Do czego służą studnie, druty, kropki? Jak TO działa? http://www.fuw.edu.pl/~szczytko/ Google: Jacek Szczytko Login: student Hasło: ******* Jacek.Szczytko@fuw.edu.pl Wydział Fizyki UW 2 Półprzewodniki Heterostruktury półprzewodnikowe II III IV V VI Be B C N O Mg Al Si P S Nośniki: dziury + elektrony - Domieszki: Akceptory (typ p) Donory (typ n) Zn Ga Ge As Se Cd In Sn Sb Te Grupa IV: diament, Si, Ge Grupy III-V: GaAs, AlAs, InSb, InAs... Grupy II-VI: ZnSe, CdTe, ZnO, SdS... 3 4 1
Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Studnie Druty Kropki Liquid-phase (LPE) wzrost z fazy ciekłej na podłożu w temperaturach niższych od temperatury topnienia hodowanego materiału. Półprzewodnik jest rozpuszczony w cieczy innego materiału, wzrost w warunkach bliskich równowagi roztworu i depozycji; prędkości wzrostu 0.1 to 1 μm/min. t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa Hubert J. Krenner Vapor-phase (VPE, CVD) wzrost z fazy gazowej dzięki reakcjom chemicznym prekursorów na powierzchni, często dzielony ze względu na źródłowe gazy na wodorkową VPE i metalorganiczną VPE (MOCVD); prędkości wzrostu >10-20 nm/min. Molecular-beam (MBE) Materiał źródłowy podgrzewany w komórkach produkuje strumień cząsteczek. W wysokiej próżni (10-8 Pa) cząsteczki docierają do podłoża i osadzają się na nim; prędkości wzrostu < 1 monowarstwa/s (1 μm/h). 5 6 Chemical Vapor Deposition (CVD) proces chemiczny, w którym do obszaru, gdzie znajduje się podłoże doprowadzone są jeden lub więcej prekursorów reagujących z podłożem w wyniku czego powstaje pożądany materiał. Jest to często stowarzyszone z lotnymi produktami, które usuwane są strumieniem gazu przepływającego przez komorę. (Si, SiC, SiN, dielektryki, diament syntetyczny). Proces może przebiegać w ciśnieniu normalnym lub obniżonym (wolniej, bardziej jednorodny materiał). Plasma assisted CVD Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) proces CVD reakcji chemicznych na powierzchni z zastosowaniem związków organicznych, metalorganicznych oraz wodorków metali; zachodzi z gazu pod obniżonym ciśnieniem (2-100 kpa); np. InP z trymetylu indu In(CH 3 ) 3 i fosfinu PH 3 ; główna metoda dla produkcji diod, diod laserowych, złącz fotowoltaicznych Hot-wall thermal CVD Krzem polikrystaliczny z silanu SiH 4 w reakcji: SiH 4 Si + 2 H 2 LPCVD, temperatura 600 and 650 0 C, ciśnienie 25-150 Pa, prędkość wzrostu 10-20 nm/min. 7 In(CH 3 ) 3gas +PH 3gas InP solid +3CH 4gas 8 2
Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) TurboDisc MaxBright M GaN MOCVD Multi Reactor System TurboDisc K465i Animation 9 10 Podłoże umieszczone na podgrzewanym piecykiem indukcyjnym RF graficie wewnątrz komory reakcyjnej. Typowe temperatury 500 C do 800 C. Wzrost w atmosferze wodoru i ciśnieniu 100-700 Torr. Prekursory rozkładają się w kontakcie z gorącym podłożem i tworzą warstwę. Prekursory grupy V: AsH 3 (arsin), PH 3 (fosfin), grupy III: Ga(CH 3 ) 3 Trimethylgallium (TMG), Al(CH 3 ) 3 Trimethylaluminium (TMA), In(CH 3 ) 3 trimethylindium (TMI), Domieszkowanie: SiH 4 Silane, Zn(C 2 H 5 ) 2 Diethylzinc (DEZ). Organometallic vapor phase epitaxy (OMVPE) Materials Science and Engineering, R24 (1999) 241 274 11 12 3
Reaktor Metal-Organic Chemical Vapour Epitaxy (MOCVD) w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego Quantum Well E c t D(E) E 1 E c E 0 Aixtron CCS 3x2 Heterostruktury GaInSb, AlGaInAs and AlGaN. MBE Osadzanie z atomową precyzją warstw o różnym składzie lub domieszkowaniu 2D E Hubert J. Krenner 13 14 MBE na Wydziale Fizyki UW 15 MBE na Wydziale Fizyki UW 16 4
W dzisiejszych dla otrzymywania cienkich warstw czasach często stosuje się również tanie technologie: - elektrochemiczne (elektrolityczne nakładanie metali, elektrolityczne utlenianie), - sputteringowe - naparowywania warstw. - ink-jet printing W dzisiejszych dla otrzymywania cienkich warstw czasach często stosuje się również tanie technologie: - elektrochemiczne (elektrolityczne nakładanie metali, elektrolityczne utlenianie), - sputteringowe - naparowywania warstw. - ink-jet printing Sputtering katodowy obniżone ciśnienie 10-1 -10-2 Torr gazu obojętnego przy napięcie kilkunastu kv jony dodatnie wybijają materiał katody i osadzają go na m.in. materiale podłożowym Naparowywanie warstw w próżni <10-6 Torr materiał źródłowy jest zamieniany w fazę gazową przez podgrzanie lub bombardowanie i deponuje się na m.in. materiale podłożowym polymer light emitting diode (PLED) 17 18 - ink-jet printing - ink-jet printing 19 20 5
