Fizyka i technologia wzrostu kryształów Wykład.1 Wzrost kryształów objętościowych półprzewodników na świecie i w Polsce Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN 01-142 Warszawa, ul Sokołowska 29/37 tel: 88 80 244 e-mail: stach@unipress.waw.pl, mike@unipress.waw.pl Zbigniew Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN 02-668 Warszawa, Al. Lotników 32/46 E-mail: zytkie@ifpan.edu.pl Wykład 2 godz./tydzień czwartek 11.00 13.00 http://www.ptwk.org.pl
Wzrost kryształów objętościowych półprzewodników na świecie i w Polsce Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN UNIPRESS i TopGaN Wykład w Instytucie Fizyki PAN, 6 10 2005
Inspiracja do wykładu Jan Czochralski- polski geniusz wzrostu kryształów i nie tylko Książka wydana przez mojego Tatę w roku mojego urodzenia
Plan wykładu Po co nam kryształy półprzewodników? Laboratorium wzrostu kryształów/ warstw epitaksjalnych Krzem- wzrost ze stopu Arsenek galu- wzrost ze stopu Azotek galu- wzrost z roztworu lub fazy gazowej
Warunki topnienia półprzewodników crystal Si GaAs GaP GaN Melting T, o C 1400 1250 1465 2225225 P at melting bar <1 1.5 3.0 60 000
1. Po co nam kryształy półprzewodników? Struktura monokrystaliczna Struktura amorficzna polikrystaliczna
Kryształy półprzewodników się przydają... Np., GaN
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
Półprzewodnikowe kryształy objętościowe (prywatne oszacowania) Cena za cm2 (Euro) Produkcja na świecie (mln Euro) Procent w Polsce (mln Euro) (%) Krzem 0.2 10-15 000 0.1 (Cemat Silicon) GaAs 5 1 000 - GaN 500-1000 5-50 0.1-1 (TopGaN, Ammono)
Co jest ważne w krysztale podłożowym? Wielkość Defekty Punktowe: zanieczyszczenia, wakanse, atomy międzywęzłowe, Rozciągłe: dyslokacje, wydzielenia, aglomeraty, błędy ułożenia, itp.. Powierzchnia
Laboratorium Wzrostu Kryształów Modelowanie teoretyczne Wzrost Obróbka powierzchni Charakteryzacja
Dyfrakcja rentgenowska!!! HR XRD Krzywa odbić Rocking curve
Topografia
Badanie naprężeń Pomiar 2theta/omega Parametry sieci mierzone w różnych kierunkach
Trawienie selektywne defektów, EPD Ujawnianie defektów, koncentracji nośników elektrycznych, polarności
Wysokorozdzielcza transmisyjna mikroskopia elektronowa (HRTEM) Wizualizacja poszczególnych defektów, składu chemicznego i naprężeń
Pomiary elektryczne = V I x 2πs (hms-cm) Constant current source I R Voltmeter V Koncentracja nośników Ich ruchliwość Wafer
Pomiary optyczne Informacja nt składu warstw, grubości, defektów
KRZEM
SiO2+2C Si +2 CO (1500-2000oC) 98% purity (MG Si) Si+3HCl SiHCl3 +H2 (BCl3, FeCl3, itp., usunięte przez destylację) SiHCl3 +H2 Si +3HCl Si polikrystaliczny 11N
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
Wzrost kryształu krzemu 10-50 mm/h kwarcowy reaktor źródłem tlenu
Tlen!!!!
Electromagnetic Czochralski EMCz
Float Zone proces do krystalizacji lub/i oczyszczania materiału
Proces Float zone: domieszki i inne zanieczyszczenia nie wbudowują się w rekrystalizowany materiał. Można tego rodzaju oczyszczanie robić kilka razy.
