Wzrost warstw epitaksjalnych pprzewodnikw na wiecie i w Polsce

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

EPITAKSJA WARSTW

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Michał Leszczyński

Instytut Wysokich Ciśnień PAN i TopGaN

DEFINICJA

Epitaksja- nakładanie warstw

monokrystalicznych na podłoże

monokrystaliczne wymuszające

strukturę krystaliczną warstwy.

Reaktory do epitaksji

Reaktory do epitaksji zwizwią_ązkowzkow

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

Plan

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

• Wzrost studni kwantowych • Domieszkowanie

I. Zastosowania struktur warstw

epitaksjalnych

• Diody elektroluminescencyjne LED • Diody laserowe LD

• Tranzystory i sensory • Detektory światła

Diody elektroluminescencyjne LED Al_0.16GaN:Si 40nm 4QW QW – In_XGa_1-XN/QB – In_YGa_1-YN:Si GaN:Si 500nm Al_0.20GaN:Mg 60nm GaN:Mg 100nm In_0.02GaN:Si 50nm

-+

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

HEMT, także sensory gazów i cieczy

n-AlGaAs metal (e.g. aluminum)

ohmic ohmic

source gate Schottky_{diode drain}

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

Detektory światła

II. Metody wzrostu warstw

epitaksjalnych

• Molecular Beam Epitaxy (MBE)

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

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

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

Mod wzrostu poprzez płynięcie stopni (step-flow)

AFM

TEM struktury laserowej

TEM struktury laserowej wzrastanejwzrastanej metodmetodą_ą MBEMBE

MOVPE-metalorganic chemical vapour phase epitaxy

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

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)

MOVPE Układ gazowy Reaktor

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]

Wbudowywanie się In w InGaN w zależności od przepływu TMI

Wbudowywanie się In w InGaN w zależności od temperatury

III. Problem niedopasowania

sieciowego

• Homoepitaksja • Heteroepitaksja

• Przypadek warstw naprężonych

III. Relaksacja sieci

Homoepitaksja

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

Rozepchni

Rozepchnię_ęcie 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

Rozepchni

Rozepchni

ę

_ę

cie sieci przez swobodne

cie sieci przez swobodne

elektrony

EL2

EL2

-

-

like

like

defects

defects

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

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

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

Wygi

Wygię_ęcie struktury laserowej w cie struktury laserowej w zale

zależ_żnonoś_ści od gruboci od gruboś_ści podci podłłooż_żaa

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

50

50 µµµµ_µµµµmm

EPD w strukturze epitaksjalnej

EPD w strukturze epitaksjalnej

niebieskiego lasera

niebieskiego lasera

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

przecinająących warstwcych warstwęę aktywnaktywnąą

10

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

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

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

(„tilt”) • - skręcenia _{(„twist”)}

granice mozaiki

kąt

skręcenia kąt

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

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

Dla ultrafioletowych laser

Dla ultrafioletowych laseróów nie ma szans w nie ma szans usuni

usunię_ęcia 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 (%)

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 zatrzymują_ą ppę_ękanie i zmniejszajkanie i zmniejszają_ą

wygi

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

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

IV. Studnie kwantowe

• Skład studni i bariery • Szybkość wzrostu,

temperatura, itp..

• Czas zatrzymania wzrostu na międzypowierzchni

• Granica ostra albo rozmyta • Może lepsze kropki

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 ssą_ą 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, , xx_{averageaverage}= 3.2%= 3.2%

Czasem nie s

Czasem nie są_ą……

Krzywa odbi

Krzywa odbić_ć 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)

Jak badamy g

Jak badamy głładkoadkość_ść mimię_ędzydzy--powierzchni?powierzchni? Reflektometri

Reflektometrią_ą rentgenowskrentgenowską_ą..

RMS 1A

RMS 1A

RMS 20A

Reflektometri

Reflektometrią_ą teteż_ż badamy grubobadamy grubość_ść

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

Przykład badań: studnie InGaN QW samples 5x [(3 nm or 9 nm In_0.09Ga_0.91N 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

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 .)

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 ) •

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

wię_ęcej In ale cej In ale λλλλ_λλλλ

taka sama taka sama Mniejsza Mniejsza segregacja segregacja

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

Warstwa

TEM struktury laserowej z za du

TEM struktury laserowej z za dużą_żą

koncentracj

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,