21 22 Heterostruktury półprzewodnikowe Bandgap engineering Valence band offset Investigation of high antimony content gallium arsenic nitride gallium arsenic antimonide heterostructures for long wavelength application 23 24 6
Druty Nanotechnologia CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja 25 26 Nanotechnologia CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Studnie Druty Kropki t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa Hubert J. Krenner 27 28 7
Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Studnia Kwantowa Studnie Druty Kropki AlGaAs GaAs AlGaAs t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa E g1 E g2 E g1 Hubert J. Krenner 29 30 Studnia Kwantowa Studnia Kwantowa AlGaAs GaAs AlGaAs AlGaAs AlGaAs GaAs AlGaAs AlGaAs GaAs E g1 E g2 E g1 31 32 8
Studnia Kwantowa Studnia Kwantowa elektrony dziury 33 34 Studnia Kwantowa Studnia Kwantowa Lasery półprzewodnikowe elektrony h dziury 35 Dioda laserowa zawiera ok. 400 różnych warstw 36 9
Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Studnie Druty Kropki Studnia kwantowa Więcej: http://britneyspears.ac/lasers.htm t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa Hubert J. Krenner 37 38 Studnia kwantowa Dioda laserowa wykonana metodą MBE TEM Philips 39 Czesław Skierbiszewski UNIPRESS 10
TEM 1 micron metalizacja InGaN:Mg Sls Sls InGaN:Mg InAlGaN:Mg }3 x QW InGaN:Si GaN:Si Czesław Skierbiszewski UNIPRESS Czesław Skierbiszewski UNIPRESS Processing laserów na azotku galu Processing laserów na azotku galu Struktura laserowa po processingu Łupanie na linijki laserowe InGaN MQW oxide Metal 3-5µm Active layer oxide Pojedynczy przyrząd P. Perlin, P. Wiśniewski www.topgan.fr.pl www.topgan.fr.pl Czesław Skierbiszewski UNIPRESS 11
Lasery półprzewodnikowe są bardzo małe Szerokość kostki = 0.3 mm Montaż laserów wersja impulsowa Długość lasera = 0.5 1 mm Szerokość lasera = 0.001 0.02 mm!! (1 m 20 m) 5 mikronów IWC PAN, UNIPRESS www.topgan.fr.pl Czesław Skierbiszewski UNIPRESS Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Druty Studnie Druty Kropki t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa Hubert J. Krenner 47 48 12
Druty Druty www.ece.odu.edu/g_seminar.htm http://www.mpi halle.mpg.de/~mbe/ Photo by Peidong Yang/UC Berkeley, courtesy of Science 49 50 Druty Druty 51 52 13
Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Studnie Druty Kropki Quantum Dot t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa 53 Hubert J. Krenner Hubert J. Krenner Walter Schottky Institut and Physik Department E24, TU München 0 cgs e 0 1 X Potencjał harmoniczny Potencjał harmoniczny 2D EPITAXIAL LAYER (e.g. InAs) Energy GaAs InAs 2 12 1 InGaAs QDs GaAs 50 nm SUBSTRATE (GaAs) Island formation Time GaAs 20 nm InGaAs QDs InGaAs 0.25µm x 0.25µm TEM Defect free semiconductor clusters on a 2D quantum well wetting layer 55 5 nm GaAs TEM J.Jasiński AFM IMS-NRC 56 14
Synteza kropek kwantowych Synteza kropek kwantowych 57 http://www.icmm.csic.es/cefe/fab/synthesis.html CdSe/ZnS 1 10 nm http://www.nanopicoftheday.org/2003pics/qdrainbow.htm 58 Energia Nanotechnologia CO? Studnie, druty, kropki http://www.daystartech.com/lightfoil.cfm Cu(In,Ga)Se 2 (also called CIGS) compound semiconductor solar electricity conversion efficiency of 12.8% http://www.tfp.ethz.ch/hesc/hesc.html JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja 59 60 15
Nanotechnologia Top down CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja Vincent Laforet/The New York Times 61 62 Focus Ion Beam http://qt.tn.tudelft.nl/research/qdots/ 2µm Nano Tech Web [ S. Kawata et al., Nature 412, 697 (2001) ] 7µm (3 hours to make) = 780nm resolution = 150nm JEM 9320 Focused Ion Beam System http://www.norsam.com/ 63 64 16
Focus Ion Beam Focus Ion Beam http://www.fei.com/products/fib/vion/ 65 66 Focus Ion Beam Focus Ion Beam 67 68 17
Focus Ion Beam Focus Ion Beam 69 70 Focus Ion Beam Focus Ion Beam 71 72 18
