GaAs, InP, GaN

Fizyka i technologia wzrostu kryształów
Wykład .2 Epitaksja warstw półprzewodnikowych
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 –czwartek 11.00 – 13.00
http://www.ptwk.org.pl

EPITAKSJA WARSTW
PÓŁPRZEWODNIKOWYCH
Michał Leszczyński
Instytut Wysokich Ciśnień PAN
i TopGaN
W-wa 13 października 2005

DEFINICJA
Epitaksja- nakładanie warstw
monokrystalicznych na podłoże
monokrystaliczne wymuszające
strukturę krystaliczną warstwy.

Unipress/
TopGaN
ITME
Inne
instytucje
Cała
Polska
Reaktory do epitaksji związkow
półprzewodnikowych w Polsce
(MBE, MOVPE, HVPE)
Azotkowe
W 2005
5
1
3
9
Inne półprzew.
2005
-
2
4
6
Razem
W 2005
5
3
7
15

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
Ogniwa słoneczne

Diody elektroluminescencyjne LED
GaN:Mg 100nm
Al 0.20 GaN:Mg 60nm
4QW
QW – In X Ga 1-X N/QB –
In Y Ga 1-Y N:Si
In 0.02 GaN:Si 50nm
Al 0.16 GaN:Si 40nm
GaN:Si 500nm

p-GaN
AlGaN/p-GaN
0.14
86 A / 86 A ) * 25
p-GaN
n-GaN
GaN/GaN
.11
A/ 25 A )*98
N:Si
GaN:Si
bulk n-GaN
Diody laserowe
InGaN:Si/InGaN
0.5%9
MQW (100 A/ 30 A) * 5

HEMT, także sensory gazów i cieczy
source
metal (e.g. aluminum)
ohmic ohmic
t b
δ
n-AlGaAs
i-AlGaAs
i-GaAs
gate
Insulating substrate
Schottky
diode
2DEG
drain

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

Ogniwa słoneczne

II. Metody wzrostu warstw
epitaksjalnych
Molecular Beam Epitaxy (MBE)
Metalorganic Vapour Phase Epitaxy
(MOVPE), czasami zwane MOCVD

Zasada działania MBE

MBE

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
Music, Beer, and Excedrin

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

RHEED

Mod wzrostu poprzez płynięcie stopni
(step-flow)
AFM
Brak oscylacji RHEED

TEM struktury laserowej wzrastanej metodą MBE
10 nm

MOVPE-metalorganic chemical vapour
phase epitaxy
A(CH3)3+NH3->AN+3CH4
A= Ga, In, Al

Wlot grupy V
NH3
SiH4
gaz nośny
MOVPE
Przepływ górny (gaz nośny)
Wlot grupy III
TMGa
TMAl
TMIn
Cp2Mg
Gaz nośny
Reflektometria laserowa In-situ
grafitowa podstawa
pokryta SiC
podłoże
grzanie indukcyjne

MOVPE
Układ
gazowy
Reaktor

Wielowaflowe (multiwafer) reaktory MOVPE

Reflektometria laserowa (monitorowanie
wzrostu struktury niebieskiej diody
6
laserowej)
refl. int. [a.u.]
5
4
3
2
2400 4800 7200 9600 12000 14400 16800 19200
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
Przypadek warstw zrelaksowanych

III. Relaksacja sieci
Naprężone- fully strained Zrelaksowane- relaxed

Homoepitaksja
Warstwa tego samego związku, co podłoże,
może być niedopasowana sieciowo na
poziomie ok. 0.01-0.05 %

E= f (V) + n* Ec
dE/dV= dE/dV=
0
a = a0+ n* Vd
Rozepchnięcie sieci przez
swobodne elektrony
c(A)
5.1864
5.1860
5.1856
5.1852
5.1848
HVPE
HP GaN
0 1 2 3 4 5 6
n(10 19 cm -3 )

Rozepchnięcie sieci przez swobodne
elektrony

EL2-like EL2 like
defects
300 K
77 K dark
77 K + 900 nm
+1350 nm
Or +140 K
LT GaAs GaAs

Jak stwierdzamy, czy warstwa jest zrelaksowana?

critical thickness (nm)
10000
1000
100
Wartości krytyczne do relaksacji
dislocations
cracking
10
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
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

Pękanie 1 µm m AlGaN, AlGaN,
Al=8%
On 60 µm m GaN On 120 µm m GaN substrates

R
AlGaN
HP GaN
Akceptowalne
Za małe
Wygięcie struktury laserowej w
zależności od grubości podłoża
R(cm)
1000 cladding
100
10
120 µm
90 µm
60 µm
0 5 10 15 20
Al content (%)

EPD w strukturze epitaksjalnej niebieskiego
lasera
50 µm
Około 5 dyslokacji na pasek, w tym 0-1 0 1
przecinających warstwę aktywną
10 5 cm -2
20 µm m LD
pasek

EPD- EPD informacja gdzie się dyslokacja zaczyna
p-GaN (50 nm)
p-GaN/p-Al0.16GaN (26 Ĺ / 26 Ĺ) * 80 SL
p-GaN (70 nm)
In0.04 GaN:Si (8 nm)
n-GaN (140 nm)
n-GaN/Al0.16GaN ( 29 Ĺ / 29Ĺ )*110 SL
GaN:Si (530 nm)
bulk n-GaN
p-Al0.3 GaN (10 nm)
In10% GaN /In4% GaN:Mg
(45 Ĺ / 80 Ĺ) * 5 MQW
Pod warstwą aktywną

