Epitaksja z fazy gazowej

(1)

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów

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 R. Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN

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

E-mail: zytkie@ifpan.edu.pl

Epitaksja z fazy gazowej

Michał Leszczyński

Wykład – 2 godz./tydzień – wtorek 9.15 – 11.00 Interdyscyplinarne Centrum Modelowania UW

Budynek Wydziału Geologii UW – sala 3075

http://www.icm.edu.pl/web/guest/edukacja

(2)

EPITAKSJA MOVPE

WARSTW

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Michał Leszczyński

Instytut Wysokich Ciśnień PAN

i TopGaN

(3)

1977- Russel Dupuis pokazuje warstwy epi wysokiej jakości (arsenkowe)

Producenci sprzętu MOVPE:

Nippon Sanso 450 systems since 1983

Thomas Swan (Aixtron): 240 systems since 1983 AIXTRON since 1983

(sale in 2005: 140 mln Euro)

EMCORE (Veeco since 2005): 500 systems since 1984 2000-2500 systemów worldwide (9 w Polsce)

(4)

p-GaN (50 nm) n-GaN (140 nm) n-GaN/Al0.16GaN (29 Ĺ / 29Ĺ )*110 SL bulk n-GaN p-GaN/p-Al0.16GaN (26 Ĺ / 26 Ĺ) * 80 SL p-Al GaN 0.3 (10 nm) GaN:Si (530 nm) p-GaN (70 nm) In GaN:Si 0.04 (8 nm) _{/In GaN:Mg} In10%GaN 4% (45 Ĺ / 80 Ĺ) * 5 MQW

Co chcemy wyhodować? Np., diodę

laserową

(5)

(6)

Maksymalna szybkość wzrostu

Stochiometria i wbudowywanie się domieszek Skład związków stopowych

Rekonstrukcja powierzchni

Hydrodynamika- warstwy graniczne, zamknięte „rolki” gazu, martwe objętości

Profil temperatury w okolicy podłoża

Procesy transportu masy i ich szybkości – dyfuzja i konwekcja

Materiał źródłowy transportowany do interfejsu – transport produktów od interfejsu

Wpływ ścianek reaktora ***********

(7)

Rekonstrukcje powierzchni

Wielkość stopni i ich rozmieszczenie Powstawanie „kinków”

Dyfuzja powierzchniowa – również anizotropia spowodowana rekonstrukcją

Dwuwymiarowe zarodkowanie

Trzywymiarowe zarodkowanie – chropowacenie powierzchni

Dyfuzja w ciele stałym – skrajnie powolna Dyfuzja w kilku monowarstwach przy

powierzchni – może być szybsza *********

(8)

Jednorodne – w fazie gazowej

Powstawanie stabilnych substancji transportowanych w gazie (adduct)

Pyroliza prekursorów i adductów Złożone reakcje między rodnikami Niejednorodne – na powierzchni próbki

Adsorpcja i desorpcja prekursorów i związków pośrednich

Pyroliza i złożone reakcje z udziałem rodników Desorpcja produktów

(9)

Plan dzisiejszego wykładu

• Układ doprowadzania gazów (oczyszczalniki, system dozowania gazów)

• Reaktory MOCVD (MOVPE) • Wzrost warstw

- Problemy niedopasowania sieciowego

- Wybrane warunki wzrostu (T, przepływy reagentów, itd.)

(10)

MOVPE-metalorganic chemical vapour

phase epitaxy

A(CH₃)₃+BH₃

AB+3CH4 A= Ga, In, Al, B=N, As, P

(11)

Oczyszczalniki gaz

ó

w

Palladowy oczyszczalnik wodoru

(12)

Oczyszczalniki

getteruj

ą

ce

Bazuj

Bazująące na stopach Zrce na stopach Zr Oczyszczanie N2, H2

Oczyszczanie N2, H2

Oraz NH3, SiH4, AsH3, PH3, i in.

Z

O2, CO2, CO, CH4, CF4, CCl4, NO i in.

Do poziomu

Do poziomu ppbppb

Koszt oczyszczania: oko

(13)

MFC1 MFC2 PC bubbler T, p gaz nośny do zaworów RUN-VENT III

Bubblery

TMGa

,

TMIn

,

TMAl

, Cp2Mg,

Cp2Fe,

(14)

Podstawowe elementy

ukladu

gazowego: MFC (

Mass

-

flow

controllers

), PC (

Pressure

controllers

), Zawory, rurki

elektropolerowane

(15)

Dozowanie gaz

ó

w do reaktora

MFC1

MFC2

Linia RUN V (reaktora) Linia VENT V SiH₄ gaz nośny NH₃ NO NC NC NO Linia RUN III MFC1 MFC2

Linia VENT III

TMAl gaz nośny TMGa NO NC NC NO TMIn NC NO CP₂Mg NC NO

(16)

Reaktory MOVPE

Reflektometria laserowa In-situ

grafitowa podstawa pokryta SiC

podłoże

grzanie indukcyjne

Wlot grupy III

TMGa TMAl TMIn Cp2Mg Gaz nośny Wlot grupy V NH3 SiH4 gaz nośny

Przepływ górny (gaz nośny)

Reflektometria laserowa In-situ

grafitowa podstawa pokryta SiC

Wlot grupy V

Wlot grupy III

podłoże

grzanie indukcyjne

Nie mieszanie się zbyt wczesne reagentów

Przepływ laminarny

(17)

Reaktor EMCORE D75

(18)

Reaktory MOVPE

Thomas

Swan

Aixtron

(19)

(20)

Jednorodność temperatury,

ciśnienia, dostarczania reagentów

Niejednorodność temperatury

Wpływ obrotu na szybkość wzrostu

(21)

Reflektometria laserowa (monitorowanie

wzrostu struktury niebieskiej diody

laserowej)

2400 4800 7200 9600 12000 14400 16800 19200 2 3 4 5 6 re fl . in t. [ a .u .] time [s]

(22)

Scrubbing- oczyszczanie gazów wylotowych

Gazy wylotowe (toksyczne)

są adsorbowane i

pasywowane poprzez utlenianie.