Obróbka kryształu Figure 4.20
Cięcie na plasterki (wafle-wafers)
Trawienie chemiczne dla usunięcia zniszczeń powierzchni i zanieczyszczeń Figure 4.25
Wymiary wafli krzemowych Diameter (mm) Thickness (µm) Area (cm 2 ) Weight (grams/lbs) Weight/25 Wafers (lbs) 150 675 ± 20 176.71 28 / 0.06 1.5 200 725 ± 20 314.16 53.08 / 0.12 3 300 775 ± 20 706.86 127.64 / 0.28 7 400 825 ± 20 1256.64 241.56 / 0.53 13 Table 4.3
Ilość procesorów 1.5 cm x 1.5 cm 2 88 die 200-mm wafer 232 die 300-mm wafer Figure 4.13
Polerowanie
Trochę inżynierii defektowej
Backside Gettering oczyszczanie krzemu Polished Surface Backside Implant: Ar (50 kev, 10 15 /cm 2 ) Argon amorfizuje tylnią część wafla krzemowego. Następnie wygrzewanie w 550 o C, powoduje rekrystalizację, powstanie mikropęcherzyków argonu, do których dyfundują zanieczyszczenia (głównie metale). Jednocześnie powstają wydzielenia tlenowe, obniżając ilość tlenu przy powierzchni.
GaAs
GaAs device market 4000 3500 3000 USD Millions 2500 2000 1500 1000 500 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 year Strategies Unlimited
GaAs substrate market 900 800 700 600 USD Millions 500 400 300 200 100 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 year
Horizontal Bridgeman
Dyslokacje w GaAs LEC VCz VGF Un VGF Si(q) VGF Si(pBN) 100000/cm2 10000/cm2 1000/cm2 100/cm2 20/cm2
GaN
Oświetlenie
Rynek azotkowych diod UHB ultra high brightness Sales / $ billion 1.2 > 20% p.a. 1.8 4.0 3.0 2002 forecast '01 '02 '06e
Inne zastosowania GaN Diody laserowe Sensory Detektory UV Tranzystory wysokiej mocy, wysokiej częstości
Dyslokacje: Rozpraszają światło Rozpraszają nośniki elektryczne Zwiększają dyfuzję Rekombinują nieradiacyjnie Niska moc Gorsza efektywność Krótszy czas życia
Kryształy GaN wzrastane w wysokim ciśnieniu (HP) 10 000 atm., 1500 o C Objętość: 4.5 liters Czas wzrostu: 100-200 h Technologia opatentowana
Jak rosną kryształy GaN?
Własności kryształów gan Bardzo mała gęstość dyslokacji Przygotowanie powierzchni Polerowanie Trawienie mokre Trawienie jonowe 10 100 cm -2 RMS=1 nm Grubość 50-120 µm
Wysokoćiśnieniowy wzrost PENDEO (zawieszony) Gęstość dyslokacji: 10 8 cm -2 10 6 cm -2
HVPE w CBW PAN HCl(g) + Ga(l) GaCl(g) + 1/2H 2 GaCl(g)+NH 3 (g) = GaN(s)+HCl(g)+H 2 Gal Susceptor obrotowy Linia HCl Linia NH 3 Bolek Łucznik & P. Hageman, grudzień 2002
Warunki procesu HVPE Układ podstawowy GaCl Gal 1. Geometria układu 2. Podłoże 3. Przepływy i stężenia HCl i NH 3 4. Temperatura wzrostu 5. Gaz nośny 6. Temperatura syntezy GaCl susceptor NH 3 Układ zmodyfikowany
HVPE Szybkość wzrostu do 500 µm/h Na szafirze 1 inch,, grubość2-4 4 mm Na HP GaN Gęstość dyslokacji 10 5 cm -2 Gęstość dyslokacji 10 6 cm -2
Wysokociśnieniowe HP kryształy GaN Z każdego kryształu 200-300 niebieskichj laserów Gęstość dyslokacji 0-10 na laser wielkość: do 0.5 cala Do zastosowań w laserach dużej mocy
2-calowe kryształy wzrastane metodą HVPE Gęstość dyslokacji 10100 na laser Wielkość do 2 cali Jakośc zbliżona do trzech innych producentów na świecie Do produkcji masowej laserów małej mocy
Łączona metoda HP i HVPE + Gęstośc dyslokacji: 1-101 10 na laser Size: : do 2 cali Unikalny produkt Do laserów średniej mocy
Processing Struktura laserowa Łupanie Pojedyńczy chip
Motto na dalsze wykłady: Kryształy są jak kobiety. Defekty czynią je pięknymi.