Wzrost krysztaw objtociowych pprzewodnikw na wiecie i w Polsce

(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 Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN

02-668 Warszawa, Al. Lotników 32/46 E-mail: zytkie@ifpan.edu.pl

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

(2)

Wzrost kryształów objętościowych

półprzewodników na świecie i w Polsce

Michał Leszczyński

Instytut Wysokich Ciśnień PAN UNIPRESS

i TopGaN

(3)

Instrukcja postępowania dla

crystal-growera: Znaleźć odpowiedzi na pytania:

• Jaki kryształ warto hodować i dlaczego?

• Jak go wyhodować?

• Jak go scharakteryzować?

• Komu można go sprzedać?

(4)

Czego powinien nauczyć się crystal-grower?

1. Termodynamiki

2. Fizyki powierzchni

3. KUCHNI !!!!!

4. Fizyki defektów

5. Metod charakteryzacji

(5)

Przykładowe pytania do zadawania

wykładowcom

• Jak zmienia się entalpia przy syntezie Ga+As= GaAs? • Jak zmienia się prędkość wzrostu kryształu w

zależności od dezorientacji zarodka (podłoża)? • Dlaczego kryształ krzemu można wyhodować o

średnicy prawie 400 mm, a innych kryształów nie?

• Dlaczego jedne atomy zanieczyszczeń się wbudowują w kryształ, a drugie wręcz przeciwnie?

• Jak można zmierzyć ilość wakansów w krysztale? I setki innych!!!!

(6)

Plan wykładu

• Po co nam kryształy półprzewodników?

• Wzrost kryształów z roztopu (Si, GaAs)

• Wzrost kryształów z roztworu (GaN)

• Wzrost kryształów z fazy gazowej (GaN)

• Defekty w kryształach (charakteryzacja)

(7)

Dokąd zmierza świat?

• Szybkość przetwarzania informacji • Szybkość przesyłania informacji

• Detekcja materiałów biologicznych i

chemicznych- diagnozy medyczne, środowiska, i in.

• Nowe terapie medyczne

• Produkcja i oszczędzanie energii

(8)

Ultrag

ę

_ę

sty

zapis informacji

HD DVD (kilkadziesi

(9)

Ultrag

ę

_ę

sty

zapis informacji: holografia

(Terabajty)

(10)

Spintronika- informacja przenoszona za pomocą spinu

T.Dietl. et al., Science ’00, PRB’01

x_Mn = 0.05,

(11)

Przyrządy na przejściach

międzypasmowych (intrasubband)

Interband Interband recombination recombination is is slowslow→→~1 ~1 nsns Intersubband Intersubband transition transition is is fastfast→→<1 <1 psps E E₂₂ E E₁₁ H H₁₁

Laser kaskadowy

(12)

Sensory materiałów biologicznych (i nie tylko)

+

-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ + -+ -+ -+

(13)

(14)

(15)

(16)

1. Co to znaczy „kryształ”?

Struktura monokrystaliczna Struktura amorficzna

(17)

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 • Ma możliwość regulacji przerwy energetycznej przy

zmienianym składzie.

• Łatwiej uzyskać gładkie interfejsy w strukturach warstwowych

Niemal wszystkie półprzewodnikowe przyrządy

elektroniczne i optoelektroniczne są wykonywane na materiałach krystalicznych.

(18)

Półprzewodnikowe kryształy objętościowe

(prywatne oszacowania)

0.1-1 (TopGaN, Ammono) 5-50 500-1000 GaN -1 000 5 GaAs 0.1 (Cemat Silicon) 10-15 000 0.2 Krzem Procent w Polsce (%) Produkcja na świecie (mln Euro) Cena za cm2 (Euro)

(19)

(20)

Związki II-VI: ZnO,

(ZnCdHgMg)(SSeTe)

• Bardzo pożądane, bo:

- Przerwa energetyczna zmienna w dużym

zakresie,

- Łatwość domieszkowania Mn, Fe- spintronika

Ale:

- Dużo defektów strukturalnych (punktowych i

rozciągłych) generowanych podczas wzrostu i

pracy przyrządów

(21)

Laboratorium Wzrostu Kryształów

Modelowanie teoretyczne Wzrost Obróbka powierzchni Charakteryzacja

(22)

Warunki topnienia

półprzewodników

60

000

2

225

225 GaN

GaN

3.0 1465 GaP 1.5 1250 GaAs <1 1400 Si P at melting P at melting bar bar Melting Melting T,T,oo_C_C crystal crystal

(23)

KRZEM

(24)

SiO

₂

+2C→Si +2 CO (1500-2000

o

C)

98% purity (MG Si)

Si+3HCl→SiHCl

₃

+H

₂

(BCl

₃

, FeCl

₃

, itp.,

usunięte przez destylację)

SiHCl

₃

+H2→Si +3HCl

(25)

• 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

(26)

(27)

Wzrost kryształu

krzemu

10-50 mm/h

kwarcowy reaktor

(28)

(29)

(30)

“

Float Zone

” –proces do krystalizacji

lub/i oczyszczania materiału

(31)

Proces Float zone: domieszki i inne zanieczyszczenia nie wbudowują się w rekrystalizowany materiał.

(32)

Obróbka kryształu

(33)

(34)

Trawienie chemiczne dla usunięcia zniszczeń

powierzchni i zanieczyszczeń

(35)

Wymiary wafli krzemowych

Table 4.3 Diameter (mm) Thickness (µm) Area (cm2) Weight (grams/lbs) Weight/25 Wafers (lbs)

150

675 ± 20 176.71 28 / 0.06

1.5

200

725 ± 20 314.16 53.08 / 0.12

3

300

775 ± 20 706.86 127.64 / 0.28

7

400

825 ± 20 1256.64 241.56 / 0.53

13

(36)

88 die

200-mm wafer

232 die

300-mm wafer

Ilość procesorów 1.5 cm x 1.5 cm

2 Figure 4.13

(37)

(38)

(39)

“

Backside Gettering” –oczyszczanie krzemu

Polished Surface

Backside Implant: Ar (50 keV, 1015_/cm2₎

Argon amorfizuje tylnią część wafla krzemowego. Następnie wygrzewanie w 550o_{C, powoduje}

rekrystalizację, powstanie mikropęcherzyków argonu, do których dyfundują zanieczyszczenia (głównie

metale). Jednocześnie powstają wydzielenia tlenowe, obniżając ilość tlenu przy powierzchni.

(40)

(41)

GaAs device market

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 U S D M ill io n s year Strategies Unlimited

(42)

GaAs substrate market

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 U S D M ill io n s year

(43)

(44)

(45)

(46)

Dyslokacje w GaAs

20/cm2 VGF Si(pBN) 100/cm2 VGF Si(q) 1000/cm2 VGF Un 10000/cm2 VCz 100000/cm2 LEC

(47)

(48)

(49)

Rynek azotkowych diod UHB –

ultra high brightness

'01 '02 '06e S a les / $ b il li on > 20% p.a. 4.0 1.8 1.2 2002 forecast 3.0

(50)

Inne zastosowania GaN

• Diody laserowe

• Sensory

• Detektory UV

• Tranzystory wysokiej mocy, wysokiej

częstości

(51)

Dyslokacje:

Rozpraszaj

ą

_ą

ś

wiat

ł

o

Rozpraszaj

ą

_ą

no

ś

_ś

niki

elektryczne

Zwi

ę

_ę

kszaj

ą

_ą

dyfuzj

ę

_ę

Rekombinuj

ą

_ą

nieradiacyjnie

Niska moc

Gorsza

efektywno

ść

_ść

Kr

ó

tszy czas

ż

(52)

Kryształy GaN wzrastane

w wysokim ciśnieniu (HP)

p=10 000 atm., T= 1500 oC

Objętość: 4.5 litra

Czas wzrostu: 100-200 godz.