Focus Ion Beam 1. Dominuje technologia krzemowa 2. Obecne układy ~ 10 9 10 10 tranzystorów 3. Podłoża 300mm, ~ 10 3 chipów 4. Fotolitografia, naświetlanie, trawienie etc 5. Typowo ~20 masek, 150 200 kroków procesów 73 74 Maszyna do technologii Step and Repeat Aligner (Stepper) UV light source Shutter Alignment laser Shutter is closed during focus and alignment and removed during wafer exposure Reticle (may contain one or more die in the reticle field) Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05 Processing_Technology Single field exposure, includes: focus, align, expose, step, and repeat process Projection lens (reduces the size of reticle field for presentation to the wafer surface) Wafer stage controls position of wafer in X, Y, Z, 75 76 Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05 Processing_Technology 19
Unexposed resist remains crosslinked and PAGs are inactive. UV Resist exposed to light dissolves in the developer chemical. Photoresist Oxide 1) STI etch 2) P-well implant 3) N-well implant 4) Poly gate etch Substrate Exposed Unexposed PAG H + PAG PAG PAG PAG Acid-catalyzed reaction Pre-exposure (during PEB) Post-exposure + CA photoresist + CA photoresist H + H + Unchange d Post-develop + CA photoresist 77 Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05 Processing_Technology PAG PAG PAG PAG 5) N + S/D implant 6) P + S/D implant7) Oxide contact etch Resulting layers 4 2 1 5 8) Metal etch 78 Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05 Processing_Technology Top view 6 3 7 8 Cross section 1997 2006 http://electroiq.com/chipworks_real_chips_blog/author/insights from leading edge/ 79 Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05 Processing_Technology 80 Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05 Processing_Technology 20
2006 81 Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05 Processing_Technology 82 Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05 Processing_Technology Litografia Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc. http://www.microscopyu.com/ Litografia 83 84 Źródło: Intel 21
Litografia Litografia 85 Źródło: Intel 86 Źródło: Intel Litografia Litografia 87 88 22
Litografia imersyjna Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc. http://www.microscopy.fsu.edu/ Litografia Intel, 2003 Intel 2005 89 Litografia 90nm 65nm 45nm 32nm Produkcja 20032005 2007 2009 90 Litografia Litografia Natężenie Natężenie k 1 Położenie 91 Położenie 92 23
Litografia Litografia OPC Optical Proximity Corrections 93 94 Litografia OPC Optical Proximity Corrections Litografia OPC Optical Proximity Corrections 95 96 24
Litografia Litografia imersyjna 97 98 Litografia imersyjna Litografia imersyjna Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc. Airy disks 99 http://www.smalltimes.com/articles/stm_print_screen.cfm?article_id=260007 100 25
Litografia imersyjna Litografia imersyjna http://www.almaden.ibm.com/st/chemistry/lithography/immersion/resist_development/ http://www.microelectronics.be/wwwinter/mediacenter/en/sr2005/html/142296.html 101 102 Litografia imersyjna Inne 103 26
Litografia 3D Litografia 3D Lasery ekscymerowe 2 h = E 2-photon probability ~ (light intensity) 2 N-photon probability ~ (light intensity) N h photon photon h e E 0 Photonic Crystals:Periodic Surprises in Electromagnetism Steven G. Johnson MIT 3d Lithography Electron microscope image of the world's smallest guitar, based roughly on the design for the Fender Stratocaster, a popular electric guitar. Its length is 10 millionths of a meter approximately the size of a red blood cell and about 1/20th the width of a single human hair. Its strings have a width of about 50 billionths of a meter (the size of approximately 100 atoms). Plucking the tiny strings would produce a high pitched sound at the inaudible frequency of approximately 10 megahertz. Made by Cornell researchers with a single silicon crystal, this tiny guitar is a playful example of nanotechnology, in which scientists are building machines and structures on the scale of billionths of a meter to perform useful technological functions and study processes at the submicroscopic level. (Image courtesy Dustin W. Carr and Harold G. Craighead, Cornell.) Atom lens dissolve unchanged stuff (or vice versa) some chemistry (polymerization) Litografia 3D [ S. Kawata et al., Nature 412, 697 (2001) ] = 780nm resolution = 150nm Nanotubes as molecular quantum wires 7µm (3 hours to make) 2µm 108 27
Nanotechnologia Bottom up CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja 109 110 Synteza kropek kwantowych Synteza kropek kwantowych 111 http://www.icmm.csic.es/cefe/fab/synthesis.html CdSe/ZnS 1 10 nm http://www.nanopicoftheday.org/2003pics/qdrainbow.htm 112 28