Wzrost kryształów objętościowych i warstw epitaksjalnych- informacje wstępne. Michał Leszczyński. Instytut Wysokich Ciśnień PAN UNIPRESS i TopGaN

Transkrypt

1 Wzrost kryształów objętościowych i warstw epitaksjalnych- informacje wstępne Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN UNIPRESS i TopGaN

2 Plan wykładu Laboratoria wzrostu kryształów w Warszawie Po co nam kryształy półprzewodników? Podłoża, np., Si Epitaksja MBE Epitaksja MOVPE Charakteryzacja kryształów

3 Firmy w Warszawie CEMAT-SILICON- spin-off z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, kryształy krzemu Ammono absolwenci UW+Nichia, kryształy podłożowe GaN TopGaN- spin-off z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN, kryształy podłożowe GaN, epitaksja (AlGaIn)N, diody laserowe Vigo- spin-off z Wojskowej Akademii Technicznej, epitaksja HgCdTe, detektory podczerwieni EpiLab- spin-off z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, epitaksja IIIV, SiC, grafen

4 Nagroda dla Ammono za podłoża GaN- CSEurope 2012

5 Laboratoria w Warszawie Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych GaN, GaAs, InP, SiC, kryształy tlenkowe, i in., kryształy objętościowe i epitaksja Instytut Wysokich Ciśnień PAN- GaN, kryształy objętościowe i epitaksja Instytut Fizyki PAN- kryształy tlenkowe, II-VI, GaN, i in., kryształy objętościowe i epitaksja Wydział Fizyki UW- epitaksja III-V i GaN Wydział Fizyki PW- epitaksja III-V Instytut Technologii Elektronowej epitaksja III-V

6 W 2012 w Warszawie: Działa około 100 reaktorów do wzrostu kryształów objętościowych Około 25 reaktorów epitaksjalnych Zatrudnionych bezpośrednio przy wzroście kryształów jest ok. 400 osób przy charakteryzacji 4 wspomniane firmy przynoszą dochód ok. 30 mln Eur rocznie co najmniej 2 razy więcej

7 Nowe laboratoria w Warszawie Centrum Zaawansowanych Materiałów, Politechnika, IWC PAN, IF PAN CEZAMAT Centrum Nowych Technologii UW CENT

8 Kryształy półprzewodników się przydają... Np., GaN

9 Ciało stałe może mieć strukturę: Monokrystaliczną amorficzną polikrystaliczną

10 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 Łatwiej uzyskać gładkie interfejsy w strukturach warstwowych

11 Co jest ważne w krysztale podłożowym? Wielkość Defekty Punktowe: zanieczyszczenia, wakanse, atomy międzywęzłowe, Rozciągłe: dyslokacje, wydzielenia, aglomeraty, błędy ułożenia, itp.. Powierzchnia

12 Wzrost podłoża, na przykład, objętościowego kryształu krzemu

13 SiO2+2C Si +2 CO ( oC) 98% purity Si+3HCl SiHCl3 +H2 (BCl3, FeCl3, itp., usunięte przez destylację) SiHCl3 +H2 Si +3HCl Si polikrystaliczny 11N

14

15 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

16 Wzrost kryształu krzemu mm/h kwarcowy reaktor źródłem tlenu

17 Obróbka kryształu Figure 4.20

18 Cięcie na plasterki (wafle-wafers)

19 Trawienie chemiczne dla usunięcia zniszczeń powierzchni i zanieczyszczeń Figure 4.25

20 Ilość procesorów 1.5 cm x 1.5 cm2 88 die 200-mm wafer 232 die 300-mm wafer Figure 4.13

21 Polerowanie

22 Wzrost epitaksjalny, na przykład warstw AlGaInN

23 DEFINICJA Epitaksja- nakładanie warstw monokrystalicznych na podłoże monokrystaliczne wymuszające strukturę krystaliczną warstwy.

24 Diody elektroluminescencyjne LED + GaN:Mg 100nm Al0.20GaN:Mg 60nm 4QW QW InXGa1-XN/QB InYGa1-YN:Si In0.02GaN:Si 50nm Al0.16GaN:Si 40nm GaN:Si 500nm

25 Diody laserowe

26 HEMT, także sensory gazów i cieczy source gate Schottky diode metal (e.g. aluminum) ohmic ohmic n-algaas tb δ i-algaas i-gaas Insulating substrate 2DEG drain

27 Detektory światła

28 Ogniwa słoneczne

29 Metody wzrostu warstw epitaksjalnych Molecular Beam Epitaxy (MBE) Metalorganic Vapour Phase Epitaxy (MOVPE), czasami zwane MOCVD

