Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów Epitaksja z fazy gazowej

Transkrypt

1 Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów Epitaksja z fazy gazowej Michał Leszczyński Wykład 2 godz./tydzień wtorek Interdyscyplinarne Centrum Modelowania UW, Siedziba A, Sala Konferencyjna, ul. Pawińskiego 5a, blok D, V piętro Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN Warszawa, ul Sokołowska 29/37 tel: stach@unipress.waw.pl, mike@unipress.waw.pl Zbigniew R. Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN Warszawa, Al. Lotników 32/46 tel: ext zytkie@ifpan.edu.pl

2 EPITAKSJA MOVPE WARSTW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN i TopGaN W-wa 13marca 2012

3 1977- Russel Dupuis pokazuje warstwy epi wysokiej jakości (arsenkowe) Producenci sprzętu MOVPE: Nippon Sanso 450 systems since 1983 Thomas Swan (Aixtron): 240 systems since 1983 AIXTRON since 1983 (sale in 2005: 140 mln Euro) EMCORE (Veeco since 2005): 500 systems since systemów worldwide (9 w Polsce)

4 Co chcemy wyhodować? Np., diodę laserową p-al0.3 GaN (10 nm) p-gan (50 nm) p-gan/p-al n-gan/al n-gan (140 nm) (26 Ĺ / 26 Ĺ) * 80 SL p-gan (70 nm) GaN ( 29 Ĺ / 29Ĺ )*110 SL GaN In 0.04 GaN:Si (8 nm) In10% GaN /In 4% GaN:Mg (45 Ĺ / 80 Ĺ) * 5 MQW GaN:Si (530 nm) bulk n-gan

5 CVD- chemical vapour deposition

6 Maksymalna szybkość wzrostu Stochiometria i wbudowywanie się domieszek Skład związków stopowych Rekonstrukcja powierzchni Hydrodynamika- warstwy graniczne, zamknięte rolki gazu, martwe objętości Profil temperatury w okolicy podłoża Procesy transportu masy i ich szybkości dyfuzja i konwekcja Materiałźródłowy transportowany do interfejsu transport produktów od interfejsu Wpływ ścianek reaktora ***********

7 Rekonstrukcje powierzchni Wielkość stopni i ich rozmieszczenie Powstawanie kinków Dyfuzja powierzchniowa również anizotropia spowodowana rekonstrukcją Dwuwymiarowe zarodkowanie Trzywymiarowe zarodkowanie chropowacenie powierzchni Dyfuzja w ciele stałym skrajnie powolna Dyfuzja w kilku monowarstwach przy powierzchni może być szybsza *********

8 Jednorodne w fazie gazowej Powstawanie stabilnych substancji transportowanych w gazie (adduct) Pyroliza prekursorów i adductów Złożone reakcje między rodnikami Niejednorodne na powierzchni próbki Adsorpcja i desorpcja prekursorów i związków pośrednich Pyroliza i złożone reakcje z udziałem rodników Desorpcja produktów *******

9 Plan dzisiejszego wykładu Układ doprowadzania gazów (oczyszczalniki, system dozowania gazów) Reaktory MOCVD (MOVPE) Wzrost warstw - Problemy niedopasowania sieciowego - Wybrane warunki wzrostu (T, przepływy reagentów, itd.) - Rezultaty (morfologia, skład chemiczny, itd.)

10 MOVPE-metalorganic chemical vapour phase epitaxy A(CH 3 ) 3 +BH 3 AB+3CH4 A= Ga, In, Al, B=N, As, P

11 Oczyszczalniki gazów Palladowy oczyszczalnik wodoru

12 Oczyszczalniki getterujące Bazujące na stopach Zr Oczyszczanie N2, H2 Oraz NH3, SiH4, AsH3, PH3, i in. Z O2, CO2, CO, CH4, CF4, CCl4, NO i in. Do poziomu ppb Koszt oczyszczania: około o 1 Euro/sl

13 Bubblery TMGa, TMIn, TMAl,, Cp2Mg, Cp2Fe, DMZn, N(C H 4 9 )H i 2, in. )H 2, gaz nośny MFC1 MFC2 do zaworów RUN- VENT III PC bubbler T, p

14 Podstawowe elementy ukladu gazowego: MFC (Mass-flow controllers), PC (Pressure controllers), Zawory, rurki elektropolerowane wewnętrznie

15 Dozowanie gazów w do reaktora MFC1 Linia VENT V gaz nośny NO NO Linia RUN V (reaktora) MFC2 NC NC NH 3 SiH 4 MFC1 Linia VENT III gaz nośny NO NO NO NO MFC2 NC NC NC NC Linia RUN III TMGa TMAl TMIn CP 2 Mg

16 Reaktory MOVPE Reflektometria laserowa In-situ Przepływ górny (gaz nośny) podłoże Wlot grupy V NH3 SiH4 gaz nośny Wlot grupy III TMGa TMAl TMIn Cp2Mg Gaz nośny grzanie indukcyjne Wlot grupy V grafitowa podstawa pokryta SiC Reflektometria laserowa In-situ Wlot grupy III Nie mieszanie się zbyt wczesne reagentów Przepływ laminarny Kompensacja konwekcji grafitowa podstawa pokryta SiC podłoże grzanie indukcyjne