Technologia opatentowana

(53)

(54)

W

ł

_ł

asno

_asno

ś

_ś

ci kryszta

ł

ó

w GaN

10 – 100 cm

-2

Bardzo ma

ł

a

g

ę

_ę

sto

ść

_ść

dyslokacji

Przygotowanie

powierzchni

Polerowanie

Trawienie mokre

Trawienie jonowe

RMS=1

nm

Grubo

ść

_ść

50

50 -

-

120

120 µ

µ

m

(55)

Wysokoci

ś

_ś

nieniowe HP

kryszta

ł

_ł

y GaN

_{y GaN}

Z każdego kryształu 200-300

niebieskichj laserów

G

ę

_ę

sto

ść

_ść

dyslokacji 0

-

1

1 na laser

na laser

wielko

ść

_ść

: do 0.5

cala

Do zastosowa

(56)

HVPE w CBW PAN

HCl(g) + Ga(l) _{GaCl(g) + 1/2H} ₂

GaCl(g)+NH₃(g) = GaN(s)+HCl(g)+H₂

Bolek Łucznik & P. Hageman, grudzień 2002

Susceptor obrotowy

Linia HCl Linia NH3

(57)

Warunki procesu HVPE

1. Geometria układu 2. Podłoże 3. Przepływy i stężenia HCl i NH₃ 4. Temperatura wzrostu 5. Gaz nośny

6. Temperatura syntezy GaCl

GaCl Gal

NH₃ susceptor

Układ podstawowy

(58)

HVPE

Szybko

Szybkość_ść wzrostu do wzrostu do 500

500 µµµµµµµµm/hm/h

Na szafirze 1

Na szafirze 1 inchinch, grubo, grubośćść22--4 mm 4 mm G

Gę_ęstostość_ść dyslokacji 10dyslokacji 1066 _cm_cm--22

Na HP GaN

G

Gęęstostośćść dyslokacji dyslokacji 10

(59)

2

2 -

-

calowe kryszta

ł

y

wzrastane

metod

ą

_ą

HVPE

G

ę

_ę

sto

ść

_ść

dyslokacji 10

-

-100 na laser

100 na laser

Wielko

ść

_ść

do 2 cali

Jako

ś

_ś

c

zbli

ż

_ż

ona do trzech

innych producent

ó

w na

ś

wiecie

Do produkcji masowej

laser

(60)

G

ę

_ę

sto

ść

_ść

dyslokacji:

10

8 8

_cm

--22

10

66

_cm

--22

Wysokoćiśnieniowy wzrost PENDEO

(zawieszony)

(61)

Łą

czona metoda HP i HVPE

G

ę

_ę

sto

ś

_ś

c

dyslokacji: 1

-

10

10 na laser

na laser

Size

: do 2 cali

Unikalny produkt

Do laser

ó

w

ś

_ś

redniej mocy

+

(62)

Jak sobie radz

ą

_ą

inni?

Sumitomo

Sumitomo: 300 : 300 µµµµµµµµm (???)m (???) ELOG: 5

ELOG: 5--7 7 µµµµµµµµm m stripesstripes

Dislocation

(63)

Motto dla każdego crystal-growera:

Kryształy są jak kobiety. Defekty

czynią je pięknymi.

(64)

Defekty sieci krystalicznej

(65)

Dyfrakcja rentgenowska!!! HR XRD

Krzywa odbić Rocking curve

(66)

(67)

Trawienie selektywne defektów, EPD

Ujawnianie defektów, koncentracji nośników elektrycznych, polarności

(68)

Wysokorozdzielcza transmisyjna

mikroskopia elektronowa (HRTEM)

Wizualizacja

poszczególnych defektów, składu chemicznego i

(69)

Pomiary elektryczne

Wafer

R

Voltmeter Constant current source

V I = V I x 2πs (hms-cm) Koncentracja nośników Ich ruchliwość

(70)

Pomiary optyczne

(71)