Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów 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 wtorek 9.15 11.00 Interdyscyplinarne Centrum Modelowania UW Budynek Wydziału Geologii UW sala 3089 http://www.icm.edu.pl/web/guest/edukacja http://www.unipress.waw.pl/~stach/wyklad_ptwk_2010
Wzrost kryształów objętościowych półprzewodników na świecie i w Polsce Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN UNIPRESS i TopGaN Wykład 5 października 2010
Instrukcja postępowania dla crystalgrowera: Znaleźć odpowiedzi na pytania: Jaki kryształ warto hodować i dlaczego? Jak go wyhodować? Jak go scharakteryzować? Komu można go sprzedać?
Czego powinien nauczyć się crystal-grower? 1. Termodynamiki 2. Fizyki powierzchni 3. KUCHNI!!!!! 4. Fizyki defektów 5. Metod charakteryzacji
Przykładowe pytania do zadawania wykładowcom Jak zmienia się entalpia przy syntezie Ga+As= GaAs? Jak zmienia się prędkość wzrostu kryształu w zależności od dezorientacji zarodka (podłoża)? Dlaczego kryształ krzemu można wyhodować o średnicy prawie 400 mm, a innych kryształów nie? Dlaczego jedne atomy zanieczyszczeń się wbudowują w kryształ, a drugie wręcz przeciwnie? Jak można zmierzyć ilość wakansów w krysztale? I setki innych!!!! ZADAWAJCIE JE KONIECZNIE!!!!
Plan wykładu Po co nam kryształy półprzewodników? Wzrost kryształów z roztopu (Si, GaAs) Wzrost kryształów z roztworu (GaN) Wzrost kryształów z fazy gazowej (GaN) Defekty w kryształach (charakteryzacja)
Dokąd zmierza świat? Szybkość przetwarzania informacji Szybkość przesyłania informacji Detekcja materiałów biologicznych i chemicznych- diagnozy medyczne, środowiska, i in. Nowe terapie medyczne Produkcja i oszczędzanie energii Przykłady związane z GaN na następnych slajdach:
Ultragęsty zapis informacji HD DVD (kilkadziesiąt t Gigabajtów)
Ultragęsty zapis informacji: holografia (Terabajty)
Spintronika- informacja przenoszona za pomocą spinu x Mn = 0.05, p = 3.5x10 20 cm -3 T.Dietl. et al., Science 00, PRB 01
Przyrządy na przejściach międzypasmowych (intrasubband) E 2 E 1 H 1 Intersubband transition is fast <1 ps Interband recombination is slow ~1 ns Laser kaskadowy
Sensory materiałów biologicznych (i nie tylko) + + + + - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Oświetlenie za pomocą diod LED
Oświetlenie diodowe
Ogniwa słoneczne
1. Co to znaczy kryształ? Struktura monokrystaliczna Struktura amorficzna polikrystaliczna
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 Ma możliwość regulacji przerwy energetycznej przy zmienianym składzie. Łatwiej uzyskać gładkie interfejsy w strukturach warstwowych Niemal wszystkie półprzewodnikowe przyrządy elektroniczne i optoelektroniczne są wykonywane na materiałach krystalicznych.
Półprzewodnikowe kryształy objętościowe (prywatne oszacowania) Cena za cm2 (Euro) Produkcja na świecie (mln Euro) Procent w Polsce (%) Krzem 0.2 10-15 000 0.1 (Cemat Silicon) GaAs 5 1 000 - GaN 500-1000 5-50 0.1-1 (TopGaN, Ammono)
ZnO
Związki II-VI: ZnO, (ZnCdHgMg)(SSeTe) Bardzo pożądane, bo: - Przerwa energetyczna zmienna w dużym zakresie, - Łatwość domieszkowania Mn, Fe- spintronika Ale: - Dużo defektów strukturalnych (punktowych i rozciągłych) generowanych podczas wzrostu i pracy przyrządów
Laboratorium Wzrostu Kryształów Modelowanie teoretyczne Wzrost Obróbka powierzchni Charakteryzacja
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
KRZEM
SiO 2 +2C Si +2 CO (1500-2000 o C) 98% purity (MG Si) Si+3HCl SiHCl 3 +H 2 (BCl 3, FeCl 3, itp., usunięte przez destylację) SiHCl 3 +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/cm 2 10000/cm 2 1000/cm 2 100/cm 2 20/cm 2
GaN
Zastosowania GaN
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 niki elektryczne Zwiększaj kszają dyfuzję Rekombinują nieradiacyjnie Niska moc Gorsza efektywność Krótszy czas życia
Kryształy GaN wzrastane w wysokim ciśnieniu (HP) p=10 000 atm., T= 1500 o C Objętość: 4.5 litra Czas wzrostu: 100-200 godz. Technologia opatentowana
Jak rosną kryształy GaN?
Własności kryształów w GaN Bardzo mała gęstość dyslokacji Przygotowanie powierzchni Polerowanie Trawienie mokre Trawienie jonowe 10 100 cm -2 RMS=1 nm Grubość 50-120 µm
Wysokociśnieniowe HP kryształy y GaN Z każdego kryształu 200-300 niebieskichj laserów Gęstość dyslokacji 0-10 na laser wielkość ść: : do 0.5 cala Do zastosowań w laserach dużej mocy
HVPE w CBW PAN HCl(g) + Ga(l) GaCl(g) + 1/2H2 GaCl(g)+NH3(g) = GaN(s)+HCl(g)+H2 Gal Linia HCl Linia NH3 Susceptor obrotowy 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,, grubość ść2-4 4 mm Na HP GaN Gęstość dyslokacji 10 5 cm -2 Gęstość dyslokacji 10 6 cm -2
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
Wysokoćiśnieniowy wzrost PENDEO (zawieszony) Gęstość dyslokacji: 10 8 cm -2 10 6 cm -2
Łączona metoda HP i HVPE Gęstośc dyslokacji: 1-10 na laser + Size: do 2 cali Unikalny produkt Do laserów średniej mocy
Jak sobie radzą inni? ELOG: 5-75 µm stripes Sumitomo: : 300 µm m (???) Dislocation density 10 6 cm -2
Motto dla każdego crystal-growera: Kryształy są jak kobiety. Defekty czynią je pięknymi.
Defekty sieci krystalicznej Rozciągłe (extended defects) punktowe (point defects)
Dyfrakcja rentgenowska!!! HR XRD Krzywa odbić Rocking curve
Topografia
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
Życzenia: Na wzroście kryształów można się nieźle wzbogacić. W Polsce już trzecie pokolenie zmarnowało swoje szanse (mimo, że kilka firm High- Tech ostatnio powstało) Niech czwarte nie naśladuje poprzedników!!!