GaAs, InP, GaN
GaAs, InP, GaN
GaAs, InP, GaN
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Fizyka i technologia wzrostu kryształów<br />
Wykład .2 Epitaksja warstw półprzewodnikowych<br />
Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński<br />
Instytut Wysokich Ciśnień PAN<br />
01-142 Warszawa, ul Sokołowska 29/37<br />
tel: 88 80 244<br />
e-mail: stach@unipress.waw.pl, mike@unipress.waw.pl<br />
Zbigniew Żytkiewicz<br />
Instytut Fizyki PAN<br />
02-668 Warszawa, Al. Lotników 32/46<br />
E-mail: zytkie@ifpan.edu.pl<br />
Wykład – 2 godz./tydzień –czwartek 11.00 – 13.00<br />
http://www.ptwk.org.pl
EPITAKSJA WARSTW<br />
PÓŁPRZEWODNIKOWYCH<br />
Michał Leszczyński<br />
Instytut Wysokich Ciśnień PAN<br />
i Top<strong>GaN</strong><br />
W-wa 13 października 2005
DEFINICJA<br />
Epitaksja- nakładanie warstw<br />
monokrystalicznych na podłoże<br />
monokrystaliczne wymuszające<br />
strukturę krystaliczną warstwy.
Unipress/<br />
Top<strong>GaN</strong><br />
ITME<br />
Inne<br />
instytucje<br />
Cała<br />
Polska<br />
Reaktory do epitaksji związkow<br />
półprzewodnikowych w Polsce<br />
(MBE, MOVPE, HVPE)<br />
Azotkowe<br />
W 2005<br />
5<br />
1<br />
3<br />
9<br />
Inne półprzew.<br />
2005<br />
-<br />
2<br />
4<br />
6<br />
Razem<br />
W 2005<br />
5<br />
3<br />
7<br />
15
Plan<br />
Zastosowania struktur warstw epitaksjalnch<br />
Metody wzrostu warstw: MOVPE i MBE<br />
Problem niedopasowania sieciowego<br />
Wzrost studni kwantowych<br />
Domieszkowanie
I. Zastosowania struktur warstw<br />
epitaksjalnych<br />
Diody elektroluminescencyjne LED<br />
Diody laserowe LD<br />
Tranzystory i sensory<br />
Detektory światła<br />
Ogniwa słoneczne
Diody elektroluminescencyjne LED<br />
<strong>GaN</strong>:Mg 100nm<br />
Al 0.20 <strong>GaN</strong>:Mg 60nm<br />
4QW<br />
QW – In X Ga 1-X N/QB –<br />
In Y Ga 1-Y N:Si<br />
In 0.02 <strong>GaN</strong>:Si 50nm<br />
Al 0.16 <strong>GaN</strong>:Si 40nm<br />
<strong>GaN</strong>:Si 500nm
p-<strong>GaN</strong><br />
Al<strong>GaN</strong>/p-<strong>GaN</strong><br />
0.14<br />
86 A / 86 A ) * 25<br />
p-<strong>GaN</strong><br />
n-<strong>GaN</strong><br />
<strong>GaN</strong>/<strong>GaN</strong><br />
.11<br />
A/ 25 A )*98<br />
N:Si<br />
<strong>GaN</strong>:Si<br />
bulk n-<strong>GaN</strong><br />
Diody laserowe<br />
In<strong>GaN</strong>:Si/In<strong>GaN</strong><br />
0.5%9<br />
MQW (100 A/ 30 A) * 5
HEMT, także sensory gazów i cieczy<br />
source<br />
metal (e.g. aluminum)<br />
ohmic ohmic<br />
t b<br />
δ<br />
n-Al<strong>GaAs</strong><br />
i-Al<strong>GaAs</strong><br />
i-<strong>GaAs</strong><br />
gate<br />
Insulating substrate<br />
Schottky<br />
diode<br />
2DEG<br />
drain
Ti/Al<br />
<strong>GaN</strong>:Mg<br />
p-Al<strong>GaN</strong><br />
<strong>GaN</strong>:Si<br />
<strong>GaN</strong><br />
Buffer<br />
Sapphire<br />
Ni/Au<br />
