam Htropitaksja = podłoż i warstwa różnią się strukturą chmiczną

5 Tchniki wzrostu pitaksjalngo Epitaksja z fazy gazowj (MBE, VPE, MOVPE, HVPE,...) V gr m/h koljn wykłady: Z.R. Żytkiwicz i M. Lszczyński H 2 NH 3 GaCl 3 swobodna 1 p mtody nirównowagow analiza in situ wzrostu Epitaksja z fazy cikłj (LPE, LPEE,...) V gr m/min wykład: Z.R. Żytkiwicz

6 Przykłady: wygrzwani po implantacji Epitaksja z fazy stałj (solid phas pitaxy) mchanizm transportu masy - dyfuzja w fazi stałj niskotmpraturowy bufor AlN (GaN) (wzrost 2-tapowy) wzrost GaN bz bufora T 1000 o C atomy na powirzchni mobiln nuklacja AlN T 600 o C

7 Nidopasowani siciow zalta związków wiloskładnikowych: a = f(skład) ograniczona ilość dostępnych kryształów podłożowych!!! najczęścij pitaksja warstw nidopasowanych siciowo z podłożm

8 Nidopasowani siciow Założnia: h s h h cr a rlax a s przd pitaksją warstwa a rlax h po pitaksji warstwa naprężona a a a II s rlax ściskani w warstwi h s = a rlax a ttragonalna dystorsja sici podłoż a s nidopasowani sici ( lattic misfit) f ( a a ) / a s s nrgia naprężń lastycznych w warstwi E l f 2 h

9 Jak obniżyć nrgię naprężń? intrdyfuzja dformacja powirzchni - procs bardzo powolny - mało istotny dla grubych warstw - ważny w nanostrukturach - rlaksacja sici blisko powirzchni - ważn w nanostrukturach (QDs) - mało istotny dla grubych warstw

10 Gnracja dyslokacji nidopasowania grubość warstwy (misfit dislocations - MD) E > E D rlaksacja przz dyslokacj E = E D E < E D wzrost psudomorficzny E D E Enrgia oddziln matriały A i B a(b) > a(a) pitaksja warstwy B na podłożu A

11 Gnracja dyslokacji nidopasowania (misfit dislocations - MD) warstwa z dyslokacjami h > h cr a II a a rlax a GaSb > a GaAs GaSb 8 Przykład: GaSb na GaAs MDs GaAs 9 Qian t al. J. Elctrochm. Soc. 144 (1997) 1430

12 Czy lubimy dyslokacj nidopasowania? Thrading dislocations Dyslokacj ni mogą się kończyć w krysztal dyslokacj TD przyspiszają rkombinację niproministą nośników Lstr t al. APL 66 (1995) 1249 GaN dyslokacja krawędziowa A-D; A-B i C-D lżą na powirzchni przyrząd TD podłoż MD TD pi MD = dyslokacja nidopasowania (misfit dislocation) TD = dyslokacja przchodząca (thrading dislocation) katastrofalna dgradacja przyrządów

13 czas życia liftim lasra (h) [godz] Czy lubimy dyslokacj nidopasowania? Thrading dislocations Czas życia nibiskich diod lasrowych GaN/InGaN w funkcji gęstości dyslokacji (wg Sony) x10 6 3x10 6 4x10 6 5x10 6 6x10 6 7x10 6 gęstość EPD dyslokacji (cm-2) [cm -2 ]

14 Cross-hatch pattrn 10 nm Si (straind) m SiG (rlaxd) Si substrat MDs gęstość linii gęstość dyslokacji L 1 N Disl N Disl = 10 6 cm -2 L = 10 m śrdnia odlgłość dyslokacji

15 Da/a (%) Naprężnia trmiczn a GaAs > a Si naprężnia ściskając w warstwi GaAs wzrastanj na Si (???) GaAs GaAs on Si th ( GaAs Si) ( TGT TRT ) naprężnia rozciągając w GaAs na Si TF podłoż Si o TF C GaAs / Si o T C InP Si F / Yamamoto & Yamaguchi 88 rsidual thrmal strain th T F GaN/szafir 16,06 Lszczynski t al. JAP 94 16,04 a bulk GaN - a bulk sapphir 16,02 16,00 15,98 a GaN/sapphir - a sapphir 15,96 15, tmpratur ( o C)

