Lateralny wzrost epitaksjalny

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów

Lateralny wzrost epitaksjalny (ELO)

18 maj 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

Epitaxial Lateral Overgrowth (ELO) Lateralny Wzrost Epitaksjalny

podłoże

maska SiO₂ warstwa ELO

„skrzydło”

Wymagania:

• wzrost selektywny (brak zarodkowania na masce)

• duża pozioma (lateralna) prędkość wzrostu V_lat

Szybkość wzrostu różnych powierzchni kryształu (wykład SK) powierzchnia atomowo szorstka

R (szybko

ść

wzrostu)

σ (przesycenie)

Szybkość wzrostu różnych powierzchni kryształu (wykład SK) powierzchnia atomowo-gładka bez dyslokacji - zarodki 2D

R (szybko

ść

wzrostu)

σ (przesycenie)

Szybkość wzrostu różnych powierzchni kryształu (wykład SK) powierzchnia atomowo-gładka z dyslokacjami

R (szybko ść wzrostu) σ (przesycenie) szorstka _2D dyslokacje

Mechanizm wzrostu warstw ELO

gładka powierzchnia

górna szorstka powierzchnia_boczna

podłoże ELO (100), (111), .... R (szybko ść wzrostu) σ (przesycenie) szorstka _2D dyslokacje R (szybko ść wzrostu) σ (przesycenie) szorstka _2D dyslokacje σ_opt Wybrać:

• gładką powierzchnię górną (mała V_ver)

• szorstką powierzchnię boczną (duża V_lat)

• dobrać przesycenie σ_opt- LPE super !!!

- VPE, MOVPE, HVPE - OK. - MBE ???? słabo

Mechanizm wzrostu warstw ELO

gładka powierzchnia

górna szorstka powierzchnia_boczna

podłoże ELO (100), (111), .... [011] [011] [001] 1.2 mm (111)A (111)B (010) (100)

Warstwa GaAs na podłożu (100) GaAs (LPE) Zytkiewicz Cryst. Res. Technol. 1999

8 równoważnych kierunków okien gdy podłoże bez dezorientacji

gdy jest dezorientacja podłoża istnieje 1 optymalny kierunek okna

Zastosowanie ELO - struktury SOI otrzymywane techniką LPE

Si substrate

SiO₂ mask

Si ELO

„wing”

- silicon-on-insulator structures MOS transistor on ELO Si/SiO2

Bergmann et al. Appl. Phys. A (1992)

- zagrzebany kontakt/zwierciadło

substrate

light

back mirror (photon recycling) ELO

mask

substrate

buried electrical contact

ELO

mask

- separacja elektryczna od podłoża

substrate GaSb

ELO (GaSb)

Warstwy ELO Si/SiO₂/Si - struktury SOI otrzymywane techniką LPE ścięcie podłoża sto_pn ie po dło_ża skąd taki kształt warstw ELO Si?

- brak dyslokacji w podłożach Si

ELO

see

d

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;

ELO = metoda redukcji gęstości dyslokacji w warstwach epitaksjalnych „podłoże” MOVPE GaN: S = 5 – 20 μm; W = 2 - 5 μm LPE GaAs: S = 100 – 500 μm; W = 6 - 10 μm maska: SiO₂, Si₃N₄, W, ZrN, grafit, ... S W jamki trawienia ELO „wing” GaN GaAs podłoże bufor szafir Si A_xB_1-xC binary

nowa klasa podłóż o “zaplanowanej” stałej sieci a = f(x)

GaN GaAs A_xB_1-xC

ELO

filtracja dyslokacji w ELO - nowa idea ? Necking in Bridgman growth

T z

T_top

Cu crystal – Chochralski growth

ELO

„wing” recepta:_{o sieci krystalograficznej;}weź z podłoża info

nie bierz defektów

N_TD = 1010 _cm-2 _{⇒ L = 100 nm}

Mechanizm wzrostu ELO na podłożach z dyslokacjami

maska SiO₂

podłoże Si

warstwa ELO Si

kierunek ścięcia

ELO na podłożu bez dyslokacji Si/Si

ELO na podłożu z dyslokacjami GaAs/GaAs

wzrost tylko w kierunku ścięcia

wzrost ELO możliwy bez dezorientacji podłoża; ścięcie podłoża czasami stosowane (np. GaAs/Si)