17 Reaktor EMCORE D75

18 Reaktory MOVPE Thomas Swan Aixtron S. Nakamura

19 Jeszcze inne reaktory

20 Jednorodność temperatury, ciśnienia, dostarczania reagentów Niejednorodność temperatury Wpływ obrotu na szybkość wzrostu

21 Reflektometria laserowa (monitorowanie wzrostu struktury niebieskiej diody laserowej) 6 5 refl. int. [a.u.] time [s]

22 Scrubbing- oczyszczanie gazów wylotowych Gazy wylotowe (toksyczne) są adsorbowane i pasywowane poprzez utlenianie.

23 Zaczynamy wzrost warstw: 1. Podłoże monokrystaliczne Bez dyslokacji Epi-ready powierzchnia Ustalona dezorientacja!!!! Usuwanie zniszczeń podpowierzchniowych i zanieczyczeń powierzchni: Trawienie (także jonowe) Wygrzewanie

24 Wygięcie struktury laserowej w zależno ności od grubości podłoża R AlGaN HP GaN R(cm) 1000 cladding Akceptowalne Za małe µm 90 µm 60 µm Al content (%)

25 Pękanie 1 µm AlGaN, Al=8% On 60 µm GaN On 120 µm GaN substrates

26 Struktury paskowe AlGaN/GaN Naprężenia w warstwie litej Naprężenia w warstwie paskowej

27 Eliminacja pękania i redukcja wygięcia AlGaN 27% 220 nm Bez maski AlN Z maską AlN, paski µm Gęstość defektów: w oknie <10 6 /cm 2 na masce /cm 2

28 Najważniejsze mody wzrostu epitaksjalnego Frank-van der Merwe (FM) Volmer-Weber (VW) Stranski-Krastanov (SK) Przykład: wzrost AlGaAs na GaAs Przykład: Wzrost GaN na szafirze Przykład: Kropki kwantowe InAs na GaAs

29 Kropki kwantowe InGaAs w GaAs tworzone pod wpływem niedopasowania sieciowego 100nm

30 Inne mody wzrostu

31 Jeszcze inne rysunki Gładki wzrost Wzrost wyspowy, zmiany lokalnej dezorientacji Wzrost na dyslokacjach

32 Atomic step-flow często się nie udaje.

33 Zadanie do domu: Przestudiować ten rysunek

34 GaN na szafirze-przykład bardzo dużego niedopasowania- 16% nachylenia ( tilt ) [0001] kąt nachylenia granice mozaiki - skręcenia ( twist ) szafir LT-bufor [11-20] kąt skręcenia

35 Wzrost GaN na szafirze n m/ Di v µm

36 gęstość dyslokacji a wielkość ziaren w GaN/szafirze T. Bottcher (Bremen) Appl. Phys. Lett. Vol 78, 14, E10 (XRD ) krawędziowe (TEM ) ρ dyslokacji [cm -2 ] 1E9 1E8 śrubowe i mieszane (XRD ) 1E średnia wielkość ziaren [µm]

37 naprężenia w warstwie a wielkość ziaren w GaN/szafir a relax = A T. Bottcher (Bremen) σ in plane [GPa] a [A] ρ edge [10 9 cm -2 ] Appl. Phys. Lett. Vol 78, 14, 2001 krzywa teoretyczna średnia wielkość ziaren [µm] Całkowite naprężenie termiczne ( thermal stress )

38 schemat zmian parametru a przy schładzaniu warstwy GaN/szafir a( ) a relax ( ) a GaN odkształcenia rozciągające zależne od wielkości ziaren małe ziarno a relax (20 0 ) a(20 0 ) odkształcenia ściskające 20 0 C C T duże ziarno GaN objętościowy całkowicie naprężony GaN Całkowite odkształcenie termiczne ( thermal strain ) Odkształcenie ε =(a relaks -a)/ a relaks

39 Thermodynamics-limited Best growth zone Diffusion controlled Kinetics-limited Temperature Growth rate Czynnik 1. Temperatura

40 Wbudowywanie się In w InGaN w zależności od temperatury

41 Czynnik 2 Przepływ reagentów V 2,5 G R G a N [µm /h ] G a A s : M iz u ta e t a l ( ) A la s : M iz u ta e t a l ( ) In P : H s u e t a l ( ) 2,0 G a N : p = m b a r T = O C N H 3 = 0,0 9 m o l/m in 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 a lk y l m o la r flo w [µm o l/m in ]

42 Wbudowywanie się In w InGaN w zależności od przepływu TMI

43 Pytania: Jak domieszkowanie wpływa na morfologię warstw i prędkość wzrostu? Jak ciśnienie wpływa na parametry warstw? W którym kierunku najlepiej wybrać dezorientację podłoża? Jak stosunek III:V wpływa na parametry warstw? i wiele, wiele innych