Detektory światła<br />
In Ga N/<strong>GaN</strong><br />
x 1-x
Ogniwa słoneczne
II. Metody wzrostu warstw<br />
epitaksjalnych<br />
Molecular Beam Epitaxy (MBE)<br />
Metalorganic Vapour Phase Epitaxy<br />
(MOVPE), czasami zwane MOCVD
Zasada działania MBE
MBE
Appropriate other meanings of MBE<br />
Mostly Broken Equipment<br />
Massive Beer Expenditures<br />
Maniac Bloodsucking Engineers<br />
Mega-Buck Evaporator<br />
Many Boring Evenings (how do you think this list came about?)<br />
Minimal Babe Encounters (see previous item)<br />
Mainly B.S. and Exaggeration<br />
Medieval Brain Extractor<br />
Money Buys Everything<br />
Make Believe Experiments<br />
Management Bullshits Everyone<br />
Malcontents, Boobs, and Engineers<br />
Music, Beer, and Excedrin
RHEED- reflection high energy electron<br />
diffraction<br />
Gładkość<br />
Parametry<br />
sieci<br />
Rekonstrukcja<br />
powierzchni<br />
Szybkość<br />
wzrostu
RHEED
Mod wzrostu poprzez płynięcie stopni<br />
(step-flow)<br />
AFM<br />
Brak oscylacji RHEED
TEM struktury laserowej wzrastanej metodą MBE<br />
10 nm
MOVPE-metalorganic chemical vapour<br />
phase epitaxy<br />
A(CH3)3+NH3->AN+3CH4<br />
A= Ga, In, Al
Wlot grupy V<br />
NH3<br />
SiH4<br />
gaz nośny<br />
MOVPE<br />
Przepływ górny (gaz nośny)<br />
Wlot grupy III<br />
TMGa<br />
TMAl<br />
TMIn<br />
Cp2Mg<br />
Gaz nośny<br />
Reflektometria laserowa In-situ<br />
grafitowa podstawa<br />
pokryta SiC<br />
podłoże<br />
grzanie indukcyjne
MOVPE<br />
Układ<br />
gazowy<br />
Reaktor
Wielowaflowe (multiwafer) reaktory MOVPE
Reflektometria laserowa (monitorowanie<br />
wzrostu struktury niebieskiej diody<br />
6<br />
laserowej)<br />
refl. int. [a.u.]<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
2400 4800 7200 9600 12000 14400 16800 19200<br />
time [s]
Wbudowywanie się In w In<strong>GaN</strong> w<br />
zależności od przepływu TMI
Wbudowywanie się In w In<strong>GaN</strong> w<br />
zależności od temperatury
III. Problem niedopasowania<br />
sieciowego<br />
Homoepitaksja<br />
Heteroepitaksja<br />
Przypadek warstw naprężonych<br />
Przypadek warstw zrelaksowanych
III. Relaksacja sieci<br />
Naprężone- fully strained Zrelaksowane- relaxed
Homoepitaksja<br />
Warstwa tego samego związku, co podłoże,<br />
może być niedopasowana sieciowo na<br />
poziomie ok. 0.01-0.05 %
E= f (V) + n* Ec<br />
dE/dV= dE/dV=<br />
0<br />
a = a0+ n* Vd<br />
Rozepchnięcie sieci przez<br />
swobodne elektrony<br />
c(A)<br />
5.1864<br />
5.1860<br />
5.1856<br />
5.1852<br />
5.1848<br />
HVPE<br />
HP <strong>GaN</strong><br />
0 1 2 3 4 5 6<br />
n(10 19 cm -3 )
Rozepchnięcie sieci przez swobodne<br />
elektrony
EL2-like EL2 like<br />
defects<br />
300 K<br />
77 K dark<br />
77 K + 900 nm<br />
+1350 nm<br />
Or +140 K<br />
LT <strong>GaAs</strong> <strong>GaAs</strong>
Jak stwierdzamy, czy warstwa jest zrelaksowana?
