Zastosowanie struktur epitaksjalnych półprzewodników na świecie i w Polsce

Transkrypt

1 Zastosowanie struktur epitaksjalnych półprzewodników na świecie i w Polsce Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN (UNIPRESS) i TopGaN Wykład

2 Plan wykładu 1. Porównanie wartości produkcji różnych pólprzewodników 2. Metoda MBE i MOVPE 3. Przyrządy: tranzystor, dioda LED, laser, detektor 4. Struktury Si:Ge 5. Struktury (AlGaIn)(AsP) (III-V) 6. Struktury (AlGaIn)N (III-N) 7. Struktury II-VI 8. Homoepitaksja SiC (+grafen) 2

3 Rynki GaN

4 Molecular Beam Epitaxy MBE

5 Appropriate other meaning s of MB E Mos tly B roken Equipment Mas s ive B eer Expenditures Maniac B loods ucking Eng ineers Meg a-b uck Evaporator Many B oring Evening s (how do you think this lis t came about? ) Minimal B abe Encounters (s ee previous item) Mainly B.S. and Exag g eration Medieval B rain Extractor Money B uys Everything Make B elieve Experiments Manag ement B ulls hits Everyone Malcontents, B oobs, and Eng ineers Mus ic, B eer, and Excedrin

6 MOVPE-Metalorg anic C hemical Vapour Phas e Epitaxy Reflektometria laserowa In-situ nośny) podłoże grzanie indukcyjne Wlot grupy III TMGa TMAl TMIn Cp2Mg Gaz nośny grafitowa podstawa pokryta SiC A(CH3)3+NH3->AN+3CH4 A= Ga, In, Al

7 HEMT (High Electron Mobility Transistors), także sensory gazów i cieczy gat e s o u r ce m e t a l (e.g. a lu m in u m ) o h m ic t Sch o t t k y d io d e o h m ic n -A lg a A s b δ i-a lg a A s i-g a A s In s u la t in g s u b s t r a t e 2 D EG d r a in

8 Diody elektrolumines cencyjne LE D + G an:mg 100nm Al0.20G an:mg 60nm 4QW QW InX G a1-x N/QB InYG a1-yn:s i In0.02G an:s i 50nm Al0.16G an:s i 40nm G an:s i 50 0 n m -

9 Diody laserowe

10 Detektory światła

11 Ogniwa słoneczne

12 Si-Ge

13 Przykład przyrządu Si-Ge

14 (AlGaIn)(AsP)

15 AlGaAs/GaAs Dobre dopasowanie sieciowe Róznica między AlAs and GaAs.14% Duża różnica w przerwie energetycznej for x<0.45 Eg x Eg x ( x 0.45) 2 for higher x values Duża ruchliwość elektronów 8000 cm2/v-s i dziur 380 cm2/v-s ( bez rozpraszania na domieszkach)) Podłoża GaAs

16 InGaAs/InP Wyższa ruchliwość elektronów (13,000 cm2/v-s) 1.6 razy większa niż w GaAs i 9 razy większa niż Si (czyste materiały) Mniejsza przerwa energetyczna (mniejsze napięcia przełączania) Lepsza przewodność termiczna Podłoża InP droższe i gorsze

17 Główne zastosowania (AlGaIn)(AsP) 1. Tranzystory wysokich częstości 2. Czerwone i podczerwone diody laserowe 3. Ogniwa słoneczne 2012 około 6 mld USD Polska nic nie produkuje (chyba) i nie ma nadziei, że będzie.

18 A była na to szansa... Muzeum zamiast Laboratorium Fizyki Wzrostu Kryształów, ruiny zamiast fabryki

19 Może z azotkami będzie lepiej... Prof. S ylwes ter Porows ki Ojciec chrzes tny pols kich półprzewodników azotkowych

20 Połprzewodniki azotkowe- (AlGaIn)N 20

21 Dominacja japońska od samego początku Amano i Akasaki (Meijo University) Producenci LD 405 nm: Nichia Sony Sanyo Sharp Matsushita Shuji Nakamura (Nichia) First commercial blue LEDs First LDs 21

22 BluRay (405 nm) Białe LED-y Wielomiliardowy rynek przewyższający przyrządy na GaAs 22

23 Mieszanie trzech kolorów RGB 23

24 Za chwilę: Telewizja laserowa 450 nm bliskie masowej produkcji (Osram, Nichia) Mitsubishi, 65 inch 520 nm- zademonstrowano w kilku firmach 24

