• Nie Znaleziono Wyników

Wzrost warstw epitaksjalnych pprzewodnikw na wiecie i w Polsce

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Wzrost warstw epitaksjalnych pprzewodnikw na wiecie i w Polsce"

Copied!
61
0
0

Pełen tekst

(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)

EPITAKSJA WARSTW

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Michał Leszczyński

Instytut Wysokich Ciśnień PAN i TopGaN

(3)

DEFINICJA

Epitaksja- nakładanie warstw

monokrystalicznych na podłoże

monokrystaliczne wymuszające

strukturę krystaliczną warstwy.

(4)

Reaktory do epitaksji

Reaktory do epitaksji zwizwiąązkowzkow

p

póółłprzewodnikowych w Polsce przewodnikowych w Polsce (MBE, MOVPE, HVPE)

(MBE, MOVPE, HVPE)

15 6 9 Cała Polska 7 4 3 Inne instytucje 3 2 1 ITME 5 -5 Unipress/ TopGaN Razem W 2005 Inne półprzew. 2005 Azotkowe W 2005

(5)

Plan

• Zastosowania struktur warstw epitaksjalnch • Metody wzrostu warstw: MOVPE i MBE • Problem niedopasowania sieciowego

• Wzrost studni kwantowych • Domieszkowanie

(6)

I. Zastosowania struktur warstw

epitaksjalnych

• Diody elektroluminescencyjne LED • Diody laserowe LD

• Tranzystory i sensory • Detektory światła

(7)

Diody elektroluminescencyjne LED Al0.16GaN:Si 40nm 4QW QW – InXGa1-XN/QB – InYGa1-YN:Si GaN:Si 500nm Al0.20GaN:Mg 60nm GaN:Mg 100nm In0.02GaN:Si 50nm

-+

(8)

Diody laserowe 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

(9)

HEMT, także sensory gazów i cieczy

n-AlGaAs metal (e.g. aluminum)

ohmic ohmic

source gate Schottkydiode drain

Insulating substrate i-GaAs i-AlGaAs tb δ 2DEG

(10)

Detektory światła

Ti/Al Sapphire GaN GaN:Si Buffer p-AlGaN Ni/Au GaN:Mg In Ga N/GaNx 1-x

(11)
(12)

II. Metody wzrostu warstw

epitaksjalnych

• Molecular Beam Epitaxy (MBE)

• Metalorganic Vapour Phase Epitaxy (MOVPE), czasami zwane MOCVD

(13)
(14)
(15)

Appropriate other meanings of MBE

Mostly Broken Equipment Massive Beer Expenditures Maniac Bloodsucking Engineers

Mega-Buck Evaporator

Many Boring Evenings (how do you think this list came about?) Minimal Babe Encounters (see previous item)

Mainly B.S. and Exaggeration Medieval Brain Extractor

Money Buys Everything Make Believe Experiments Management Bullshits Everyone Malcontents, Boobs, and Engineers

(16)

RHEED- reflection high energy electron diffraction Gładkość Parametry sieci Rekonstrukcja powierzchni Szybkość wzrostu

(17)
(18)

Mod wzrostu poprzez płynięcie stopni (step-flow)

AFM

(19)

TEM struktury laserowej

TEM struktury laserowej wzrastanejwzrastanej metodmetodąą MBEMBE

(20)

MOVPE-metalorganic chemical vapour phase epitaxy

A(CH3)3+NH3->AN+3CH4 A= Ga, In, Al

(21)

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)

(22)

MOVPE Układ gazowy Reaktor

(23)
(24)

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]

(25)

Wbudowywanie się In w InGaN w zależności od przepływu TMI

(26)

Wbudowywanie się In w InGaN w zależności od temperatury

(27)

III. Problem niedopasowania

sieciowego

• Homoepitaksja • Heteroepitaksja

• Przypadek warstw naprężonych

(28)

III. Relaksacja sieci

(29)

Homoepitaksja

Warstwa tego samego związku, co podłoże, może być niedopasowana sieciowo na

(30)

Rozepchni

Rozepchnięęcie sieci przez cie sieci przez swobodne elektrony swobodne elektrony

E= f (V) + n*

E= f (V) + n*

Ec

Ec

dE

dE

/dV= 0

/dV= 0

a = a0+ n*

a = a0+ n*

Vd

Vd

0 1 2 3 4 5 6 5.1848 5.1852 5.1856 5.1860 5.1864 c (A ) n(1019 cm-3) HP GaN HP GaN HVPE HVPE

(31)

Rozepchni

Rozepchni

ę

ę

cie sieci przez swobodne

cie sieci przez swobodne

elektrony

(32)

EL2

EL2

-

-

like

like

defects

defects

300 K 300 K 77 K 77 K darkdark 77 K + 900 77 K + 900 nmnm +1350 +1350 nmnm Or Or +140 K+140 K LT

(33)
(34)
(35)

Wartości krytyczne do relaksacji 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 10 100 1000 10000 cracking dislocations c ri ti c a l th ic k n e s s ( n m ) mismatch (%) Wartości niedopasowania i grubości warstw występujących w laserze niebieskim

