Epitaksja - wstp

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów

Epitaksja - zagadnienia podstawowe

16 marzec 2010

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_2009

Zbigniew R. Żytkiewicz

Instytut Fizyki PAN

02-668 Warszawa, Al. Lotników 32/46 tel: 22 843 66 01 ext. 3363

E-mail: zytkie@ifpan.edu.pl

Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN

01-142 Warszawa, ul Sokołowska 29/37 tel: 22 88 80 244

Epitaksja - zagadnienia podstawowe

Plan wykładu

• definicje

• metody wzrostu epitaksjalnego

• niedopasowanie sieciowe

• naprężenia termiczne

• domeny antyfazowe (wzrost polar on non-polar)

• o niektórych metodach redukcji gęstości defektów w niedopasowanych

Epitaksja - zagadnienia podstawowe

kryształy objętościowe

• wzrost z roztopu

• wzrost z roztworu

• wzrost z fazy pary

• ……

ogniwo słoneczne

dioda laserowa

n-AlGaAs metal (e.g. aluminum)

ohmic ohmic

source _gate Schottky_{diode drain}

Insulating substrate i-GaAs i-AlGaAs t_b δ _2DEG

HEMT

~300 μm

~kilka μm

struktury epitaksjalne

Definicje

• Epitaksja =

nakładanie warstw monokrystalicznych na 

monokrystaliczne podłoże wymuszające strukturę

krystaliczną warstwy

epi = na

taxis = uporządkowanie

• Homoepitaksja =

warstwa i podłoże takie same

• Heteroepitaksja =

podłoże i warstwa różnią się strukturą

chemiczną

GaN(hex)/szafir

GaN(cub?)/GaAs

MnTe(hex)/szafir

MnTe(cub)/GaAs

podłoże

Techniki wzrostu epitaksjalnego

• Epitaksja z fazy gazowej (MBE, VPE, MOVPE, HVPE, ...) V

_gr

∼ μm/h

kolejne wykłady: Z.R. Żytkiewicz i M. Leszczyński

• Epitaksja z fazy ciekłej (LPE, LPEE, ...) V

_gr

∼ μm/min

następny wykład: Z.R. Żytkiewicz

NH₃ H₂ GaCl₃

metody nierównowagowe

p

swobodna

∝

1

λ

Epitaksja z fazy stałej (solid phase epitaxy)

mechanizm transportu masy - dyfuzja w fazie stałej

Przykłady:

wygrzewanie po implantacji

nukleacja AlN

T ∼ 600

o

_C

niskotemperaturowy bufor AlN (GaN)

(wzrost 2-etapowy)

wzrost GaN bez bufora

T ∼ 1000

o

_C

Niedopasowanie sieciowe

ograniczona ilość dostępnych kryształów podłożowych !!!

najczęściej epitaksja warstw niedopasowanych sieciowo z podłożem

zaleta związków wieloskładnikowych:

a = f(skład)

Niedopasowanie sieciowe

Założenia:

h

s

=

∞

h

e

<

h

cr

a

_erelax

>

a

_s

podłoże a

_s

warstwa a

_erelax

h

_e

h

_s

=

∞

s s e

a

a

a

f

=

(

−

)

/

niedopasowanie sieci ( lattice misfit)

przed epitaksją

e el

f

h

E

∝

2

⋅

warstwa naprężona

relax e s e

a

a

a

II

=

<

relax e e

a

a

⊥

>

ściskanie w warstwie

tetragonalna dystorsja sieci

po epitaksji

Jak obniżyć energię naprężeń?

deformacja powierzchni

interdyfuzja

- proces bardzo powolny

- mało istotny dla “grubych” warstw

- ważny w nanostrukturach

- relaksacja sieci blisko powierzchni

- ważne w nanostrukturach (QDs)

- mało istotny dla “grubych” warstw

Energia

grubo

ść

warstwy

oddzielne materiały A i B

a(B)

>

a(A)

epitaksja warstwy

B

na podłożu

A

E

_e

>

E

_D

relaksacja przez dyslokacje

E

_ε

=

E

_D

E

_e

<

E

_D

wzrost pseudomorficzny

E

_e

E

_D

Generacja dyslokacji niedopasowania

Generacja dyslokacji niedopasowania

(misfit dislocations - MD)

warstwa z dyslokacjami

h

_e

> h

_cr relax e e e

a

a

a

II

≈

⊥

≈

MDs

Przykład: GaSb na GaAs

Qian et al. J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 1430

a

_GaSb

> a

_GaAs

GaSb

GaAs

8

Czy lubimy dyslokacje niedopasowania?

