epitaksja z fazy ciekłej (lpe)stach/wyklad_ptwk_2012/cgm_w20.pdf · epitaksja z fazy ciekłej...
TRANSCRIPT
Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów
Epitaksja z fazy ciekłej (LPE)
8 kwiecień 2013
Zbigniew R. Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN
02-668 Warszawa, Al. Lotników 32/46
tel: 22 843 66 01 ext. 3363
E-mail: [email protected]
Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński
Instytut Wysokich Ciśnień PAN
01-142 Warszawa, ul Sokołowska 29/37
tel: 22 88 80 244
e-mail: [email protected], [email protected]
Wykład – 2 godz./tydzień – poniedziałek 15:00
ul. Pawińskiego 5a, blok D, V piętro, sala konferencyjna
http://www.icm.edu.pl/web/guest/edukacja
http://www.unipress.waw.pl/~stach/
Epitaksja z fazy ciekłej (LPE)
Plan wykładu:
• definicja + idea metody
• trochę techniki
• trochę historii
• kinetyka wzrostu: dyfuzja
• konwekcja w układach LPE
• LPE - układy wieloskładnikowe
• elektroepitaksja z fazy ciekłej - LPEE
• morfologia powierzchni warstw
• LPE - struktury niskowymiarowe
Epitaksja z fazy ciekłej (Liquid Phase Epitaxy - LPE) -
technika wzrostu warstw epitaksjalnych (najczęściej
cienkich) z ciekłego metalicznego roztworu
strefa rozpuszczania
strefa wzrostu
transport
składników
Pożądane własności rozpuszczalnika:
• składnik kryształu (np. Ga dla GaAs)
lub mała rozpuszczalność w krysztale (Bi, Sn, In, Pb, etc.)
• niski punkt topnienia
• wysoka rozpuszczalność składników w Tepi
• niska prężność par w Tepi
• wysoka stabilność chemiczna
• wysoka czystość chemiczna
• niska cena ???
zalety wzrostu z roztworu + zalety epitaksji GaAs
źródło (GaAs)
roztwór
Idea wzrostu warstw metodą LPE (przykład GaAs na podłożu GaAs)
Reguła faz Gibbsa: f(stopnie swobody) = c(składniki) - p(fazy) + 2(p; T) 2 2 Ga-AsGaAs p = const. f = 1 (T)
T
0
GaAs
T1
T2
Ttop(GaAs)
3
2
1
x2 x1
ciecz (Ga+As)
ciecz + GaAs
ciecz + GaAs
xAs
1 0.5
T = T1
podłoże GaAs
roztwór Ga-As 1
2
T: T1 T2
3
T = T2 warstwa GaAs
LPE - metoda równowagowa !!!
Idea wzrostu warstw metodą LPE (przykład GaAs na podłożu GaAs)
T
0
GaAs
T1
T2
Ttop(GaAs)
2
1
x2 x1
ciecz (Ga+As)
ciecz + GaAs
ciecz + GaAs
xAs
1 0.5
T = T1
GaAs
roztwór Ga-As
T = T2 < T1
GaAs
LPE - metoda równowagowa !!!
C(T1)
C(T2) < C(T1)
wzrost w gradiencie T
Układ LPE III-V (schemat)
układ poziomy
ITE Warszawa
podłoże
roztwory
tłok
TC
H2
H2
ocz
ysz
czal
nik
H2
źródło H2
elektronika pieca
TC TC TC
piec kwarcowy
reaktor
pomiar i sterowanie T
źródło N2
ruch elementów tygla
wylot gazów
tygiel
(grafit, kwarc,....)
pompa próżniowa
Tygle do wzrostu warstw metodą LPE
tipping
dipping
obracany tygiel
wzrost pojedynczych warstw
Tygle do wzrostu warstw metodą LPE cd.
ruch suwaka
grafit
podłoże suwak grafitowy
ciekłe
roztwory
Zalety:
• wzrost struktur wielowarstwowych
• wzrost z cienkiej warstwy roztworu
• „czyszczenie” roztworu
Wady:
• nieco rozmyte granice między warstwami
podłoże
roztwory
tłok
TC
IF PAN
Historia
Dlaczego LPE: • metoda „łatwa i tania”
• wysokie czystości warstw (segregacja)
• możliwość wzrostu selektywnego
• szeroka gama możliwych związków (Al, P, ...)