Zytkiewicz et al. Cryst. Res. Technol. 2005

3o

seed

kierunek ścięcia

GaAs substrate

wzrost we wszystkich kierunkach porównanie

ELO - optymalizacja przesycenia w LPE 500 550 600 650 700 750 0 5 10 15 20 undoped GaAs/GaAs as pect (w idth/thickness) ratio growth temperature T₀ [oC] temperatura wzrostu thermal roughening of

the upper face

microfacetting

on the side wall Topt

0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 10 15 20 25 30 aspect ratio

cooling rate α [oC/min]

ELO GaAs - cooling rate

gładka powierzchnia _szorstka

powierzchnia

podłoże

ELO - wpływ domieszkowania

domieszkowanie ⇔ szybkość wzrostu: wykład SK

500 550 600 650 700 750 0 5 10 15 20 25 30 aspect ratio

growth temperature To [oC]

[Si] = 0.5 % at. [Si] = 0 [Si] = 2.5 % at. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 as pect r atio

Si concentration in liquid [at. %]

T = 750oC

gładka powierzchnia _szorstka

powierzchnia podłoże ELO d stopień dopants t1 t2>t1 t3>t2

domieszki blokują przepływ stopni na górnej ścianie

V_ver maleje V_lat rośnie Model

(b)

25 μm 106 μm

ELO GaAs - Si doped

(a)

10 mμ

ELO - wbudowywanie domieszek

domieszkowanie ⇔ szybkość wzrostu: wykład T. Słupiński

u - liniowa prędkość krystalizacji (prędkość

przesuwania frontu krystalizacji)

δ – grubość warstwy dyfuzyjnej D – stała dyfuzji domieszki w cieczy

( )lo s C C k₀ = l s C C eff k = ) / exp( ) 1 ( ₀ 0 0 D u k k k k_eff δ ⋅ − ⋅ − + = a b 10 μm ELO GaAs:Te SEM CL k_eff > k₀ więcej Te k₀ mniej Te substrate seed t₁ t₂ t₃ t₄ 10 μm

Efekt Gibbsa-Thomsona

⇒

wykład SK

Efekt Gibbsa - Thomsona – zmiana równowagi faz na powierzchni zakrzywionej

( ) ( )

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ Γ + ⋅ ∞ R 1 p = R p

( ) ( )

_⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ Γ + ⋅ ∞ R 1 C = R C Γ - capillarity constant (∼ 10-7 _{cm = 1 nm)} R

równowagowe ciśnienie (koncentracja) na powierzchni zakrzywionej jest większe niż na płaskiej

Silier et al. J. Cryst. Growth 1996

Potrzebne wstępne przesycenie roztworu o ok. ∼1.8o_{C by rozpocząć wzrost ELO Si}

metodą LPE; w przeciwnym wypadku warstwa nie może “wyjść” ponad maskę

maska SiO₂

podłoże Si

warstwa ELO Si

duża krzywizna ściany na początku wzrostu

Efekt Gibbsa-Thomsona

⇒

wykład SK 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 10 20 30 40 (b) thickness [ μ m ] width [μm] Gibbs-Thomson effectON 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 10 20 30 40 width [μm] (a) thickness [ μ m

] _{Gibbs-Thomson effect OFF}

GaAs substrate C_bulk C_in C_eq As bulk diffusion growth near-surface diffusion

symulacje: ELO GaAs techniką LPE

SiO₂mask _window

vertically grown part of ELO

substrate

laterally grown part of ELO

wizualizacja efektu Gibbsa-Thomsona: ELO GaAs techniką LPE

obecność dyslokacji podłożowych pozwala na wzrost ELO bez wstępnego przesycenia roztworu

ELO GaAs/GaAs otrzymywane metodą LPE

L = 172 μm; t = 2.8 μm

thickness t = 2.8 μm

width of the wing L = 172 μm aspect ratio 2L/t = 126

Filtrowanie dyslokacji w procesie ELO LPE - GaAs/Si EPD > 10 -8 cm -2 8 -2 device GaAs ELO MBE GaAs buffer (001) Si substrate seed LPE - GaSb/GaAs GaAs substrate GaSb ELO MBE GaSb buffer GaSb ELO