(36)

Wartości krytyczne zależą nie tylko od grubości i niedopasowania warstwy

epitaksjalnej, ale także od:

• Dezorientacji (miscut) podłoża • Domieszkowania

• Obecności defektów w podłożu

• Warunków wzrostu (temperatura, przepływy reagentów, ciśnienie) • Grubości podłoża

(37)

P

P

ę

ę

kanie 1

kanie 1

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

m

m

AlGaN

AlGaN

, Al=8%

, Al=8%

On 60

(38)

Wygi

Wygięęcie struktury laserowej w cie struktury laserowej w zale

zależżnonośści od gruboci od grubośści podci podłłoożżaa

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

(39)

50

50 µµµµµµµµmm

EPD w strukturze epitaksjalnej

EPD w strukturze epitaksjalnej

niebieskiego lasera

niebieskiego lasera

20 20 µµµµµµµµm LD m LD pasek pasek Oko

Okołło 5 dyslokacji na pasek, w tym 0o 5 dyslokacji na pasek, w tym 0--1 1 przecinaj

przecinająących warstwcych warstwęę aktywnaktywnąą

10

(40)

p-GaN p-GaN n-GaN n-AlGaN/GaN0.11 (43 A/ 25 A )*98 InGaN:Si0.08 bulk n-GaN InGaN MQW 0.5%9 % p-AlGaN/p-GaN 0.14 (86 A / 86 A ) * 25 GaN:Si

EPD

EPD

-

-

informacja gdzie si

informacja gdzie si

ę

ę

dyslokacja zaczyna

dyslokacja zaczyna

Pod warstw

(41)

p-GaN p-GaN n-GaN n-AlGaN/GaN0.11 (43 A/ 25 A )*98 InGaN:Si0.08 bulk n-GaN InGaN MQW 0.5%9 % p-AlGaN/p-GaN 0.14 (86 A / 86 A ) * 25 GaN:Si

EPD

EPD

-

-

informacja gdzie si

informacja gdzie si

ę

ę

dyslokacja zaczyna

dyslokacja zaczyna

Nad warstw

(42)

GaN na szafirze-przykład bardzo dużego niedopasowania- 16% szafir LT-bufor [0001] [11-20] nachylenia

(„tilt”) • - skręcenia („twist”)

granice mozaiki

kąt

skręcenia kąt

(43)

Lateralna epitaksja

(ELOG-Lateral Epitaxial Overgrowth)

okno wzrostu jamki trawienia dyslokacje w warstwie buforowej ELOG maska bufor szafir

• Model filtrowania dyslokacji w układach

warstwowych o dużym niedopasowaniu sieciowym

• GaN/szafir:

– gęstość dyslokacji przenikającychELOG

bufor

106 cm-2

(44)

GaAs typu ELOG na Si (4% niedopasowania sieciowego) -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 10 100 1000 10000 I (z lic z e n ia /s e k .) ω - ω max (sek.) A B B A

• Krzywa odbić refl.

004 nie zrośniętych pasków GaAs typu ELOG dla dwóch geometrii pomiaru oś obrotu kąta ωωωω oś obrotu kąta ωωωω płaszczyzna dyfrakcji płaszczyzna dyfrakcji

(45)

Dla ultrafioletowych laser

Dla ultrafioletowych laseróów nie ma szans w nie ma szans usuni

usunięęcia dyslokacji w technologii planarnejcia dyslokacji w technologii planarnej

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 10 100 1000 10000 cracking dislocations c ri ti c a l th ic k n e s s ( n m ) mismatch (%)

(46)

AlN AlN

Zr

Zr

ó

ó

bmy defekty tylko tam, gdzie nie ma

bmy defekty tylko tam, gdzie nie ma

paska laserowego

paska laserowego

AlN

AlN

-

-

fully

fully

relaxed

relaxed

Type

Type

n

n

Type

Type

p

p

Dyslokacje zatrzymuj

Dyslokacje zatrzymująą ppęękanie i zmniejszajkanie i zmniejszająą

wygi

(47)

AlGaN

AlGaN

-

-

owa

owa

warstwa na GaN

warstwa na GaN

Zwyczajne pod

Zwyczajne pod

ł

ł

o

o

ż

ż

e Z mask

e Z mask

ą

ą

AlN

AlN

P

P

ę

ę

kni

kni

ę

ę

cia Bez takowych

cia Bez takowych

Over

Over AlNAlN mask

(48)

Struktura laserowa na pasiastym

Struktura laserowa na pasiastym

pod

pod

ł

ł

ozu

ozu

Dyslokacje: 10

Dyslokacje: 101010 cmcm--2 2 nad masknad mask

ą

ą AlNAlN

Nie ma dyslokacji

(49)

IV. Studnie kwantowe

• Skład studni i bariery • Szybkość wzrostu,

temperatura, itp..

