III. METODY OTRZYMYWANIA MATERIAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Janusz Adamowski



Podobne dokumenty
Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych

Metody wytwarzania elementów półprzewodnikowych

Cienkie warstwy. Podstawy fizyczne Wytwarzanie Właściwości Zastosowania. Co to jest cienka warstwa?

Podstawy technologii monokryształów

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Co to jest cienka warstwa?

Plan. 2. Fizyka heterozłącza a. proste modele kwantowe b. n-wymiarowy gaz elektronowy

Osadzanie z fazy gazowej

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Układy cienkowarstwowe cz. II

Teoria pasmowa ciał stałych

Co to jest cienka warstwa?

Jak TO działa? Co to są półprzewodniki? TRENDY: Prawo Moore a. Google: Jacek Szczytko Login: student Hasło: *******

Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd r.

Technologie wytwarzania metali. Odlewanie Metalurgia proszków Otrzymywanie monokryształów Otrzymywanie materiałów superczystych Techniki próżniowe

Technologie wytwarzania metali. Odlewanie Metalurgia proszków Otrzymywanie monokryształów Otrzymywanie materiałów superczystych Techniki próżniowe

Wstęp. Krystalografia geometryczna

Technologie wytwarzania. Opracował Dr inż. Stanisław Rymkiewicz KIM WM PG

Domieszkowanie półprzewodników

Wpływ defektów punktowych i liniowych na własności węglika krzemu SiC

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów. II. semestr Wstęp. 16 luty 2010

Co to jest kropka kwantowa? Kropki kwantowe - część I otrzymywanie. Co to jest ekscyton? Co to jest ekscyton? e πε. E = n. Sebastian Maćkowski

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Otrzymywanie i badanie własności elektrycznych monokrysztalicznych ciał stałych wprowadzenie

ĆWICZENIE NR 4 OTRZYMYWANIE PREPARATÓW RADIOCHEMICZNIE CZYSTYCH.

Nauka o Materiałach Wykład II Monokryształy Jerzy Lis

Informacje wstępne. Witamy serdecznie wszystkich uczestników na pierwszym etapie konkursu.

1) Rozmiar atomu to około? Która z odpowiedzi jest nieprawidłowa? a) 0, m b) 10-8 mm c) m d) km e) m f)

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

KRYSTALIZACJA METALI I STOPÓW. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Technologia monokryształów i cienkich warstw

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna. Przedmiot: BIOMATERIAŁY. Metody pasywacji powierzchni biomateriałów. Dr inż. Agnieszka Ossowska

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Czym się różni ciecz od ciała stałego?

Szkła specjalne Przejście szkliste i jego termodynamika Wykład 5. Ryszard J. Barczyński, 2017 Materiały edukacyjne do użytku wewnętrznego

Różne techniki hodowli kryształów wykorzystywanych w elektronice. Paweł Porada Informatyka stosowana semestr 7

Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu

TECHNOLOGIE OTRZYMYWANIA MONOKRYSZTAŁÓW

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Dyfrakcja na kryształach. Dyfrakcja na kryształach

Plan wykładu. Pasma w krysztale. Heterostruktury półprzewodnikowe studnie kwantowe. Heterostruktury półprzewodnikowe

Spektroskopia charakterystycznych strat energii elektronów EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy)

STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO

ZAMRAŻANIE PODSTAWY CZ.1

Elektryczne własności ciał stałych

Fizyka Cienkich Warstw

Różne dziwne przewodniki

Układy cienkowarstwowe. Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków Aparatura próżniowa. Pompy turbomolekularne.

IX. DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE Janusz Adamowski

Czym jest prąd elektryczny

Fizyka Cienkich Warstw

Stan Krystaliczny Stan krystaliczny. Stan krystaliczny

Diagramy fazowe graficzna reprezentacja warunków równowagi

Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu

Wykład II: Monokryształy. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

1. Kryształy jonowe omówić oddziaływania w kryształach jonowych oraz typy struktur jonowych.

Azotkowe diody laserowe na podłożach GaN o zmiennym zorientowaniu

Fizyka i technologia wzrostu kryształów

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW ŻELAZA. Cz. II. Przemiany austenitu przechłodzonego

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów. USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-1

Właściwości optyczne. Oddziaływanie światła z materiałem. Widmo światła widzialnego MATERIAŁ

Zjawiska powierzchniowe

Ciekłe kryształy. Wykład dla liceów Joanna Janik Uniwersytet Jagielloński

31/01/2018. Wykład II: Monokryształy. Treść wykładu: Wstęp - stan krystaliczny

ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Elementy teorii powierzchni metali

Przejścia promieniste

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Sprawdzian 1. CHEMIA. Przed próbną maturą (poziom rozszerzony) Czas pracy: 90 minut Maksymalna liczba punktów: 30. Imię i nazwisko ...