16 2 MPa R 8m Naprężnia trmiczn cd. Lasr DH GaAlAs/GaAs Rozgonyi, Ptroff, Panish JCG 27 (1974) 106. AlGaAs/GaAs - idalny układ lasrowy - dopasowani sici (?) bz fosforu z fosform GaAs on Si - pękani warstw GaAs grubszych niż 10 m 10 9 dyn/cm 2 = 100 MPa

17 Wykorzystani naprężń: przykład a Si < a G a InGaAs > a AlAs rlaxd Si tnsil Si rlaxd G rlaxd InGaAs comprssiv InGaAs rlaxd AlAs Si substrat GaAs substrat po wytrawiniu

18 Granic antyfazow (polar on nonpolar) (antiphas domain boundaris - APB) polar (GaAs) polar (GaAs) As Ga dominując przy wzrości nistchiomtrycznym (np. MBE) APB polar (GaAs) nonpolar (Si)

19 wygięci dyslokacji podłożowych Mchanizmy gnracji dyslokacji nidopasowania gnracja półpętli dyslokacyjnych h h cr htrognous nuclation homognous nuclation TD TD TD TD MD MD MD h > h cr NTD 2 l av l av - lngth of MD sgmnt G 0.25 Si 0.75 /Si l av 10 m; in lattic-mismatchd structurs EPD cm -2

20 h cr (nm) Grubość krytyczna Matthws & Blaksl Journal of Crystal Growth 27 (1974) 118 F T h h cr F misfit strss forc dislocation lin tnsion F F T bh f 2 h b ln 1 b F F T growth of MD sgmnt lattic mismatch (%) Ban t al. 550 o C Kaspr t al. 750 o C Matthws-Blaksl Dodson-Tsao 550 o C Dodson-Tsao 750 o C 100 F F T h h cr quilibrium modl (onst of MD gnration) Dodson & Tsao APL 51 (1987) 1325; 52 (1988) 852 vlocity of MD xcss strss (actual strss - EQ) 10 strain = f (h, T, t,...) dynamical modl G x Si 1-x x

21 dislocation dnsity (cm -2 ) dislocation dnsity (cm -2 ) Warstwy buforow bufor GaN Al O 2 3 podłoż GaAs Si bufor = zrlaksowana warstwa pitaksjalna o żądanj wartości paramtru siciowgo osadzona na dostępnym podłożu now podłoż dla dalszj pitaksji Tachikawa & Yamaguchi APL 56 (1990) VPE GaAs/Si plan TEM tching 10 9 Qian t al. J. Elctrochm. Soc. 144 (1997) MBE GaSb/GaAs distanc from GaAs/Si intrfac (m) layr thicknss (m)

22 dislocation dnsity (cm -2 ) Rdukcja gęstości dyslokacji w buforach Tachikawa & Yamaguchi APL 56 (1990) 484 L VPE GaAs/Si plan TEM tching MD TD distanc from GaAs/Si intrfac (m) dlaczgo ta zalżność się nasyca? L 1 N TD N TD = cm -2 L = 100 nm wysoka wydajność rakcji pomiędzy dyslokacjami N TD = 10 6 cm -2 L = 10 m niska wydajność rakcji pomiędzy dyslokacjami Jak przyspiszyć spadk EPD z grubością?

23 tch pit dnsity (cm -2 ) tch pit dnsity (cm -2 ) Wygrzwani naprężnia trmiczn siła napędowa ruchu dyslokacji TD Yamamoto & Yamaguchi MRS 116 (1988) 285 Yamaguchi t al. APL 53 (1988) MOVPE GaAs/Si T a = 800 o C as grown x-situ annald in-situ annald (10 tims) wygrzwani w czasi wzrostu (in-situ): wzrost 1 m GaAs wygrzwani (T gr RT T a ) N wzrost 2 m T gr 10 8 MOVPE GaAs/Si T a = 700 o C T a = 800 o C T a = 900 o C thicknss (m) cycl numbr N

24 dislocation dnsity (cm -2 ) 40 x Filtrowani TD poprzz naprężon suprsici SLS nidopasowani siciow siła napędowa wygięcia i ruchu dyslokacji TD SL MBE GaSb/GaAs 10 9 TD bufor TD Qian t al. J. Elctrochm. Soc. 144 (1997) x (GaSb/AlSb) SLS 1 10 layr thicknss (m) filtr SLS wydajny dla wysokich gęstości TD wymagany ostrożny wzrost (brak nowych dfktów) czasami stosowan wygrzwani + filtr SLS gęstości TD < cm -2 niosiągaln w planarnych buforach