Filtrowanie dyslokacji w procesie ELO: TEM GaAs/Si

SiO₂ mask

2 µm Si substrate

ELO GaAs ELO wing

GaAs buffer LT GaAs

wzrost 2-stopniowy (wykład 14)

Filtrowanie dyslokacji w procesie ELO: TEM HVPE GaN/szafir

Sakai et al. APL 1998 TEM

bending of TD’s in window area !!! dislocations blocked

by the mask

MOVPE LPE LPE

GaN* GaAs/Si** GaAs/GaAs

wing width

L ≤ 5 μm ≤ 90 μm ≤ 200 μm

* _{Fini et al. JCG (2000)} ** _{Chang et al. JCG (1998)}

Szerokość skrzydła ELO

band edge emission 365 nm

Yu et al. MRS Internet Nitride Semicond. Res. 1998

MOVPE GaN on sapphire

GaAs grown over the seed

integrated CL

wing

LPE GaAs/Si

Zytkiewicz Thin Solid Films 412 (2002) 64

Filtrowanie dyslokacji w procesie ELO -katodoluminescencja

Kozodoy et al. APL 1998

!!!

large leakage current due to TD

CW RT blue LD - Nichia

on the wing j_th= 3 kA/cm2

on the window j_th= 6-9 kA/cm2 Nakamura et al. MRS Internet J. Nitride

Semicond. Res. 4S1, G1.1 (1999)

Naprężenia w warstwach ELO (XRD - wykład M. Leszczyński) ϕ angle rotation axis Δω angle scattering plane ELO stripes substrate XRD geometry

Zytkiewicz et al. JAP 1998

ELO GaAs on SiO₂-coated GaAs

ϕ = 0o _{ϕ = 90}o -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 10 1 10 2 10 3 10 4 Intensity [c ps] ω angle [deg] -0.1 0.0 0.1 10 1 10 2 10 3 10 4 ω angle [deg] “porządny” GaAs poszerzenie RC:

• różne stałe sieci ???

• wiele pasków o różnej orientacji ??? • wygięcie sieci - w którą stronę ?

W L substrate SiO₂ mask y t ELO layer seed window X-ray beam sample movement

sample rotation axis in the ω scan

X-ray beam 5 – 10 μm × 0.5 – 10 mm sample movement step 5 – 20 μm

RC, RSM, … measured locally → mapping

ELO layer

substrate

sample rotation axis in the ω scan

R α α α α R ω - ω₀[deg] α - α 0 Intensity

left wing right wing

substrate

ω - ω₀[deg] α

- α 0

Intensity left wing

right wing

substrate

Standard Rocking Curve: • tilt angle α can be measured

• tilt direction cannot be determined X - rays 0 ω -ω 0 [d eg] α - α 0

position on the sample y substrate ELO 0 ω -ω 0 [d eg] α - α 0

position on the sample y substrate ELO

SRXRD mapping:

• tilt angle α(y) can be measured • tilt direction easy to determine • curvature radius R(y) can be

measured locally

• shape of lattice planes

can be analyzed α(y) ~ h’(y) • width of ELO can be measured

Naprężenia w warstwach ELO (mapy krzywych odbić)

Czyzak et al. Appl. Phys. A 2008

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

Position across the stripe x [μm]

ω -ω 0 [arcsec] 25,00 31,98 40,90 52,31 66,91 85,58 109,5 140,0 179,1 229,0 292,9 374,7 479,2 613,0 784,0 1003 1283 1640 2098 2684 3433 4390 5615 7182 9187 1,175E4 substrate

width of the ELO stripe 302 μm 2Δ α=0,5 o ELO -150 -100 -50 0 50 100 150 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 obliczone z XRD Δ h [ μ m]

Position across the stripe x [μm]

Wygięcie warstw ELO GaAs substrate window ELO layer SiO₂removed GaAs substrate window ELO layer