• metoda „bezpieczna”
H. Nelson: Epitaxial growth from the liquid state
and its application to the fabrication
to the fabrication of tunnel and laser diodes
RCA Rev. 24 (1963) 603.
Nobel 2000 - H. Kroemer, J. Kilby, Z. Alfierow
“za rozwinięcie technologii
heterostruktur półprzewodnikowych”
Kinetyka wzrostu
(4)
(5) (6)
(2) (1)
(3)
transport w objętości
roztworu - dyfuzja,
konwekcja, ...
procesy
powierzchniowe
transport objętościowy substancji rozpuszczonej (solute)
procesy powierzchniowe
wolniejszy z tych 2 etapów decyduje
o szybkości wzrostu kryształu
zazwyczaj w LPE T na tyle wysoka (procesy powierzchniowe szybkie), a wymuszenie wzrostu
na tyle słabe, że transport w cieczy limituje prędkość krystalizacji
LPE: wzrost kontrolowany dyfuzją - przykład GaAs z roztworu Ga
T T1 T2
CAs
z
0.5
T0
ciekły roztwór Ga-As
CAs(T0)
GaA
s
CAs(T1)
CAs(T2) z
CDj As
As
H
wykres fazowy Ga-As
0
• mała szybkość wzrostu Vgr
• bardzo szybki transport ciepła
• brak dyfuzji w fazie stałej
z
CV
z
CD
t
Cgr
2
2
z
TV
z
Tk
t
Tgr
2
2uproszczenia:
• szybka kinetyka powierzchniowa
• brak konwekcji
transport: masy ciepła
000,0,
z
z
CDsz
z
CDCCV sl
lzlzsgr
warunek ciągłości strumienia masy
+ warunki brzegowe/początkowe
LPE: wzrost kontrolowany dyfuzją cd.
z
CD
t
C2
2
00,0,
z
z
CDCCV l
lzlzsgr
tDH lHroztwór pół-nieskończony
))((),0( tTCtzC eql 0),(
tz
z
Clwarunki brzegowe/początkowe
wersja LPE
równania
CAs
z
ciekły roztwór
Ga-As
CAs(T0)
GaA
s CAs(T1)
CAs(T2)
H = 0 H <
roztwór skończony
mm 6.2 min 30
/scm 104 800 :As-Ga 25
Dtt
DCT l
o
LPE: wzrost kontrolowany dyfuzją cd. - T(t)
chłodzenie skokowe
d t1/2
Vgr t-1/2
kinetyka powierzchniowa
szybkość wzrostu
grubość warstwy
t0 < 300 ms
roztwór skończony
wjazd
T0
T0-T0
t
wzrost
wyjazd podłoża
LPE: wzrost kontrolowany dyfuzją cd. - T(t)
chłodzenie liniowe chłodzenie liniowe + wstępne przechłodzenie
kontakt
T0
T0-t
t
kontakt
T0
T0-t
t
T0-T0
tDVgr
23
tDd
tB
t
TADVgr 0
2
3
0 tBtTADd
LPE: przesycenie stężeniowe
T
CAs
z
0.5
ciekły roztwór Ga-As
GaA
s
H
wykres fazowy Ga-As
0
Cl(z)
Teq(z)
TA TB
teoria:
zwiększyć gradT na powierzchni
(TB zamiast TA)
praktyka:
zmniejszyć gradient koncentracji
• ograniczyć grubość roztworu
• zmniejszyć prędkość wzrostu
Udayashankar et al., Bull. Mater. Sci 26 (2003) 685
InSb/InSb inkluzje In
LPE: przepływy w objętości cieczy CAs
z
ciekły roztwór
Ga-As
GaA
s
CAs(T2)
0
216131 Dconst
grV
z
C
- grubość warstwy dyfuzyjnej
- lepkość
- prędkość kątowa
Burton, Prim, Schlichter, J. Chem. Phys. 21 (1953) 1987.
• zwiększenie prędkości wzrostu
• kontrola ewentualnych naturalnych przepływów w cieczy
• większe ryzyko przesycenia stężeniowego
przepływ wymuszony !!!