Threading dislocations

podłoże

epi

MD

TD

TD

MD = dyslokacja niedopasowania (misfit dislocation)

TD = dyslokacja przechodząca (threading dislocation)

przyrząd

Lester et al. APL 66 (1995) 1249

dyslokacje TD przyspieszają

rekombinację niepromienistą nośników

GaN

katastrofalna degradacja przyrządów

dyslokacja krawędziowa A-D; A-B i C-D leżą na powierzchni

Czy lubimy dyslokacje niedopasowania?

Threading dislocations

Czas życia niebieskich diod laserowych GaN/InGaN w

funkcji gęstości dyslokacji (wg Sony)

2x106 3x106 4x106 5x106 6x106 7x106 1000 10000 li fe ti m e ( h ) EPD (cm-2)

czas

życia lasera [godz]

Cross-hatch pattern

Si substrate

∼μm SiGe (relaxed)

10 nm Si (strained)

MDs

gęstość linii

∼ gęstość dyslokacji

N

_Disl

= 10

6

_cm

-2

⇒ L = 10 μm

Disl

N

L 1

=

Naprężenia termiczne

a

_GaAs

> a

_Si

⇒

naprężenia ściskające w warstwie

GaAs wzrastanej na Si (???)

podłoże Si

GaAs

0 100 200 300 400 500 15,94 15,96 15,98 16,00 16,02 16,04 16,06 a_GaN/sapphire - a_sapphire

a_{bulk GaN} - a_{bulk sapphire}

Δ

a/a (%)

temperature ( oC)

Leszczynski et al. JAP ‘94

GaN/szafir

naprężenia rozciągające

w GaAs na Si

0 100 200 300 400 500 600 5,45 5,65 5,70 free-standing GaAs Si RT GT La tt ic e pa ra me te r (A) Temperature ( oC)

)

(

)

(

_{GaAs Si GT RT} th

=

α

−

α

⋅

T

−

T

ε

GaAs on Si ε_th F

T

T

F

=

450

±

90

o

C

→

GaAs

/

Si

Si

InP

C

T

o F

=

250

±

100

→

/

Yamamoto & Yamaguchi ‘88

T_F

AlAs GaA s

R

∼

8m

2 MPa

Naprężenia termiczne cd.

• GaAs on Si

-pękanie warstw GaAs

grubszych niż

∼ 10 μm

10

9

_dyn/cm

2

_{= 100 MPa}

• Laser DH GaAlAs/GaAs

Rozgonyi, Petroff, Panish JCG 27 (1974) 106.

AlGaAs/GaAs

idealny układ laserowy

-dopasowanie sieci (?)

AlAs 0.99 P0.01 4 bez fosforu z fosforem

Wykorzystanie naprężeń: przykład

Si substrate relaxed Ge relaxed Si tensile Si GaAs substrate relaxed AlAs relaxed InGaAs compressive InGaAs

po wytrawieniu

a_Si< a_Ge a_InGaAs > a_AlAs

Granice antyfazowe (polar on nonpolar)

(antiphase domain boundaries - APB)

polar (GaAs) polar (GaAs) APB polar (GaAs) nonpolar (Si) dominujące przy wzroście niestechiometrycznym (np. MBE) Ga As

Mechanizmy generacji dyslokacji niedopasowania

h_e > h_cr

MD

TD

wygięcie dyslokacji podłożowych

h_e ≈ h_cr

generacja półpętli dyslokacyjnych

TD TD MD heterogeneous nucleation homogeneous nucleation _TD MD av TD

l

N

∝

2

l_av- length of MD segment Ge_0.25Si_0.75/Si l_av ∼ 10 μm; in lattice-mismatched structures EPD ∼ 106 _{- 10}10 _cm-2