critical thickness (nm)<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
Wartości krytyczne do relaksacji<br />
dislocations<br />
cracking<br />
10<br />
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6<br />
mismatch (%)<br />
Wartości<br />
niedopasowania<br />
i grubości<br />
warstw<br />
występujących<br />
w laserze<br />
niebieskim
Wartości krytyczne zależą nie tylko od<br />
grubości i niedopasowania warstwy<br />
epitaksjalnej, ale także od:<br />
Dezorientacji (miscut) podłoża<br />
Domieszkowania<br />
Obecności defektów w podłożu<br />
Warunków wzrostu (temperatura,<br />
przepływy reagentów, ciśnienie)<br />
Grubości podłoża
Pękanie 1 µm m Al<strong>GaN</strong>, Al<strong>GaN</strong>,<br />
Al=8%<br />
On 60 µm m <strong>GaN</strong> On 120 µm m <strong>GaN</strong> substrates
R<br />
Al<strong>GaN</strong><br />
HP <strong>GaN</strong><br />
Akceptowalne<br />
Za małe<br />
Wygięcie struktury laserowej w<br />
zależności od grubości podłoża<br />
R(cm)<br />
1000 cladding<br />
100<br />
10<br />
120 µm<br />
90 µm<br />
60 µm<br />
0 5 10 15 20<br />
Al content (%)
EPD w strukturze epitaksjalnej niebieskiego<br />
lasera<br />
50 µm<br />
Około 5 dyslokacji na pasek, w tym 0-1 0 1<br />
przecinających warstwę aktywną<br />
10 5 cm -2<br />
20 µm m LD<br />
pasek
EPD- EPD informacja gdzie się dyslokacja zaczyna<br />
p-<strong>GaN</strong> (50 nm)<br />
p-<strong>GaN</strong>/p-Al0.16<strong>GaN</strong> (26 Ĺ / 26 Ĺ) * 80 SL<br />
p-<strong>GaN</strong> (70 nm)<br />
In0.04 <strong>GaN</strong>:Si (8 nm)<br />
n-<strong>GaN</strong> (140 nm)<br />
n-<strong>GaN</strong>/Al0.16<strong>GaN</strong> ( 29 Ĺ / 29Ĺ )*110 SL<br />
<strong>GaN</strong>:Si (530 nm)<br />
bulk n-<strong>GaN</strong><br />
p-Al0.3 <strong>GaN</strong> (10 nm)<br />
In10% <strong>GaN</strong> /In4% <strong>GaN</strong>:Mg<br />
(45 Ĺ / 80 Ĺ) * 5 MQW<br />
Pod warstwą aktywną
EPD- EPD informacja gdzie się<br />
dyslokacja zaczyna<br />
Nad warstwą aktywną<br />
p-<strong>GaN</strong> (50 nm)<br />
p-<strong>GaN</strong>/p-Al0.16<strong>GaN</strong> (26 Ĺ / 26 Ĺ) * 80 SL<br />
p-<strong>GaN</strong> (70 nm)<br />
In0.04 <strong>GaN</strong>:Si (8 nm)<br />
n-<strong>GaN</strong> (140 nm)<br />
n-<strong>GaN</strong>/Al0.16<strong>GaN</strong> ( 29 Ĺ / 29Ĺ )*110 SL<br />
<strong>GaN</strong>:Si (530 nm)<br />
bulk n-<strong>GaN</strong><br />
p-Al0.3 <strong>GaN</strong> (10 nm)<br />
In10% <strong>GaN</strong> /In4% <strong>GaN</strong>:Mg<br />
(45 Ĺ / 80 Ĺ) * 5 MQW
<strong>GaN</strong> na szafirze-przykład bardzo dużego<br />
niedopasowania- 16%<br />
nachylenia<br />
(„tilt”)<br />
[0001]<br />
szafir<br />
kąt<br />
nachylenia<br />
granice mozaiki<br />
LT-bufor<br />
[11-20]<br />
-skręcenia<br />
(„twist”)<br />
kąt<br />
skręcenia
Lateralna epitaksja<br />
(ELOG-Lateral Epitaxial Overgrowth)<br />
dyslokacje<br />
w warstwie<br />
buforowej<br />