LPE: konwekcja naturalna
),( CT
konwekcja naturalna
konwekcja termiczna stężeniowa
CAs
z
ciekły roztwór Ga-As
GaA
s
CAs(T2)
0
g CAs(T2)
założenia:
• brak mieszania zewnętrznego
• podłoże pionowe
• T(x, y, z) = const.
tylko konwekcja stężeniowa 0
T
???
C
typowe roztwory III-V
solvent > solute (Ga, In) (As, P)
0
C
„lekki”
„ciężki”
destabilizujący rozkład stężenia
substancji rozpuszczonej (As)
gradient grubości warstwy
+ grawitacja
LPE: konwekcja naturalna cd.
GaAs
destabilizujący
rozkład CAs
„ciężki”
„lekki”
H
g
CAs
z
GaAs 0
„lekki”
„ciężki”
stabilizujący
rozkład CAs
wykład S. Krukowski
niska liczba Rayleigh’a Ra (<1000)
dominuje dyfuzja
10003 DHCgRaC
10003 HTgRaT
• >> D - małe C może spowodować przepływ
• konwekcja stężeniowa >> konwekcja termiczna
• Ra H3 - wysokość roztworu !!!
Tiller JCG 2 (1968) 69: brak konwekcji termicznej H < 5 mm
brak konwekcji stężeniowej H < 2 mm
LPE z cienkiej warstwy
roztworu !!!
zazwyczaj mamy gradT i gradC
LPE: konwekcja naturalna cd.
podłoże H
g
CAs
z
podłoże 0
Kimura et al. JCG 167 (1996) 516 LPE Si z Sn
doświadczenie + symulacje
dolne
górne
technika YO-YO
podłoże H
g
z
podłoże 0
T
t
g
podłoże H
z
podłoże 0
Wzrost LPE warstw wieloskładnikowych (przykład GaAlAs na GaAs)
Reguła faz Gibbsa: f(stopnie swobody) = c(składniki) - p(fazy) + 2(p; T) 2 3 np. Ga-Al-As Ga1-xAlxAs p = const. f = 2 (T, x)
układ 2-składnikowy: skład warstwy ustalony
układ 3-składnikowy: skład warstwy zmienny
AlAs GaAs
xs xl 0 1
T T
xAl
LPE: AlxGa1-xAs/GaAs
T - grad xs
T = const.
xs = const.
Elektroepitaksja z fazy ciekłej (Liquid Phase Electroepitaxy LPEE)
T0 = const. + przepływ prądu elektrycznego przez granicę faz
GaAs
0
źródło (GaAs)
+
-
As
As
As
As
As
As
H
z
T
T
0
T0-TP
efekt Peltiera
HT
dTdCD
H
TTCTCDj
P
Pdyf
As
00
elektrotransport
)(
)(
0
0
TCj
TCEj
e
el
As
efekt „wiatru elektronowego”
= 2.5 cm
S. Dost, Univ.Victoria, BC, Canada
LPEE InGaAs/GaAs LPEE AlGaSb/GaSb
Z.R. Zytkiewicz, IF PAN
jel
jdyf
prąrą gęęstośgrV gęstość prądu
Elektroepitaksja z fazy ciekłej - zalety
• wysoka jednorodność warstw
• monitoring in situ
• znaczniki czasowe
• jednoczesny wzrost wielu kryształów
• „łatwiejsza” kontrola Vgr
• wypłaszczanie powierzchni
AlxGa1-xAs/GaAs
dtdRVgr
+
-
R(t)
ciekły
roztwór
podłoże
źródło
GaAs: Ge
znaczniki
t1 t2
t3 t4 t5 t6
podłoże
je
epi
gęstość prądu
T = const.
Elektroepitaksja z fazy ciekłej - wady
• bardziej skomplikowany układ (kontakty)
• efekt Joule’a - limit grubości kryształu
podłoże
0
źródło
+
- As
H
z
T
T0 T0-TP
jdyf
As
As
jel
T
T0 T0+TJ
jel
podłoże 0
źródło
+
- H
As
As
As jdyf
bez efektu Joule’a z efektem Joule’a
400
m
AlGaAs
GaAs
LPE: morfologia powierzchni - defekty
- w LPE niska koncentracja defektów punktowych i strukturalnych (wzrost równowagowy; T << TM)
- pewne charakterystyczne własności powierzchni
wzrost krawędziowy (EG)
Przyczyna: lokalne “maskowanie” podłoża:
• utlenienie podłoża lub roztworu
• obce cząstki (ruchome części w tyglu !!!)