25 Za chwilę: Rail Traction 25

26 Lasery GaN-owe p- doping InGaN QWsIn-segregation, electric built-in fields AlGaN- cladding, lattice mismatch Bulk GaN substrate 26

27 Problemy do rozwiązania Zielony dół electrons holes Segregacja indu w InGaN Niedopasowanie sieciowe Droop Domieszkowanie na typ p Pola elektryczne i wiele innych!!! 27

28 Podłoża GaN 28

29 Jakość podłoża GaN decydująca dla wielu zastosowań S. Uchida et al. Sony Shiroishi Semicond. Inc IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics 9, no 5, (2003)1252. Our data Dla sensorów elektronicznych gęstość dyslokacji najprawdopodobniej też bardzo29

30 S UMITOMO- niekwes tionowany lider podłoży G an

31 S ytuacja na ś wiecie w krys talizacji G an Technolog ia HVPE 1. S umitomo Electric Indus try krys talizacja na G aas n=5x1018 cm-3 TDD=5x104 cm-2 R -płas kie

32 S ytuacja na ś wiecie w krys talizacji G an Technolog ia HVPE 2. Hitachi C able, Furukawa, S aint G obain krys talizacja na s zafirze-technolog ia VAS 2, 3 i 4 HVPE-G an n<1x1018 cm-3 TDD=5x106 cm-2 R =1-10 m Y. Oshima et al. Jpn. J. Appl. Phys. V. 42 (2003)

33 Metoda amonotermalna n-type do 2x1019 cm-3 p-type, R. Doradziński, et al. in Technology of Gallium Nitride Crystal Growth, Springer-Verlag, Heidelberg, 2010, pp s emi-ins ulating, TDD=5x104 cm-2

34 HVPE + HNP combined method of TopGaN + Hydride Vapour Phase Epitaxy: High Nitrogen Fast growth, large dimensions Pressure Overgrowth 34

35 G an s ubs trates from Multi-feed-s eed-method 10 kbar, 1600oC, g rowth from N s olution in G a nowo wzrośnięty HNPS-GaN t= h a b T c 1.5 inch HNPS-GaN 330 µm

36 LD 405 nm Producent Jthr Vthr 2-3 ka/cm V State of the art (Nichia, Sony, Samsung) Unipress TopGaN 2-4 ka/cm V ηdiff W/A W/A 36

37 Single stripe devices in 5.6 mm package Diody laserowe TopGaN 405 nm mają już dobre parametry, ale koszty produkcji zbyt wysokie na produkcję- potrzeba innych, bardziej zaawansowanych produktów

38 COMD efekt degradacji 2 Output power density (MW/cm ) 100 2µ m µ m 50 µ m mw 2W 6W 12 W µ m Output power (W) All Bluray LDs <2µm to have single mode emission 200 mw maximum 38

39 Matryce laserowe dlaczego? Optical power (arb. units) 1. Większa moc całkowita korzystniejsze własności 3. termiczne niż lasery szerokopaskowe µ m - pulse 50 µ m - pulse 50 µ m CW 20 µ m CW current density (ka/cm ) Lasery szerokopaskowe mają tendencję do przegrzewania się w pracy i filamentacji CW

40 Mini matryce a y 3,0 rs e it t 3 it t e r e m 2,0 1,0 a n g rr a le y e m 1,5 m itt e rs si e e 0,5 fiv O p t i c a l p o w e r (W ) a rr 2,5 0, c u r r e n t (A ) Nitride laser diodes, Jaszowiec-Krynica

41 4 W las er diode array

42

43 Półprzewodniki II-VI (HgCdZnMn)(TeSeS) Przerwa energetyczna od 0 do uv Kłopoty ze stechiometrią Zbyt łatwa generacja defektów Polska firma VIGO- jedna z bardzo niewielu produkująca przyrządy na bazie II-VI Detektory IR z firmy VIGO- sukcesy w zastosowaniach cywilnych, kosmicznych i wojskowych

44 Epitaksja SiC 6 calowe podłoża wprowadzane do produkcji CREE, SiCrystal, TankeBlue, Wartość produkcji przyrządów SiC-owych: ok. 0,3 mld USD, ale 5 mld USD w 2022! Polska firma EpiLab (spin-off z ITME): warstwy SiC bardzo dobrej jakości grafen

45 O P T Y M IZ M u r z ąd z e n ia d o e p ita k s ji w P o ls c e o k. 30 N o w e L a b o r a t o r ia : C E Z A M A T, C E N T N a d z ie ja n a r o z w ó j fir m A m m o n o, T o p G a N, V IG O i n o w y c h...

46