(23)

Zaczynamy wzrost warstw:

1. Podłoże monokrystaliczne

• Bez dyslokacji

• Epi-ready powierzchnia

• Ustalona dezorientacja!!!!

• Usuwanie zniszczeń podpowierzchniowych

i zanieczyczeń powierzchni:

Trawienie (także jonowe)

Wygrzewanie

(24)

Wygi

ę

_ę

cie struktury laserowej w

zale

ż

_ż

no

ś

_ś

ci od grubo

ś

_ś

ci pod

ł

o

ż

_ż

a

Za ma Za małłee Akceptowalne Akceptowalne 0 5 10 15 20 10 100 1000 _cladding 120 µm 60 µm 90 µm R (c m ) Al content (%) HP GaN AlGaN AlGaN R R

(25)

P

ę

_ę

kanie 1

µ

m

AlGaN

, Al=8%

On 60

(26)

Struktury paskowe

AlGaN/GaN

Naprężenia w

warstwie litej

Naprężenia w warstwie

paskowej

(27)

Eliminacja pękania

i redukcja wygięcia

Bez maski AlN

Z maską AlN, paski 15 10 5 3 µm

Gęstość defektów: w oknie <106/cm2 na masce 1010/cm2

AlGaN 27% 220 nm

(28)

Najważniejsze mody wzrostu epitaksjalnego

Volmer-Weber (VW)

Frank-van der Merwe (FM) Stranski-Krastanov (SK)

Przykład: Kropki kwantowe InAs na GaAs

Przykład: Wzrost GaN na szafirze

Przykład: wzrost AlGaAs na GaAs

(29)

100nm

Kropki kwantowe InGaAs w GaAs

tworzone pod wpływem niedopasowania

sieciowego

(30)

(31)

Jeszcze inne rysunki… Gładki wzrost Wzrost wyspowy, zmiany lokalnej dezorientacji Wzrost na dyslokacjach

(32)

Atomic step-flow często się nie udaje.

(33)

Zadanie do domu:

Przestudiować ten rysunek

(34)

GaN na szafirze-przykład bardzo dużego

niedopasowania- 16%

szafir LT-bufor [0001] [11-20]

nachylenia

(„tilt”)

• - skręcenia

_{(„twist”)}

granice mozaiki

kąt

skręcenia kąt

(35)

Wzrost GaN na

szafirze

0.0 1.0 2.0 µm 0. 50 n m/ Di v

(36)

0.1 1 10 1E7 1E8 1E9 1E10 ρρρρ d y s lo k a c ji [c m -2 ]

średnia wielkość ziaren [µµµµm]

• gęstość dyslokacji a

wielkość ziaren w GaN/szafirze

T. Bottcher (Bremen) Appl. Phys. Lett.

Vol 78, 14, 2001

krawędziowe

(TEM ) (XRD )

(37)

1 2 3 3.183 3.184 3.185 0 1 2 3 4 5 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 a [ A ] ρ ρ ρ ρ edge [10 9 cm-2] σσσσ in p la n e [G P a ]

średnia wielkość ziaren [µµµµm]

krzywa teoretyczna a_relax=3.1885 A

• naprężenia w warstwie a

wielkość ziaren w GaN/szafir

T. Bottcher (Bremen) Appl. Phys. Lett.

Vol 78, 14, 2001

Całkowite naprężenie termiczne

(38)

schemat zmian parametru „a”

przy schładzaniu warstwy GaN/szafir

odkształcenia rozciągające zależne od wielkości ziaren a_relax(10000₎ 200_C ₁₀₀₀0_C a_relax(200₎ a_GaN T a(200₎ odkształcenia ściskające a(10000₎ małe ziarno duże ziarno GaN objętościowy całkowicie naprężony GaN Całkowite odkształcenie termiczne („thermal strain”)

(39)

G ro w th r at

e Best growth zone

Kine tics-l imite d Th erm od_yn am ics -lim ited Temperature Diffusion controlled Czynnik 1. Temperatura

(40)

Wbudowywanie się In w InGaN w

zależności od temperatury

(41)

0 ,0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5 0 ,6 0 ,0 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 G a N G a A s : M iz u ta e t a l ( 1 9 8 4 ) A lA s : M iz u ta e t a l ( 1 9 8 4 ) In P : H s u e t a l ( 1 9 8 3 ) G a N : p = 1 0 0 m b a r T = 1 0 2 0OC N H 3= 0 ,0 9 m o l/m in V_{G R} [µm /h ] a lk y l m o la r flo w [µm o l/m in ] Czynnik 2 Przepływ reagentów

(42)

Wbudowywanie się In w InGaN w

zależności od przepływu TMI

(43)

Pytania:

• Jak domieszkowanie wpływa na morfologię warstw

i prędkość wzrostu?

• Jak ciśnienie wpływa na parametry warstw?

• W którym kierunku najlepiej wybrać dezorientację

podłoża?

• Jak stosunek III:V wpływa na parametry warstw? • i wiele, wiele innych…