ΔΘ_max SiO2 mask

-0.4 0.0 0.4 101 102 103 104 Intensity [cp s] ω angle [deg] ϕ = 0o as grown 2ΔΘ_max

ELO GaAs on SiO₂-coated GaAs

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 -60 -40 -20 0 20 40 60

Position across the stripe x [μm]

ω− ω 0 [arcsec] 1,000 1,462 2,138 3,127 4,573 6,687 9,779 14,30 20,91 30,58 44,72 65,40 95,64 139,9 204,5 299,1 437,3 639,6 935,2 1368 2000 wing 1 wing 2 substrate seed 2Δα = 55 ” GaAs substrate seed region I region II ELO wing

[Si]region I _{> [Si]}region II

a_{region I} < a_{region II} wygięcie skrzydła do góry

Wygięcie warstw ELO – powszechne w ELO GaN, Si, GaAs, etc.

ELO GaN on sapphire

• kierunek i kąt wygięcia z dyfrakcji elektronów w TEM • XRD na synchrotronie KRZEM Kim et al. JCG 2002 szafir bufor GaN ELO GaN maska SiO₂

Zrastanie pasków ELO

SiO₂mask void

GaAs substrate

1 µm

left wing _right wing

front of coalescence growth window

low angle grain boundary

no dislocations above the mask edge

1 µm

ELO GaAs

GaAs substrate

Similar effect in:

ELO Si on Si - Banhart et al. Appl. Phys. 1993 ELO GaN on sapphire - Sakai et al. APL 1998 PE GaN on sapphire - Chen et al. APL 1999 ...

Naprężenia termiczne w warstwach ELO (GaAs/SiO₂/GaAs/Si) 0.705 0.706 0.707 0.708 0.709 0.710 0.711 0.019 0.020 0.021 0.022 0.023 0.024 10 100 GaAs buffer ELO GaAs q_z q_x I nt en si ty [ cp s] 0.705 0.706 0.707 0.708 0.709 0.710 0.711 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 10 100 q_z q_x I nt en si ty [ cp s] ELO GaAs GaAs buffer X-rays _X-rays

Naprężenia termiczne w warstwach ELO (GaAs/SiO₂/GaAs/Si) -500 -250 0 250 500 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 FWHM=94'' 2ΔΘ=216'' 2ΔΘ=250'' as grown SiO₂ removed inte ns ity [c ps ] ω angle [arcsec] ELO GaAs/Si:

• wings hanging over the SiO₂ mask (no mask-induced tilt)

• wings tilted upwards

Our model: ΔΘ Si substrate SiO₂ mask GaAs buffer GaAs/Si α_GaAs > α_Si

tension in GaAs buffer

upwards tilt

direction of tilt sign of thermal strain in the buffer

Fini et al. Appl. Phys. Lett. 2000

GaN/sapphire

α_GaN < α_sapphire

compression in GaN buffer

downwards tilt

substrate buffer

Epitaxial Lateral Overgrowth

New concept

substrate buffer

™ Nitronex Corp., Raileigh, North Caroline University

Al₂O₃ substrate

GaN buffer

pendeo - “hanging on”

“suspending from”

mask

PE GaN

PE vs. ELO: reduction of TD density over the whole wafer within one PE process

Pendeo-epitaxy

Pendeo-epitaxy

Chen et al. APL 1999

TEM

A

B C

Advantage: maskless versions of PE possible for GaN on SiC or SiC-coated Si

recepta na wzrost warstw o małym EPD na zdyslokowanych podłożach

weź info o sieci podłoża (bufora), Nie bierz defektów !!!

substrate buffer

ELO

ELO – rozwiązanie problemów niedopasowania sieciowego ?

1. Znacząca redukcja gęstości defektów w heterostrukturach niedopasowanych sieciowo 2. Łatwiejsza relaksacja naprężeń termicznych

1. Oddziaływanie z maską i wygięcie 2. Generacja defektów na zroście warstw

Osiągnięcia: Problemy:

buffer

zastosowania Lumilog – produkcja „podłóż” GaN/szafir Nichia – przemysłowe wykorzystanie struktur ELO GaN/szafir

Fizyka „naturalnych” procesów ELO w heterostrukturach z dużym niedopasowaniem

sieciowym