1. Od czego i w jaki sposób zależy szybkość reakcji chemicznej?

PVD-COATING PRÓŻNIOWE NAPYLANIE ALUMINIUM NA DETALE Z TWORZYWA SZTUCZNEGO (METALIZACJA PRÓŻNIOWA)

STRUKTURA STOPÓW CHARAKTERYSTYKA FAZ. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Przyrządy półprzewodnikowe

Wzrost pseudomorficzny. Optyka nanostruktur. Mody wzrostu. Ekscyton. Sebastian Maćkowski

Fizyka Ciała Stałego

dr inż. Beata Brożek-Pluska SERS La boratorium La serowej

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

MBE epitaksja z wiązek molekularnych

dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

Ekspansja plazmy i wpływ atmosfery reaktywnej na osadzanie cienkich warstw hydroksyapatytu. Marcin Jedyński

zasięg koherencji dla warstw nadprzewodzących długość fali de Broglie a w przypadku warstw dielektrycznych.

Piroelektryki. Siarczan trójglicyny

Termodynamiczne warunki krystalizacji

BUDOWA KRYSTALICZNA CIAŁ STAŁYCH. Stopień uporządkowania struktury wewnętrznej ciał stałych decyduje o ich podziale

Wzrost kryształów objętościowych i warstw epitaksjalnych- informacje wstępne. Michał Leszczyński. Instytut Wysokich Ciśnień PAN UNIPRESS i TopGaN

Nanotechnologia. Wykład IX

WYZNACZANIE ROZMIARÓW

Warunki izochoryczno-izotermiczne

WZROST KRYSZTAŁÓW OBJĘTOŚCIOWYCH Z FAZY ROZTOPIONEJ (ROZTOPU)

Nauka o Materiałach. Wykład XI. Właściwości cieplne. Jerzy Lis

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

Technika próżni / Andrzej Hałas. Wrocław, Spis treści. Od autora 9. Wprowadzenie 11. Wykaz ważniejszych oznaczeń 13

Absorpcja związana z defektami kryształu

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Czujniki. Czujniki służą do przetwarzania interesującej nas wielkości fizycznej na wielkość elektryczną łatwą do pomiaru. Najczęściej spotykane są

Transkrypt:

III. METODY OTRZYMYWANIA MATERIAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Janusz Adamowski 1

1 Wstęp Materiały półprzewodnikowe, otrzymywane obecnie w warunkach laboratoryjnych, charakteryzują się niezwykle wysoką czystością. Czystość materiałów półprzewodnikowych: Wytwarzane są izotopowo czyste kryształy Ge. naturalny german zawiera 5 izotopów. Przypomnijmy, że Wytwarzane są prawie idealne kryształy Si o średnicy rzędu 20 cm. W najczystszych wytwarzanych obecnie kryształach Si gęstość dyslokacji jest mniejsza niż 1000 dyslokacji/cm 3, a koncentracja domieszek jest mniejsza niż 1 domieszka na 10 12 atomów sieci macierzystej. 2 Metoda Czochralskiego Materiał surowy (substrat) topiony jest w tyglu. Zarodek krystaliczny jest w kontakcie z wierzchnią warstwą zimniejszego stopionego materiału. Krystalizujący materiał jest powoli obracany (w celu ujednorodnienia procesu krystalizacji) i wyciągany z ciekłego materiału. Powstają w ten sposób duże monokryształy, np. kryształy Si o średnicy 20 cm. Kształt powierzchni ograniczającej monokryształ jest najczęściej wielościanem foremnym o zaokrąglonych wierzchołkach.

Rysunek 1: Schemat metody Czochralskiego. 3 Metoda mikro-wyciągania Angielska nazwa metody: micro-pulling-down (µ-pd) Jest to najnowsza metoda wytwarzania kryształów półprzewodnikowych o wysokiej czystości. Metoda ta stanowi odwrócenie metody Czochralskiego. Kryształ rośnie poniżej tygla z mikrokanałami wskutek wyciągania substancji krystalizującej w dół (nie w górę jak w metodzie Chochralskiego). 2

Rysunek 2: Schemat aparatury do metody µ-pd. Rysunek 3: Schemat wytwarzania kryształu metodą µ-pd (1). 4 Metoda Bridgmana Podobnie jak w metodzie Czochralskiego zarodek jest w kontakcie ze stopionym materiałem. Zarodek umieszczony jest w tyglu w kształcie łódki przesuwanej w kierunku poziomym (pozioma metoda Bridgmana). W tyglu wytwarzany jest gradient temperatury w ten sposób, że temperatura wokół zarodka jest poniżej temperatury topnienia. W innym wariancie tej metody polikryształ topiony jest w wąskiej strefie, z której powstaje monokryształ będący w kontakcie z zarodkiem. 3

Rysunek 4: Schemat wytwarzania kryształu metodą µ-pd (2). Rysunek 5: Schematy (a) i (b) dwóch odmian metody Bridgmana. 4