jamki trawienia<br />
okno wzrostu<br />
bufor<br />
szafir<br />
ELOG<br />
maska<br />
Model filtrowania dyslokacji w układach<br />
warstwowych o dużym niedopasowaniu<br />
sieciowym<br />
bufor<br />
<strong>GaN</strong>/szafir:<br />
– gęstość dyslokacji przenikających ELOG<br />
10 8-11 cm -2<br />
10 6 cm -2
I (zliczenia/sek.)<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
<strong>GaAs</strong> typu ELOG na Si<br />
(4% niedopasowania sieciowego)<br />
-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000<br />
płaszczyzna<br />
dyfrakcji<br />
oś obrotu<br />
kąta ω<br />
A<br />
ω - ω max (sek.)<br />
B A<br />
B<br />
płaszczyzna<br />
dyfrakcji<br />
Krzywa<br />
odbić refl.<br />
004<br />
niezrośnięt<br />
ych pasków<br />
<strong>GaAs</strong> typu<br />
ELOG dla<br />
dwóch<br />
geometrii<br />
pomiaru<br />
oś obrotu<br />
kąta ω
Dla ultrafioletowych laserów nie ma szans<br />
obyć się bez dyslokacji w technologii<br />
planarnej<br />
critical thickness (nm)<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
dislocations<br />
cracking<br />
10<br />
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6<br />
mismatch (%)
Zróbmy defekty tylko tam, gdzie nie ma<br />
AlN<br />
AlN<br />
paska laseroweg<br />
AlN-fully AlN fully<br />
relaxed<br />
Type n<br />
Type p<br />
Dyslokacje zatrzymują pękanie i zmniejszają<br />
wygięcie
Al<strong>GaN</strong>-owa Al<strong>GaN</strong> owa warstwa na <strong>GaN</strong><br />
Zwyczajne podłoże Z maską AlN<br />
Over AlN<br />
mask<br />
Pęknięcia Bez takowych
Struktura laserowa na pasiastym podłozu<br />
Nie ma dyslokacji<br />
Dyslokacje: 10 10 cm -2 2 nad maską AlN
IV. Studnie kwantowe<br />
Skład studni i bariery<br />
Szybkość wzrostu,<br />
temperatura, itp..<br />
Czas zatrzymania wzrostu na<br />
międzypowierzchni<br />
Granica ostra albo rozmyta<br />
Może lepsze kropki<br />
kwantowe zamiast studni
intensity (cps)<br />
Czasem wielostudnie są bliskie ideału…<br />
1000000<br />
100000<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
1<br />
experimental<br />
simulation<br />
0.1<br />
31 32 33 34 35 36 37<br />
Angle (deg)<br />
2 theta (deg)<br />
intensity (cps)<br />
1000000<br />
100000<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
experimental<br />
simulation<br />
34.2 34.3 34.4 34.5 34.6 34.7 34.8<br />
2 theta (deg)<br />
Nie ma segregacji indu. d(well)=3.2 nm, nm,<br />
d(barrier)=7.1<br />
nm, nm,<br />
xaverage= average=<br />
3.2%
Czasem nie są…<br />
Krzywa odbić dla <strong>GaN</strong>/In<strong>GaN</strong><br />
<strong>GaN</strong> In<strong>GaN</strong> MQW z<br />
rozsegregowanym indem<br />
intensity [a. u.]<br />
1000000<br />
100000<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
1<br />
0,1<br />
0,01<br />
experiment<br />
simulation<br />
-20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000<br />
Angle(arcsec)<br />
2theta [rel. sec.]
