Fizyka i technologia wzrostu kryształów Wykład.2 Epitaksja warstw półprzewodnikowych 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
EPITAKSJA WARSTW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN i TopGaN W-wa 13 października 2005
DEFINICJA Epitaksja- nakładanie warstw monokrystalicznych na podłoże monokrystaliczne wymuszające strukturę krystaliczną warstwy.
Reaktory do epitaksji związkow półprzewodnikowych w Polsce (MBE, MOVPE, HVPE) Unipress/ TopGaN ITME Azotkowe W 2005 5 1 Inne półprzew. 2005-2 Razem W 2005 5 3 Inne instytucje Cała Polska 3 9 4 6 7 15
Plan Zastosowania struktur warstw epitaksjalnch Metody wzrostu warstw: MOVPE i MBE Problem niedopasowania sieciowego Wzrost studni kwantowych Domieszkowanie
I. Zastosowania struktur warstw epitaksjalnych Diody elektroluminescencyjne LED Diody laserowe LD Tranzystory i sensory Detektory światła Ogniwa słoneczne
Diody elektroluminescencyjne LED GaN:Mg 100nm Al 0.20 GaN:Mg 60nm 4QW QW In X Ga 1-X N/QB In Y Ga 1-Y N:Si In 0.02 GaN:Si 50nm Al 0.16 GaN:Si 40nm GaN:Si 500nm
Diody laserowe p-gan AlGaN/p-GaN 0.14 86 A / 86 A ) * 25 p-gan n-gan GaN/GaN.11 A/ 25 A )*98 InGaN:Si/InGaN 0.5%9 MQW (100 A/ 30 A) * 5 N:Si GaN:Si bulk n-gan
HEMT, także sensory gazów i cieczy source ohmic gate metal (e.g. aluminum) Schottky diode ohmic drain t b δ n-algaas i-algaas i-gaas 2DEG Insulating substrate
Detektory światła Ni/Au Ti/Al GaN:Mg p-algan In Ga N/GaN x 1-x GaN:Si GaN Buffer Sapphire
Ogniwa słoneczne
II. 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- reflection high energy electron diffraction Gładkość Parametry sieci Rekonstrukcja powierzchni Szybkość wzrostu
RHEED
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 6 laserowej) 5 refl. int. [a.u.] 4 3 2 2400 4800 7200 9600 12000 14400 16800 19200 time [s]
Wbudowywanie się In w InGaN w zależności od przepływu TMI
Wbudowywanie się In w InGaN w zależności od temperatury
III. Problem niedopasowania sieciowego Homoepitaksja Heteroepitaksja Przypadek warstw naprężonych Przypadek warstw zrelaksowanych
III. Relaksacja sieci Naprężone- fully strained Zrelaksowane- relaxed
Homoepitaksja Warstwa tego samego związku, co podłoże, może być niedopasowana sieciowo na poziomie ok. 0.01-0.05 %
Rozepchnięcie sieci przez swobodne elektrony E= f (V) + n* Ec de/dv= 0 5.1864 5.1860 HP GaN a = a0+ n* Vd c(a) 5.1856 5.1852 5.1848 HVPE 0 1 2 3 4 5 6 n(10 19 cm -3 )
Rozepchnięcie sieci przez swobodne elektrony
EL2-like defects LT GaAs GaAs 300 K 77 K dark 77 K + 900 nm +1350 nm Or +140 K
Jak stwierdzamy, czy warstwa jest zrelaksowana?
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 HP GaN R(cm) 1000 cladding Akceptowalne Za małe 100 10 120 µm 90 µm 60 µm 0 5 10 15 20 Al content (%)
EPD w strukturze epitaksjalnej niebieskiego lasera 10 5 cm -2 50 µm 20 µm m LD pasek Około 5 dyslokacji na pasek, w tym 0-10 przecinających warstwę aktywną
EPD- informacja gdzie się dyslokacja zaczyna p-al0.3 GaN (10 nm) p-gan (50 nm) p-gan/p-al n-gan/al n-gan (140 nm) 0.16 0.16 (26 Ĺ / 26 Ĺ) * 80 SL p-gan (70 nm) GaN ( 29 Ĺ / 29Ĺ )*110 SL GaN In 0.04 GaN:Si (8 nm) In10% GaN /In 4% GaN:Mg (45 Ĺ / 80 Ĺ) * 5 MQW GaN:Si (530 nm) bulk n-gan Pod warstwą aktywną
EPD- informacja gdzie się dyslokacja zaczyna p-al0.3 GaN (10 nm) p-gan (50 nm) p-gan/p-al n-gan/al n-gan (140 nm) 0.16 0.16 (26 Ĺ / 26 Ĺ) * 80 SL p-gan (70 nm) GaN ( 29 Ĺ / 29Ĺ )*110 SL GaN In 0.04 GaN:Si (8 nm) In10% GaN /In 4% GaN:Mg (45 Ĺ / 80 Ĺ) * 5 MQW GaN:Si (530 nm) bulk n-gan Nad warstwą aktywną
GaN na szafirze-przykład bardzo dużego niedopasowania- 16% nachylenia ( tilt ) [0001] kąt nachylenia granice mozaiki -skręcenia ( twist ) szafir LT-bufor [11-20] kąt skręcenia
