Wzrost kryształów objętościowych i warstw epitaksjalnych- informacje wstępne Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN UNIPRESS i TopGaN
Plan wykładu Laboratoria wzrostu kryształów w Warszawie Po co nam kryształy półprzewodników? Podłoża, np., Si Epitaksja MBE Epitaksja MOVPE Charakteryzacja kryształów
Firmy w Warszawie CEMAT-SILICON- spin-off z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, kryształy krzemu Ammono absolwenci UW+Nichia, kryształy podłożowe GaN TopGaN- spin-off z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN, kryształy podłożowe GaN, epitaksja (AlGaIn)N, diody laserowe Vigo- spin-off z Wojskowej Akademii Technicznej, epitaksja HgCdTe, detektory podczerwieni EpiLab- spin-off z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, epitaksja IIIV, SiC, grafen
Nagroda dla Ammono za podłoża GaN- CSEurope 2012
Laboratoria w Warszawie Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych GaN, GaAs, InP, SiC, kryształy tlenkowe, i in., kryształy objętościowe i epitaksja Instytut Wysokich Ciśnień PAN- GaN, kryształy objętościowe i epitaksja Instytut Fizyki PAN- kryształy tlenkowe, II-VI, GaN, i in., kryształy objętościowe i epitaksja Wydział Fizyki UW- epitaksja III-V i GaN Wydział Fizyki PW- epitaksja III-V Instytut Technologii Elektronowej epitaksja III-V
W 2012 w Warszawie: Działa około 100 reaktorów do wzrostu kryształów objętościowych Około 25 reaktorów epitaksjalnych Zatrudnionych bezpośrednio przy wzroście kryształów jest ok. 400 osób + 400 przy charakteryzacji 4 wspomniane firmy przynoszą dochód ok. 30 mln Eur rocznie 2020- co najmniej 2 razy więcej
Nowe laboratoria w Warszawie Centrum Zaawansowanych Materiałów, Politechnika, IWC PAN, IF PAN CEZAMAT Centrum Nowych Technologii UW CENT
Kryształy półprzewodników się przydają... Np., GaN
Ciało stałe może mieć strukturę: Monokrystaliczną amorficzną polikrystaliczną
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
Co jest ważne w krysztale podłożowym? Wielkość Defekty Punktowe: zanieczyszczenia, wakanse, atomy międzywęzłowe, Rozciągłe: dyslokacje, wydzielenia, aglomeraty, błędy ułożenia, itp.. Powierzchnia
Wzrost podłoża, na przykład, objętościowego kryształu krzemu
SiO2+2C Si +2 CO (1500-2000oC) 98% purity 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
Obróbka kryształu Figure 4.20
Cięcie na plasterki (wafle-wafers)
Trawienie chemiczne dla usunięcia zniszczeń powierzchni i zanieczyszczeń Figure 4.25
Ilość procesorów 1.5 cm x 1.5 cm2 88 die 200-mm wafer 232 die 300-mm wafer Figure 4.13
Polerowanie
Wzrost epitaksjalny, na przykład warstw AlGaInN
DEFINICJA Epitaksja- nakładanie warstw monokrystalicznych na podłoże monokrystaliczne wymuszające strukturę krystaliczną warstwy.