Jak badamy gładkość międzypowierzchni?<br />
międzypowierzchni<br />
Reflektometrią rentgenowską.<br />
RMS 1A<br />
RMS 20A
Reflektometrią też badamy grubość<br />
cienkich warstw<br />
60 nm Ni<br />
on Si<br />
10 nm Au<br />
60 nm Ni<br />
on Si
Przykład badań: studnie In<strong>GaN</strong> QW samples<br />
Sample b1093: narrow (3 nm) QWs sample Q3<br />
Sample b1045: wide (9 nm) QWs sample Q9<br />
<strong>GaN</strong> capping,<br />
20 nm<br />
MOCVD n-<strong>GaN</strong><br />
Bulk n-<strong>GaN</strong><br />
5x [(3 nm or 9 nm In 0.09 Ga 0.91 N<br />
QW) / 9 nm <strong>GaN</strong> QB, [Si] =<br />
1×10 19 cm -3 ]
E E (eV)<br />
Intensity (a.u.)<br />
FWHM (eV)<br />
3.10<br />
3.05<br />
3.00<br />
2.95<br />
10 7<br />
10 6<br />
10 5<br />
0.18<br />
0.15<br />
0.12<br />
0.09<br />
0.06<br />
Fotoluminescencja<br />
Q3<br />
Q3<br />
Q3<br />
Q9<br />
Q9<br />
Q9<br />
0 100 200 300 400 500<br />
Temperature (K)<br />
Różnice Q3 and Q9:<br />
1. Q3 ma ‘S-shape’, Q9 nie ma<br />
2. PL intensywność Q9 jest<br />
(i) wyższa<br />
(ii) Mniej zmienia się z<br />
temperaturą.<br />
3. FWHM dla Q3 jest<br />
większa niż dla Q9.
CL peak energy (eV)<br />
3.09<br />
3.08<br />
3.07<br />
3.06<br />
3.05<br />
3.04<br />
3.03<br />
Mapowanie katodoluminescencji<br />
T=6 K sample Q3<br />
0 2 4 6 8 10<br />
Position (µm)<br />
CL peak energy (eV)<br />
3.09<br />
3.08<br />
3.07<br />
3.06<br />
3.05<br />
3.04<br />
3.03<br />
T=6 K sample Q9<br />
0 2 4 6 8 10<br />
Position (µm)
In content in QW [%]<br />
11<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
Wbudowywania indu w In<strong>GaN</strong> QW<br />
20 40 60 80 100 120<br />
dQW [A]<br />
Gruba QW więcej<br />
In ale λ taka<br />
sama<br />
Mniejsza<br />
segregacja
V. Domieszkowanie<br />
Donory np. Si, O w <strong>GaAs</strong>, <strong>GaN</strong>, <strong>InP</strong> (III-V)<br />
Akceptory, np.. Be w <strong>GaAs</strong>, Mg w <strong>GaN</strong><br />
Autokompensacja<br />
Kompensacja zanieczyszczeniami<br />
Tworzenie par, trójek i większych<br />
kompleksów<br />
Tworzenie defektów rozciągłych.
Warstwa Al<strong>GaN</strong> z za dużą koncentracją Al i Mg
TEM struktury laserowej z za dużą<br />
koncentracją domieszki Mg
Czego warto nauczyć się o epitaksji w<br />
dalszym ciągu wykładu?<br />
Zjawiska na powierzchni półprzewodnika w<br />
czasie wzrostu,<br />
Mechanizmy relaksacji sieci,<br />
Od czego zależą własności optyczne i<br />
elektryczne półprzewodnikowych struktur<br />
kwantowych,<br />
I wielu innych rzeczy... ☺