Grubość krytyczna

h_e ≈ h_cr σ

F

T

F

Matthews & Blakeslee Journal of Crystal Growth 27 (1974) 118

f

h

b

F

_σ

∼

⋅

_e

⋅

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

_⎟

₊

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

∼

2

ln

1

b

h

b

F

e T

misfit stress force dislocation line tension

T

F

F

_σ

>

growth of MD segment T

F

F

_σ

=

h

_e

=

h

_cr (onset of MD generation) 0.00 0.01 0.02 0.03 1 10 100 10000.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Bean et al. 550oC Kasper et al. 750oC Matthews-Blakeslee Ge_xSi_1-x h cr (nm) x

lattice mismatch (%) equilibrium model

0.00 0.01 0.02 0.03 1 10 100 10000.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Dodson-Tsao 550oC Dodson-Tsao 750oC h cr (nm) x lattice mismatch (%)

Dodson & Tsao APL 51 (1987) 1325; 52 (1988) 852

velocity of MD ∝ excess stress (actual stress - stress @ EQ) strain = f (h_e, T, t, ...) _{dynamical model}

Warstwy buforowe

bufor podłoże

bufor = zrelaksowana warstwa epitaksjalna o żądanej wartości parametru sieciowego osadzona na dostępnym podłożu

nowe podłoże dla dalszej epitaksji

Tachikawa & Yamaguchi APL 56 (1990) 484

0 50 100 150 200 105 106 107 108 109 1010 plane TEM etching VPE GaAs/Si dis loc at io n dens it y (c m -2 )

distance from GaAs/Si interface (μm)

Qian et al. J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 1430

1 10 107 108 109 1010 MBE GaSb/GaAs dislocat ion densit y (cm -2 ) layer thickness (μm) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ Si GaAs ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ 3 2O Al GaN

Redukcja gęstości dyslokacji w buforach

Tachikawa & Yamaguchi APL 56 (1990) 484

0 50 100 150 200 105 106 107 108 109 1010 plane TEM etching VPE GaAs/Si dis loc at ion dens it y (c m -2 )

distance from GaAs/Si interface (μm)

TD MD L TD

N

L 1

=

N_TD = 1010_cm-2_{⇒ L = 100 nm}

wysoka wydajność reakcji pomiędzy dyslokacjami N_TD = 106 _cm-2 _{⇒ L = 10 μm}

niska wydajność reakcji pomiędzy dyslokacjami

dlaczego ta zależność się nasyca?

Wygrzewanie

naprężenia termiczne ⇔ siła napędowa ruchu dyslokacji TD

0 5 10 15 106 107 108 MOVPE GaAs/Si T_a = 900oC T_a = 800oC T_a = 700oC et ch p it densit y (cm -2 ) cycle number N

Yamaguchi et al. APL 53 (1988) 2293

0 1 2 3 4 5 6 7 106 107 108 MOVPE GaAs/Si _T a = 800 o C as grown ex-situ annealed in-situ annealed (10 times)

etch pit densit

y

(cm

-2 )

thickness (μm)

Yamamoto & Yamaguchi MRS 116 (1988) 285

wygrzewanie w czasie wzrostu (in-situ): • wzrost 1 μm GaAs

• wygrzewanie (T_gr→ RT → T_a) × N • wzrost 2 μm GaAs @ Tgr

Filtrowanie TD poprzez naprężone supersieci SLS

Qian et al. J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 1430

1 10 107 108 109 40 x 9 x (GaSb/AlSb) SLS MBE GaSb/GaAs dis loc at ion dens it y (c m -2 ) layer thickness (μm) TD TD _bufor SL

niedopasowanie sieciowe ⇔ siła napędowa wygięcia i ruchu dyslokacji TD

• filtr SLS wydajny dla wysokich gęstości TD

• wymagany ostrożny wzrost (brak nowych defektów) • czasami stosowane wygrzewanie + filtr SLS

gęstości TD < 106 _{- 10}7 _cm-2

Wzrost na „małych” podłożach

podłoże

2W

Yamaguchi et al. APL 56 (1990) 27

100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010

etch pit density

(cm -2 ) patterned width W (μm) MOVPE 4 μm GaAs/Si 2 x annealed @ 900oC residu al stress σ (dyn /cm 2 ) podłoże MBE podłoże

MOVPE - selektywna epitaksja na maskowanym podłożu

wychodzenie dyslokacji do krawędzi

podłoże

ε(0) h

W

Luryj & Suhir APL 49 (1986) 140

n dislocatio strain

h

W

E

E

(

,

)

