Fizyka i technologia wzrostu kryształów

Transkrypt

1 Fizyka i technologia wzrostu kryształów Wykład.2 Epitaksja warstw półprzewodnikowych Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN Warszawa, ul Sokołowska 29/37 tel: stach@unipress.waw.pl, mike@unipress.waw.pl Zbigniew Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN Warszawa, Al. Lotników 32/46 zytkie@ifpan.edu.pl Wykład 2 godz./tydzień czwartek

2 EPITAKSJA WARSTW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN i TopGaN W-wa 13 października 2005

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

4 Reaktory do epitaksji związkow półprzewodnikowych w Polsce (MBE, MOVPE, HVPE) Unipress/ TopGaN ITME Azotkowe W Inne półprzew Razem W Inne instytucje Cała Polska

5 Plan Zastosowania struktur warstw epitaksjalnch Metody wzrostu warstw: MOVPE i MBE Problem niedopasowania sieciowego Wzrost studni kwantowych Domieszkowanie

6 I. Zastosowania struktur warstw epitaksjalnych Diody elektroluminescencyjne LED Diody laserowe LD Tranzystory i sensory Detektory światła Ogniwa słoneczne

7 Diody elektroluminescencyjne LED GaN:Mg 100nm Al 0.20 GaN:Mg 60nm 4QW QW In X Ga 1-X N/QB In Y Ga 1-Y N:Si In 0.02 GaN:Si 50nm Al 0.16 GaN:Si 40nm GaN:Si 500nm

8 Diody laserowe p-gan AlGaN/p-GaN A / 86 A ) * 25 p-gan n-gan GaN/GaN.11 A/ 25 A )*98 InGaN:Si/InGaN 0.5%9 MQW (100 A/ 30 A) * 5 N:Si GaN:Si bulk n-gan

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

10 Detektory światła Ni/Au Ti/Al GaN:Mg p-algan In Ga N/GaN x 1-x GaN:Si GaN Buffer Sapphire

11 Ogniwa słoneczne

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

13 Zasada działania MBE

14 MBE

15 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

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

17 RHEED

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

19 TEM struktury laserowej wzrastanej metodą MBE 10 nm

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

21 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

22 MOVPE Układ gazowy Reaktor

23 Wielowaflowe (multiwafer) reaktory MOVPE

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

25 Wbudowywanie się In w InGaN w zależności od przepływu TMI

26 Wbudowywanie się In w InGaN w zależności od temperatury

27 III. Problem niedopasowania sieciowego Homoepitaksja Heteroepitaksja Przypadek warstw naprężonych Przypadek warstw zrelaksowanych

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

29 Homoepitaksja Warstwa tego samego związku, co podłoże, może być niedopasowana sieciowo na poziomie ok %

30 Rozepchnięcie sieci przez swobodne elektrony E= f (V) + n* Ec de/dv= HP GaN a = a0+ n* Vd c(a) HVPE n(10 19 cm -3 )

31 Rozepchnięcie sieci przez swobodne elektrony

32 EL2-like defects LT GaAs GaAs 300 K 77 K dark 77 K nm nm Or +140 K

33

34 Jak stwierdzamy, czy warstwa jest zrelaksowana?

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

36 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

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

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

39 EPD w strukturze epitaksjalnej niebieskiego lasera 10 5 cm µm 20 µm m LD pasek Około 5 dyslokacji na pasek, w tym 0-10 przecinających warstwę aktywną

40 EPD- informacja gdzie się dyslokacja zaczyna 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 Pod warstwą aktywną

41 EPD- informacja gdzie się dyslokacja zaczyna 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 Nad warstwą aktywną

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

43 Lateralna epitaksja (ELOG-Lateral Epitaxial Overgrowth) jamki trawienia okno wzrostu ELOG maska dyslokacje w warstwie buforowej bufor szafir Model filtrowania dyslokacji w układach warstwowych o dużym niedopasowaniu sieciowym bufor GaN/szafir: gęstość dyslokacji przenikających ELOG cm cm -2

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

45 Dla ultrafioletowych laserów nie ma szans obyć się bez dyslokacji w technologii planarnej dislocations critical thickness (nm) cracking mismatch (%)

46 Zróbmy defekty tylko tam, gdzie nie ma paska laseroweg AlN AlN-fully relaxed Type n Type p AlN Dyslokacje zatrzymują pękanie i zmniejszają wygięcie

47 AlGaN-owa warstwa na GaN Zwyczajne podłoże Z maską AlN Over AlN mask Pęknięcia Bez takowych

48 Struktura laserowa na pasiastym podłozu Nie ma dyslokacji Dyslokacje: cm -2 nad maską AlN

49 IV. Studnie kwantowe Skład studni i bariery Szybkość wzrostu, temperatura, itp.. Czas zatrzymania wzrostu na międzypowierzchni Granica ostra albo rozmyta Może lepsze kropki kwantowe zamiast studni

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

51 Czasem nie są Krzywa odbić dla GaN/InGaN MQW z rozsegregowanym indem experiment simulation intensity [a. u.] ,1 0, Angle(arcsec) 2theta [rel. sec.]

52 Jak badamy gładkość międzypowierzchni? Reflektometrią rentgenowską. RMS 1A RMS 20A

53 Reflektometrią też badamy grubość cienkich warstw 60 nm Ni on Si 10 nm Au 60 nm Ni on Si

54 Przykład badań: studnie InGaN QW samples Sample b1093: narrow (3 nm) QWs sample Q3 Sample b1045: wide (9 nm) QWs sample Q9 GaN capping, 20 nm MOCVD n-gan 5x [(3 nm or 9 nm In 0.09 Ga 0.91 N QW) / 9 nm GaN QB, [Si] = cm -3 ] Bulk n-gan

55 Fotoluminescencja E E (ev) Q3 Q9 Różnice Q3 and Q9: 1. Q3 ma S-shape, Q9 nie ma FWHM (ev) Intensity (a.u.) Q Q Q Q Temperature (K) 2. PL intensywność Q9 jest (i) wyższa (ii) Mniej zmienia się z temperaturą. 3. FWHM dla Q3 jest większa niż dla Q9.

56 Mapowanie katodoluminescencji CL peak energy (ev) CL peak energy (ev) T=6 K sample Q T=6 K sample Q Position (µm) Position (µm)

57 Wbudowywania indu w InGaN QW In content in QW [%] Gruba QW więcej In ale λ taka sama Mniejsza segregacja dqw [A]

58 V. Domieszkowanie Donory np. Si, O w GaAs, GaN, InP (III-V) Akceptory, np.. Be w GaAs, Mg w GaN Autokompensacja Kompensacja zanieczyszczeniami Tworzenie par, trójek i większych kompleksów Tworzenie defektów rozciągłych.

59 Warstwa AlGaN z za dużą koncentracją Al i Mg

60 TEM struktury laserowej z za dużą koncentracją domieszki Mg

61 Czego warto nauczyć się o epitaksji w dalszym ciągu wykładu? Zjawiska na powierzchni półprzewodnika w czasie wzrostu, Mechanizmy relaksacji sieci, Od czego zależą własności optyczne i elektryczne półprzewodnikowych struktur kwantowych, I wielu innych rzeczy...