Lateralna epitaksja (ELOG-Lateral Epitaxial Overgrowth) jamki trawienia okno wzrostu ELOG maska dyslokacje w warstwie buforowej bufor szafir Model filtrowania dyslokacji w układach warstwowych o dużym niedopasowaniu sieciowym bufor GaN/szafir: gęstość dyslokacji przenikających ELOG 10 8-11 cm -2 10 6 cm -2
I (zliczenia/sek.) 10000 1000 100 10 GaAs typu ELOG na Si (4% niedopasowania sieciowego) -2000-1500 -1000-500 0 500 1000 1500 2000 płaszczyzna dyfrakcji ω - ω max (sek.) B A płaszczyzna dyfrakcji Krzywa odbić refl. 004 niezrośnięt ych pasków GaAs typu ELOG dla dwóch geometrii pomiaru oś obrotu kąta ω A B oś obrotu kąta ω
Dla ultrafioletowych laserów nie ma szans obyć się bez dyslokacji w technologii planarnej 10000 dislocations critical thickness (nm) 1000 100 cracking 10 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 mismatch (%)
Zróbmy defekty tylko tam, gdzie nie ma paska laseroweg AlN AlN-fully relaxed Type n Type p AlN Dyslokacje zatrzymują pękanie i zmniejszają wygięcie
AlGaN-owa warstwa na GaN Zwyczajne podłoże Z maską AlN Over AlN mask Pęknięcia Bez takowych
Struktura laserowa na pasiastym podłozu Nie ma dyslokacji Dyslokacje: 10 10 cm -2 nad maską AlN
IV. Studnie kwantowe Skład studni i bariery Szybkość wzrostu, temperatura, itp.. Czas zatrzymania wzrostu na międzypowierzchni Granica ostra albo rozmyta Może lepsze kropki kwantowe zamiast studni
Czasem wielostudnie są bliskie ideału 1000000 1000000 100000 100000 10000 intensity (cps) 10000 1000 experimental intensity (cps) 1000 100 10 experimental 100 10 simulation 34.2 34.3 34.4 34.5 34.6 34.7 34.8 2 theta (deg) 1 simulation 0.1 31 32 33 34 35 36 37 Angle (deg) 2 theta (deg) Nie ma segregacji indu. d(well)=3.2 nm,, d(barrier)=7.1 nm, x average = 3.2%
Czasem nie są Krzywa odbić dla GaN/InGaN MQW z rozsegregowanym indem 1000000 100000 10000 experiment simulation intensity [a. u.] 1000 100 10 1 0,1 0,01-20000 -15000-10000 -5000 0 5000 10000 15000 Angle(arcsec) 2theta [rel. sec.]
Jak badamy gładkość międzypowierzchni? Reflektometrią rentgenowską. RMS 1A RMS 20A
Reflektometrią też badamy grubość cienkich warstw 60 nm Ni on Si 10 nm Au 60 nm Ni on Si
Przykład badań: studnie InGaN QW samples Sample b1093: narrow (3 nm) QWs sample Q3 Sample b1045: wide (9 nm) QWs sample Q9 GaN capping, 20 nm MOCVD n-gan 5x [(3 nm or 9 nm In 0.09 Ga 0.91 N QW) / 9 nm GaN QB, [Si] = 1 10 19 cm -3 ] Bulk n-gan
Fotoluminescencja E E (ev) 3.10 3.05 3.00 Q3 Q9 Różnice Q3 and Q9: 1. Q3 ma S-shape, Q9 nie ma FWHM (ev) Intensity (a.u.) 2.95 10 7 Q9 10 6 Q3 10 5 0.18 0.15 0.12 Q3 0.09 Q9 0.06 0 100 200 300 400 500 Temperature (K) 2. PL intensywność Q9 jest (i) wyższa (ii) Mniej zmienia się z temperaturą. 3. FWHM dla Q3 jest większa niż dla Q9.
Mapowanie katodoluminescencji 3.09 3.09 3.08 3.08 CL peak energy (ev) 3.07 3.06 3.05 3.04 CL peak energy (ev) 3.07 3.06 3.05 3.04 3.03 T=6 K sample Q3 3.03 T=6 K sample Q9 0 2 4 6 8 10 Position (µm) 0 2 4 6 8 10 Position (µm)
Wbudowywania indu w InGaN QW In content in QW [%] 11 10 9 8 7 6 5 4 20 40 60 80 100 120 Gruba QW więcej In ale λ taka sama Mniejsza segregacja dqw [A]
V. Domieszkowanie Donory np. Si, O w GaAs, GaN, InP (III-V) Akceptory, np.. Be w GaAs, Mg w GaN Autokompensacja Kompensacja zanieczyszczeniami Tworzenie par, trójek i większych kompleksów Tworzenie defektów rozciągłych.
Warstwa AlGaN z za dużą koncentracją Al i Mg
TEM struktury laserowej z za dużą koncentracją domieszki Mg
Czego warto nauczyć się o epitaksji w dalszym ciągu wykładu? Zjawiska na powierzchni półprzewodnika w czasie wzrostu, Mechanizmy relaksacji sieci, Od czego zależą własności optyczne i elektryczne półprzewodnikowych struktur kwantowych, I wielu innych rzeczy...