• Czas zatrzymania wzrostu na międzypowierzchni

• Granica ostra albo rozmyta • Może lepsze kropki

(50)

31 32 33 34 35 36 37 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 simulation experimental in te n s it y ( c p s ) 2 theta (deg) Czasem

Czasem wielostudniewielostudnie ssąą bliskie ideabliskie ideałłuu……

34.2 34.3 34.4 34.5 34.6 34.7 34.8 10 100 1000 10000 100000 1000000 simulation experimental in te n s it y ( c p s ) 2 theta (deg)

Nie ma segregacji indu. d(well)=3.2

Nie ma segregacji indu. d(well)=3.2 nmnm, d(barrier)=7.1 , d(barrier)=7.1 nm

nm, , xxaverageaverage= 3.2%= 3.2%

(51)

Czasem nie s

Czasem nie sąą……

Krzywa odbi

Krzywa odbićć dla GaN/dla GaN/InGaNInGaN MQW z MQW z rozsegregowanym indem rozsegregowanym indem -20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 experiment simulation in te n s it y [ a . u .]

2theta [rel. sec.] Angle (arc sec)

(52)

Jak badamy g

Jak badamy głładkoadkośćść mimięędzydzy--powierzchni?powierzchni? Reflektometri

Reflektometriąą rentgenowskrentgenowskąą..

RMS 1A

RMS 1A

RMS 20A

(53)

Reflektometri

Reflektometriąą teteżż badamy grubobadamy grubośćść

cienkich warstw cienkich warstw 60 60 nmnm Ni Ni on Si on Si 10 10 nmnm AuAu 60 60 nmnm NiNi on Si on Si

(54)

Przykład badań: studnie InGaN QW samples 5x [(3 nm or 9 nm In0.09Ga0.91N QW) / 9 nm GaN QB, [Si] = 1×1019 cm-3] GaN capping, 20 nm MOCVD n-GaN Bulk n-GaN

• Sample b1093: narrow (3 nm) QWs ⇒ sample Q3

(55)

Fotoluminescencja

2. PL intensywność Q9 jest

(i) wyższa

(ii) Mniej zmienia się z temperaturą.

• Różnice Q3 and Q9:

1. Q3 ma ‘S-shape’, Q9 nie ma

3. FWHM dla Q3 jest

większa niż dla Q9.

0 100 200 300 400 500 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18 Q9 Q3 F W H M ( e V ) Temperature (K) 2.95 3.00 3.05 3.10 Q3 Q9 E E ( e V ) 105 106 107 Q9 Q3 In te n s it y (a .u .)

(56)

Mapowanie katodoluminescencji 0 2 4 6 8 10 3.03 3.04 3.05 3.06 3.07 3.08 3.09 0 2 4 6 8 10 3.03 3.04 3.05 3.06 3.07 3.08 3.09 T=6 K sample Q9 Position (µm) T=6 K sample Q3 C L p e a k e n e rg y ( e V ) Position (µm) C L p e a k e n e rg y ( e V ) •

(57)

Inkorporacja indu w InGaN QW 20 40 60 80 100 120 4 5 6 7 8 9 10 11 In c o n te n t in Q W [ % ] dQW [A] Gruba QW Gruba QW - -wi

więęcej In ale cej In ale λλλλλλλλ

taka sama taka sama Mniejsza Mniejsza segregacja segregacja

(58)

V. Domieszkowanie

• Donory np. Si, O w GaAs, GaN, InP (III-V) • Akceptory, np. Be w GaAs, Mg w GaN

• Autokompensacja

• Kompensacja zanieczyszczeniami • Tworzenie par, trójek i większych

kompleksów

(59)

Warstwa

(60)

TEM struktury laserowej z za du

TEM struktury laserowej z za dużążą

koncentracj

(61)

Czego warto nauczyć się o epitaksji w dalszym ciągu wykładu?

• Zjawiska na powierzchni półprzewodnika w czasie wzrostu,

• Mechanizmy relaksacji sieci,

• Od czego zależą własności optyczne i

elektryczne półprzewodnikowych struktur kwantowych,

Cytaty

Powiązane dokumenty

W konsekwencji propozycja ujęcia typów badań brzmiałaby: badania dia- gnostyczne, czyli rozpoznanie plus ocena aktualnego stanu rzeczy, badania eksploracyjne, czyli diagnoza

Tempo wzrostu, szybkość opierzania się oraz reprodukcja kur rasy Lakenfelder.. Marcin Różewicz, Alina Janocha, Barbara Biesiada-Drzazga,

Przez to jednak, że jest m im ow ol­ nym powtórzeniem , że Gustaw zbyt słabą jest osobą, by wzbić się na w yżyny sam odzielnie wykuwanej biografii, jest skazany na to, by -

„Věst ník” nepřinášel pouze angažova nou poezii nebo re flek tivní ly riku. Stanovský vo lil také básně zábavné, epické, psané v lašském inter dia lektu, jejichž

W jego przekonaniu budowa nowego ustroju może dokonać się tylko i wyłącznie oddolnie, w ramach stowarzyszeń działających w różnych sferach życia spo- łecznego..

W tym kontekście warto przeanalizować genezę i skutki wyboru społecznej gospodarki rynkowej jako podstawy ustrojowej dla wzrostu i rozwoju gospo- darczego w Polsce..

Tadeusz Kaletyn.

Zofia Sulgostowska. Woźna