25 tch pit dnsity (cm -2 ) rsidual strss (dyn/cm 2 ) Wzrost na małych podłożach wychodzni dyslokacji do krawędzi 2W 10 7 Yamaguchi t al. APL 56 (1990) podłoż podłoż MBE 10 5 MOVPE 4 m GaAs/Si 2 x 900 o C pattrnd width W (m) 10 8 MOVPE - slktywna pitaksja na maskowanym podłożu podłoż h rozkład naprężń w msi Luryj & Suhir APL 49 (1986) 140 podłoż W (0) E ( h, W) h cr maljąca funkcja W strain E dislocatio n

26 ffctiv thicknss Wzrost na cinkich podłożach - koncpcja (compliant substrats) s h h s Y.H. Lo, APL 59 (1991) h h dla cr h s h cr cr 1 h s h cr grubość krytyczna h cr h cr ( h ) s 0 równowaga sił h s prawo Hooka 0 s hs h s transfr naprężń z pi do podłoża większa grubość krytyczna s h s =h = s h s h cr /h cr h cr no MD for any h h cr substrat thicknss h s /h cr podłoż warstwa warstwa podłoż

27 40 m Wytwarzani cinkich podłóż cinka mmbrana podłoż Wymagania: mocn wiązani z podłożm - zapobic zwijaniu się mmbrany słab wiązani z podłożm - łatw przsuwani mmbrany wzdłuż podłoża duża powirzchnia i mała grubość mmbrany D Bock t al. JJAP 30 (1991) L423 MBE 1.3 m GaAs/Si; pattrning + msa rlas & dposition MBE growth of 1 m GaAs 80 m pattrning + msa rlas & dposition GaAs AlAs podłoż GaAs trawini podłoż swobodna mmbrana GaAs PL: no strain in GaAs grown on th mmbran larg strain in GaAs grown on bulk Si podłoż

28 Wytwarzani cinkich podłóż (wafr bonding) tch stop GaAs thin film GaAs substrat 1 Q Twist-bondd intrfac Bnmara t al. Mat. Sci. Eng.B 42 (1996) 164 GaAs substrat 2 łączni: T 550 o C w H 2 lub UHV nacisk: 200 g/2 inch wafr kąt obrotu Q: 0-45 o można łączyć bardzo cinki warstwy (10 ML) Plan-viw TEM połączonych płytk Si (Q 0.6 o ) Problmy: pęchrz z gazm na złączu - pęknięcia warstwy rsztkow zaniczyszcznia na złączu problmy z łupanim tchnologia bardzo trudna gęsta sić dyslokacji śrubowych mięki połączni odlgłość dyslokacji = f(q) brak thrading dislocations

29 Uniwrsaln lastyczn podłoż (univrsal compliant substrat) Ejckam t al. APL 70 (1997) 1685 film GaAs 10 nm; Q 17 o in H nm of InGaP on GaAs by MOVPE f = 1% h = 30 h cr (10 nm) TD cm -2 Lo t al. Cornll Sci. Nws 1997; Ejckam t al. APL 71 (1997) 776 TD < 10 6 cm -2 InSb on GaAs f = 14.7% Morał: spktakularn wyniki laboratoryjn; sukcs mdialny ładn potwirdzni zjawiska transfru naprężń do podłoża bardzo trudna tchnologia wytwarzania podłóż brak sygnałów o zastosowaniach przmysłowych

30 Podsumowani tchnik rdukcji gęstości dyslokacji w htrostrukturach nidopasowanych siciowo zwiększani h cr filtrowani powstałych dfktów wzrost na cinkich podłożach (compliant substrats) bufory z SLS wygrzwani wzrost na małych podłożach (msy) latralny wzrost pitaksjalny (pitaxial latral ovrgrowth - ELO) Brak uniwrsalnj mtody rdukcji TD w htrostrukturach nidopasowanych siciowo; Najlpij unikać nidopasowania siciowgo - znalźć podłoż!!!

31 Latralny wzrost pitaksjalny pitaxial latral ovrgrowth - ELO How to grow low EPD homopitaxial layrs on havily dislocatd substrats? ELO adjustabl lattic paramtr Homopitaxy wing ELO tch pits mask: SiO 2, Si 3 N 4, W, graphit,... buffr substrat substrat S W MOVPE GaN: S = 5 20 m; W = 2-5 m LPE GaAs: S = m; W = 6-10 m Wykład 3 kwitnia 2012