↔

h

_cr

malejąca funkcja W

Wzrost na „cienkich” podłożach - koncepcja

(compliant substrates)

h

_e

h

_s prawo Hooka

ε

σ

∝

s s e e

ε

σ

ε

σ

⋅

=

⋅

równowaga sił s e s e

h

h

h

+

=

0

ε

ε

s e

ε

ε

ε

₀

=

+

transfer naprężeń z epi do podłoża

⇓

większa grubość krytyczna

e

ε

s

ε

h

_s

=h

_e

⇔ ε

_e

=

ε

_s

podłoże

Y.H. Lo, APL 59 (1991) 2311

s cr cr

h

h

h

1

1

1

₌

_∞

₋

0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 effect iv e thi ckness substrate thickness h cr /h cr ∞ h_s/h_cr∞

no MD for any

h

e

∞

=

⇒

<

∞ cr cr s

h

h

h

podłoże warstwa

warstwa

)

(

=

∞

=

∞ s cr cr

h

h

h

h_cr grubość krytyczna ∞ > _cr s h h

dla

Wytwarzanie cienkich podłóż

podłoże

cienka membrana

Wymagania:

• mocne wiązanie z podłożem

- zapobiec zwijaniu się membrany • słabe wiązanie z podłożem

- łatwe przesuwanie membrany wzdłuż podłoża • duża powierzchnia i mała grubość membrany

De Boeck et al. JJAP 30 (1991) L423

40

μm

80 μm

MBE 1.3 μm GaAs/Si;

patterning + mesa release & deposition MBE growth of 1 μm GaAs

PL: no strain in GaAs grown on the membrane large strain in GaAs grown on bulk Si

patterning + mesa release & deposition

podłoże GaAs AlAs podłoże GaAs _trawienie podłoże

GaAs thin film

Θ

GaAs substrate 2

Wytwarzanie cienkich podłóż (wafer bonding)

GaAs thin film

Θ

GaAs substrate 2

etch stop

GaAs thin film

Θ GaAs substrate 2 etch stop GaAs substrate 1 • łączenie: T ∼ 550o _{C w H} 2lub UHV

• nacisk: ∼ 200 g/2 inch wafer • kąt obrotuΘ: 0 - 45o

• można łączyć bardzo cienkie warstwy (10 ML)

gęsta sieć dyslokacji śrubowych

⇓

“miękie” połączenie

odległość dyslokacji = f(Θ) brak threading dislocations Benemara et al. Mat. Sci. Eng.B 42 (1996) 164

Plane-view TEM połączonych płytek Si (Θ ∼ 0.6o₎

Problemy:

• pęcherze z gazem na złączu - pęknięcia warstwy • resztkowe zanieczyszczenia na złączu

• problemy z łupaniem • technologia bardzo trudna

Uniwersalne elastyczne podłoże

(universal compliant substrate)

Ejeckam et al. APL 70 (1997) 1685

film GaAs 10 nm; Θ ∼ 17o_{in H} 2

300 nm of InGaP on GaAs by MOVPE f = 1% ⇒h_e= 30 × h_cr∞_{(10 nm)}

Lo et al. Cornell Sci. News 1997; Ejeckam et al. APL 71 (1997) 776

InSb on GaAs f = 14.7%

TD ∼1011_cm-2

TD < 106_cm-2

Morał:

• spektakularne wyniki laboratoryjne; sukces medialny

• ładne potwierdzenie zjawiska transferu naprężeń do podłoża

• bardzo trudna technologia wytwarzania podłóż

Podsumowanie technik redukcji gęstości dyslokacji w

heterostrukturach niedopasowanych sieciowo

zwiększanie h

_cr

wzrost na cienkich podłożach (compliant substrates)

filtrowanie powstałych defektów

bufory z SLS wygrzewanie

wzrost na “małych” podłożach (mesy)

lateralny wzrost epitaksjalny (epitaxial lateral overgrowth - ELO)

Brak uniwersalnej metody redukcji TD w heterostrukturach niedopasowanych sieciowo;

Lateralny wzrost epitaksjalny

epitaxial lateral overgrowth - ELO

substrate

etch pits MOVPE GaN: S = 5 – 20 μm; W = 2 - 5 μm LPE GaAs: S = 100 – 500 μm; W = 6 - 10 μm mask: SiO₂, Si₃N₄, W, graphite, ...

S

W

buffer

substrate

adjustable lattice parameter

ELO

„wing”

Homoepitaxy

How to grow low EPD homoepitaxial layers

on heavily dislocated substrates ?

ELO