Bauser Appl. Phys. 15 (1978) 243
lokalny brak wzrostu utrudnia ściągnięcie
roztworu po wzroście
podłoże
gra
fit roztwór Ga-As
EG
podłoże
kw
arc
grafit
roztwór Ga-As
podłoże
kw
arc roztwór Ga-As
Z.R. Zytkiewicz JCG 94 (1989) 919
EG
roztwór Ga-As
kształt roztworu i
dyfuzja 2D przy ścianie
prowadzą do wzrostu
krawędziowego
podłoże
gra
fit
EG
LPE: morfologia powierzchni
0.5o (komercyjne podłoża GaAs)
E. Bauser Atomic mechanisms in semiconductor
Liquid Phase Epitaxy
Handbook of Crystal Growth, Ed. D.T.J. Hurle
vol. 3b, Elsevier 1994
podło
że z
aokrą
glo
ne
(R =
2m
)
LPE: morfologia powierzchni (grube warstwy GaAs)
10 m
facet growth
stopnie:
wysokość = 0.258 nm
szerokość = 1.6 m
NDIC (D. Dobosz, M. Zadrożna)
AFM (E. Łusakowska IF PAN)
LPE: morfologia powierzchni (grube warstwy GaAs)
NDIC (D. Dobosz, M. Zadrożna)
terrace growth
stopnie:
wysokość = 30 nm
szerokość = 15 m
monoatomowe stopnie na powierzchni tarasu
AFM (E. Łusakowska IF PAN)
LPE: morfologia powierzchni cd.
= 0.05o
brak zarodkowania 2D
brak dyslokacji
powierzchnia atomowo gładka
(brak stopni monoatomowych)
E. Bauser Atomic mechanisms in semiconductor
Liquid Phase Epitaxy
Handbook of Crystal Growth, ed. D.T.J. Hurle
vol. 3b, Elsevier 1994
np. w Epitaxial Lateral Overgrowth
podłoże 4 cale !!!
Si 15.6 nm/Si0.995C0.005 5.2 nm
LPE - struktury niskowymiarowe
Konuma et al. APL 63 (1993) 205
kropki SiGe/Si
pseudomorphic Ge/Si 1 n
m
czas wzrostu < 1 s
Podsumowanie
wzrost z roztworu: • niska koncentracja defektów punktowych
• metoda „łatwa i tania” (w wersji standard)
• wysokie czystości warstw (segregacja)
• możliwość wzrostu selektywnego
• szeroka gama możliwych związków (Al, P, ...)
• metoda „bezpieczna”
• warstwy o grubościach od nm do mm
• wzrost struktur niskowymiarowych
- możliwy choć trudny
epitaksja: • kontrola mechanizmu wzrostu (dezorientacja podłoża)
• podłoże „wymusza” dopasowanie sieciowe
LPE
wady:
trudności ze wzrostem nierównowagowym
• domieszkowanie ograniczone wykresem fazowym (np. GaAs:Mn)
• struktury wymagające dużego przesycenia (np. GaAs/Si)
• układy o ograniczonej mieszalności w fazie stałej
• monitoring in situ bardzo trudny
Do czytania o LPE
Handbook of Crystal Growth, Ed. D.T.J. Hurle
vol. 3, Elsevier 1994
• E. Bauser Atomic mechanisms in semiconductor Liquid Phase Epitaxy
• M.B. Small, E.A. Giess and R. Ghez Liquid Phase Epitaxy
E. Kuphal Liquid Phase Epitaxy Appl. Phys. A52 (1991) 380.
M.B. Small, I. Crossley The physical processes occurring during liquid phase epitaxial growth
J. Cryst. Growth 27 (1974) 35.
M.G. Astles Liquid Phase Epitaxial Growth of III-V Compound Semiconductor Materials and their
Device Applications, IOP Publishing 1990.
B. Pamplin (ed.) Crystal growth, Pergamon, 1974
K. Sangwal (ed.) Elementary Crystal Growth, SAAN Publishers, 1994.