5 Epitaksja z fazy gazowej (depozycja chemiczna) Epitaksja z fazy gazowej (depozycja chemiczna) Metoda ta stosowana do wytwarzania cienkich warstw na podłożu. Atomy tworzące cienką warstwę budują strukturę uporządkowaną o tej samej strukturze krystalicznej co podłoże (epitaksja). homoepitaksja = cienka warstwa i podłoże mają ten sam skład chemiczny, np. Si na Si heteroepitaksja = skład chemiczny cienkiej warstwy i podłoża jest różny, ale struktura krystaliczna jest taka sama (lub podobna), np. GaAs na Si Przykładowe reakcje chemiczne na podłożu: SiH 4 Si + 2H 2 Ga(CH 3 ) 3 + AsH 3 GaAs + 3CH 4 Ta druga reakcja prowadzi do otrzymania cienkiej warstwy z gazowego związku metal-organicznego. Metoda wykorzystująca tę reakcję nazywana jest MO- CVD = Metal-Organic Chemical Vapor Deposition 6 Epitaksja z fazy ciekłej Epitaksja z fazy ciekłej Metoda ta polega na wykorzystaniu wzrostu cienkiej warstwy materiału z fazy ciekłej. Zwykle pierwiastek grupy III, np. Ga, stosowany jest jako rozpuszczalnik dla pierwiastka grupy V, np. As. Roztwór jest chłodzony w kontakcie z podłożem GaAs, co prowadzi do nukleacji GaAs na podłożu. Przy użyciu różnych roztworów o różnej zawartości domieszek (lub czystych) rosną kolejne cienkie warstwy. 7 Epitaksja z wiązek molekularnych (MBE) Metoda (technologia) MBE jest nowoczesną metodą otrzymywania cienkich warstw i heterostruktur kwantowych (QW, SL, NW, QD) w sposób kontrolowany. Zgodnie z tą metodą cienkie warstwy półprzewodnika (metalu, izolatora) krystalizują wskutek reakcji chemicznych zachodzących pomiędzy wiązkami molekularnymi/atomowymi zawierającymi składniki wytwarzanego materiału a powierzchnią podłoża. Podłoże jest utrzymywane w podwyższonej temperaturze w ultrawysokiej próżni. 5

Rysunek 6: Schemat aparatury MBE. Rysunek 7: Fotografia aparatury MBE. 6

Ultrawysoka próżnia oznacza, że ciśnienie p gazów resztkowych w komorze reakcyjnej jest odpowiednio małe, tzn. p 10 7 Pa W technologii MBE typowa szybkość wzrostu wynosi czyli 1 monowarstwa/s. 1µm/h, Oznacza to, że czas wzrostu jest wystarczająco mały, aby zapewnić pełna migrację powierzchniową padających atomów. Prowadzi to do bardzo gładkich powierzchni otrzymywanych metodą MBE. Główne zalety technologii MBE Technologia ta umożliwia bardzo precyzyjną kontrolę składu wiązek i warunków wzrostu. Daje zatem możliwość precyzyjnej kontroli składu i budowy produkowanej heterostruktury. Kontrola prowadzona jest in situ, czyli w trakcie wzrostu, następującymi metodami: metoda RHEED (Reflection High-Energy Electron Diffraction) spektroskopia Augera elipsometria (pomiar zmiany polaryzacji światła odbitego od badanej powierzchni) Fizyczne podstawy procesu wzrostu warstw metodą MBE Komora reakcyjna MBE składa się z trzech stref: 1. Strefa formowania się wiązek molekularnych wytwarzanych w komórkach efuzyjnych. 2. Strefa przecinania się wiązek i mieszania się molekuł, 3. Strefa krystalizacji na podłożu (strefa wzrostu epitaksjalnego). Najważniejsze procesy powierzchniowe zachodzące w 3. strefie: adsorpcja atomów i molekuł uderzających w powierzchnię migracja powierzchniowa dysocjacja adsorbowanych molekuł 7

Rysunek 8: Schemat komory reakcyjnej MBE. Rysunek 9: Schemat procesów powierzchniowych na podłożu w komorze MBE. 8

Rysunek 10: Schematy trzech mechanizmów wzrostu na podłożu. wbudowywanie się padających atomów w sieć krystaliczną substratu lub powstałej warstwy epitaksjalnej (krystalizacja) termiczna desorpcja atomów nie wbudowanych w sieć krystaliczną (uwalnianie się atomów i ich powrót do strefy 2.) Istnieją trzy możliwe mechanizmy wzrostu powierzchni heterostruktury: (1) mechanizm Franka-van der Merwe Równomierny wzrost monowarstwy na monowarstwie. (2) mechanizm Strankiego-Krastanova Najpierw powstaje warstwa zwilżająca na podłożu, a na niej rosną wyspy nanoszonego materiału. = nanotechnologia Mechanizm ten stosowany jest najczęściej w produkcji samozorganizowanych kropek kwantowych. (3) mechanizm Volmera-Webera Wyspy rosną bezpośrednio na podłożu (bez warstwy zwilżającej). Kontrola stopnia pokrycia powierzchni metodą RHEED przez pomiar zmian czasowych oscylacji natężenia dyfrakcji elektronów: maksima natężenia odpowiadają powierzchniom gładkim (całkowicie wypełnionym), a minima powierzchniom wypełnionym w połowie. 9

Rysunek 11: Rysunek pokazuje relację pomiędzy pokryciem powierzchni a natężeniem RHEED. 10