30 Zasada działania MBE

31 MBE

32 Appropriate other meanings of MBE Mostly Broken Equipment Massive Beer Expenditures Maniac Bloodsucking Engineers Mega-Buck Evaporator Many Boring Evenings (how do you think this list came about?) Minimal Babe Encounters (see previous item) Mainly B.S. and Exaggeration Medieval Brain Extractor Money Buys Everything Make Believe Experiments Management Bullshits Everyone Malcontents, Boobs, and Engineers Music, Beer, and Excedrin

33 RHEED- kontrola wzrostu warstw MBE

34 RHEED- reflection high energy electron diffraction Gładkość Parametry sieci Rekonstrukcja powierzchni Szybkość wzrostu

35 Mod wzrostu poprzez płynięcie stopni (step-flow) Brak oscylacji RHEED AFM

36 TEM struktury laserowej wzrastanej metodą MBE 10 nm

37 MOVPE-metalorganic chemical vapour phase epitaxy A(CH3)3+NH3->AN+3CH4 A= Ga, In, Al

38 MOVPE Reflektometria laserowa In-situ Przepływ górny (gaz nośny) podłoże Wlot grupy V NH3 SiH4 gaz nośny grzanie indukcyjne Wlot grupy III TMGa TMAl TMIn Cp2Mg Gaz nośny grafitowa podstawa pokryta SiC

39 MOVPE Układ gazowy Reaktor

40 Wielowaflowe (multiwafer) reaktory MOVPE

41 Reflektometria laserowa (monitorowanie wzrostu struktury niebieskiej diody laserowej)

42 Problem niedopasowania sieciowego Homoepitaksja Heteroepitaksja Przypadek warstw naprężonych Przypadek warstw zrelaksowanych

43 III. Relaksacja sieci Naprężone- fully strained Zrelaksowane- relaxed

44 Wartości krytyczne do relaksacji critical thickness (nm) dislocations cracking mismatch (%) Wartości niedopasowania i grubości warstw występujących w laserze niebieskim

45 Wartości krytyczne zależą nie tylko od grubości i niedopasowania warstwy epitaksjalnej, ale także od: Dezorientacji (miscut) podłoża Domieszkowania Obecności defektów w podłożu Warunków wzrostu (temperatura, przepływy reagentów, ciśnienie) Grubości podłoża

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

47 Wygięcie struktury laserowej w zależności od grubości podłoża R AlGaN 1000 cladding R(cm) HP GaN Akceptowalne Za małe µ m 90 µ m 60 µ m Al content (%) 20

48 Metody charakteryzacji kryształów Trawienie selektywne (EPD) Dyfrakcja rentgenowska (XRD) Mikroskopia sił atomowych (AFM) Mikroskopia elektronowa Pomiary własności elektrycznych i optycznych I wiele innych

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

50 EPD w strukturze epitaksjalnej niebieskiego lasera 105 cm-2 50 µm Około 5 dyslokacji na pasek, w tym 0-1 przecinających warstwę aktywną 20 µm LD pasek

51 EPD- informacja gdzie się dyslokacja zaczyna Pod warstwą aktywną

52 EPD- informacja gdzie się dyslokacja zaczyna Nad warstwą aktywną

53 Dyfrakcja rentgenowska Krzywa odbić Rocking curve

54 GaAs typu ELOG na Si I (zliczenia/sek.) (4% niedopasowania sieciowego) A B ω - ω max (sek.) płaszczyzna dyfrakcji oś obrotu kąta ω 0 A Krzywa odbić refl. 004 niezrośnięt ych pasków GaAs typu ELOG dla dwóch geometrii pomiaru płaszczyzna dyfrakcji B oś obrotu kąta ω

55 Czasem wielostudnie są bliskie ideału intensity (cps) intensity (cps) experimental experimental simulation theta (deg) 10 1 simulation Angle 2 theta (deg) (deg) Nie ma segregacji indu. d(well)=3.2 nm, d(barrier)=7.1 nm, xaverage= 3.2% 34.8

56 Czasem nie są Krzywa odbić dla GaN/InGaN MQW z rozsegregowanym indem experiment simulation intensity [a. u.] ,1 0, theta [rel. Angle (arcsec.] sec)

57 Topografia

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

59 Mikroskopia skanningowa (SEM) : Warstwa AlGaN z za dużą koncentracją Al i Mg

60 Mikroskopia sił atomowych AFM

61 Uwagi końcowe: * Wspaniałe perspektywy przed wzrostem kryształów w Warszawie * Niezwykle trudne zagadnienie poznawcze- bardzo duża ilość parametrów współzależnych do optymalizacji * Szczęście we wzroście kryształów sprzyja mądrzejszym * Potrzebna wiedza nie tylko z zakresu termodynamiki, chemii, ale i charakteryzacji kryształów i działania przyrządów elektronicznych

62 Motto na dalsze wykłady: Kryształy są jak kobiety. Defekty czynią je pięknymi.