Diody elektroluminescencyjne LED + GaN:Mg 100nm Al0.20GaN:Mg 60nm 4QW QW InXGa1-XN/QB InYGa1-YN:Si In0.02GaN:Si 50nm Al0.16GaN:Si 40nm GaN:Si 500nm
Diody laserowe
HEMT, także sensory gazów i cieczy source gate Schottky diode metal (e.g. aluminum) ohmic ohmic n-algaas tb δ i-algaas i-gaas Insulating substrate 2DEG drain
Detektory światła
Ogniwa słoneczne
Metody wzrostu warstw epitaksjalnych Molecular Beam Epitaxy (MBE) Metalorganic Vapour Phase Epitaxy (MOVPE), czasami zwane MOCVD
Zasada działania MBE
MBE
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
RHEED- kontrola wzrostu warstw MBE
RHEED- reflection high energy electron diffraction Gładkość Parametry sieci Rekonstrukcja powierzchni Szybkość wzrostu
Mod wzrostu poprzez płynięcie stopni (step-flow) Brak oscylacji RHEED AFM
TEM struktury laserowej wzrastanej metodą MBE 10 nm
MOVPE-metalorganic chemical vapour phase epitaxy A(CH3)3+NH3->AN+3CH4 A= Ga, In, Al
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
MOVPE Układ gazowy Reaktor
Wielowaflowe (multiwafer) reaktory MOVPE
Reflektometria laserowa (monitorowanie wzrostu struktury niebieskiej diody laserowej)
Problem niedopasowania sieciowego Homoepitaksja Heteroepitaksja Przypadek warstw naprężonych Przypadek warstw zrelaksowanych
III. Relaksacja sieci Naprężone- fully strained Zrelaksowane- relaxed
Wartości krytyczne do relaksacji 10000 critical thickness (nm) dislocations 1000 100 cracking 10 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 mismatch (%) Wartości niedopasowania i grubości warstw występujących w laserze niebieskim
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
Pękanie 1 µm AlGaN, Al=8% On 60 µm GaN On 120 µm GaN substrates
Wygięcie struktury laserowej w zależności od grubości podłoża R AlGaN 1000 cladding R(cm) HP GaN Akceptowalne Za małe 100 120 µ m 90 µ m 60 µ m 10 0 5 10 15 Al content (%) 20
Metody charakteryzacji kryształów Trawienie selektywne (EPD) Dyfrakcja rentgenowska (XRD) Mikroskopia sił atomowych (AFM) Mikroskopia elektronowa Pomiary własności elektrycznych i optycznych I wiele innych
Trawienie selektywne defektów, EPD Ujawnianie defektów, koncentracji nośników elektrycznych, polarności
EPD w strukturze epitaksjalnej niebieskiego lasera 105 cm-2 50 µm Około 5 dyslokacji na pasek, w tym 0-1 przecinających warstwę aktywną 20 µm LD pasek
EPD- informacja gdzie się dyslokacja zaczyna Pod warstwą aktywną
EPD- informacja gdzie się dyslokacja zaczyna Nad warstwą aktywną
Dyfrakcja rentgenowska Krzywa odbić Rocking curve
GaAs typu ELOG na Si I (zliczenia/sek.) (4% niedopasowania sieciowego) 10000 1000 100 A B 10-2000 -1500-1000 -500 500 1000 1500 2000 ω - ω max (sek.) płaszczyzna dyfrakcji oś obrotu kąta ω 0 A Krzywa odbić refl. 004 niezrośnięt ych pasków GaAs typu ELOG dla dwóch geometrii pomiaru płaszczyzna dyfrakcji B oś obrotu kąta ω
Czasem wielostudnie są bliskie ideału 1000000 1000000 100000 intensity (cps) 100000 intensity (cps) 10000 10000 experimental 1000 100 1000 experimental simulation 10 34.2 100 34.3 34.4 34.5 34.6 34.7 2 theta (deg) 10 1 simulation 0.1 31 32 33 34 35 Angle 2 theta (deg) (deg) 36 37 Nie ma segregacji indu. d(well)=3.2 nm, d(barrier)=7.1 nm, xaverage= 3.2% 34.8
Czasem nie są Krzywa odbić dla GaN/InGaN MQW z rozsegregowanym indem 1000000 100000 experiment simulation intensity [a. u.] 10000 1000 100 10 1 0,1 0,01-20000 -15000-10000 -5000 0 2theta [rel. Angle (arcsec.] sec) 5000 10000 15000
Topografia
Wysokorozdzielcza transmisyjna mikroskopia elektronowa (HRTEM) Wizualizacja poszczególnych defektów, składu chemicznego i naprężeń
Mikroskopia skanningowa (SEM) : Warstwa AlGaN z za dużą koncentracją Al i Mg
Mikroskopia sił atomowych AFM
Uwagi końcowe: * Wspaniałe perspektywy przed wzrostem kryształów w Warszawie * Niezwykle trudne zagadnienie poznawcze- bardzo duża ilość parametrów współzależnych do optymalizacji * Szczęście we wzroście kryształów sprzyja mądrzejszym * Potrzebna wiedza nie tylko z zakresu termodynamiki, chemii, ale i charakteryzacji kryształów i działania przyrządów elektronicznych
Motto na dalsze wykłady: Kryształy są jak kobiety. Defekty czynią je pięknymi.