EPD- EPD informacja gdzie się
dyslokacja zaczyna
Nad warstwą aktywną
p-GaN (50 nm)
p-GaN/p-Al0.16GaN (26 Ĺ / 26 Ĺ) * 80 SL
p-GaN (70 nm)
In0.04 GaN:Si (8 nm)
n-GaN (140 nm)
n-GaN/Al0.16GaN ( 29 Ĺ / 29Ĺ )*110 SL
GaN:Si (530 nm)
bulk n-GaN
p-Al0.3 GaN (10 nm)
In10% GaN /In4% GaN:Mg
(45 Ĺ / 80 Ĺ) * 5 MQW

GaN na szafirze-przykład bardzo dużego
niedopasowania- 16%
nachylenia
(„tilt”)
[0001]
szafir
kąt
nachylenia
granice mozaiki
LT-bufor
[11-20]
-skręcenia
(„twist”)
kąt
skręcenia

Lateralna epitaksja
(ELOG-Lateral Epitaxial Overgrowth)
dyslokacje
w warstwie
buforowej
jamki trawienia
okno wzrostu
bufor
szafir
ELOG
maska
Model filtrowania dyslokacji w układach
warstwowych o dużym niedopasowaniu
sieciowym
bufor
GaN/szafir:
– gęstość dyslokacji przenikających ELOG
10 8-11 cm -2
10 6 cm -2

I (zliczenia/sek.)
10000
1000
100
10
GaAs typu ELOG na Si
(4% niedopasowania sieciowego)
-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000
płaszczyzna
dyfrakcji
oś obrotu
kąta ω
A
ω - ω max (sek.)
B A
B
płaszczyzna
dyfrakcji
Krzywa
odbić refl.
004
niezrośnięt
ych pasków
GaAs typu
ELOG dla
dwóch
geometrii
pomiaru
oś obrotu
kąta ω

Dla ultrafioletowych laserów nie ma szans
obyć się bez dyslokacji w technologii
planarnej
critical thickness (nm)
10000
1000
100
dislocations
cracking
10
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
mismatch (%)

Zróbmy defekty tylko tam, gdzie nie ma
AlN
AlN
paska laseroweg
AlN-fully AlN fully
relaxed
Type n
Type p
Dyslokacje zatrzymują pękanie i zmniejszają
wygięcie

AlGaN-owa AlGaN owa warstwa na GaN
Zwyczajne podłoże Z maską AlN
Over AlN
mask
Pęknięcia Bez takowych

Struktura laserowa na pasiastym podłozu
Nie ma dyslokacji
Dyslokacje: 10 10 cm -2 2 nad maską AlN

IV. Studnie kwantowe
Skład studni i bariery
Szybkość wzrostu,
temperatura, itp..
Czas zatrzymania wzrostu na
międzypowierzchni
Granica ostra albo rozmyta
Może lepsze kropki
kwantowe zamiast studni

intensity (cps)
Czasem wielostudnie są bliskie ideału…
1000000
100000
10000
1000
100
10
1
experimental
simulation
0.1
31 32 33 34 35 36 37
Angle (deg)
2 theta (deg)
intensity (cps)
1000000
100000
10000
1000
100
10
experimental
simulation
34.2 34.3 34.4 34.5 34.6 34.7 34.8
2 theta (deg)
Nie ma segregacji indu. d(well)=3.2 nm, nm,
d(barrier)=7.1
nm, nm,
xaverage= average=
3.2%

Czasem nie są…
Krzywa odbić dla GaN/InGaN
GaN InGaN MQW z
rozsegregowanym indem
intensity [a. u.]
1000000
100000
10000
1000
100
10
1
0,1
0,01
experiment
simulation
-20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000
Angle(arcsec)
2theta [rel. sec.]

Jak badamy gładkość międzypowierzchni?
międzypowierzchni
Reflektometrią rentgenowską.
RMS 1A
RMS 20A

Reflektometrią też badamy grubość
cienkich warstw
60 nm Ni
on Si
10 nm Au
60 nm Ni
on Si

Przykład badań: studnie InGaN QW samples
Sample b1093: narrow (3 nm) QWs sample Q3
Sample b1045: wide (9 nm) QWs sample Q9
GaN capping,
20 nm
MOCVD n-GaN
Bulk n-GaN
5x [(3 nm or 9 nm In 0.09 Ga 0.91 N
QW) / 9 nm GaN QB, [Si] =
1×10 19 cm -3 ]

E E (eV)
Intensity (a.u.)
FWHM (eV)
3.10
3.05
3.00
2.95
10 7
10 6
10 5
0.18
0.15
0.12
0.09
0.06
Fotoluminescencja
Q3
Q3
Q3
Q9
Q9
Q9
0 100 200 300 400 500
Temperature (K)
Różnice Q3 and Q9:
1. Q3 ma ‘S-shape’, Q9 nie ma
2. PL intensywność Q9 jest
(i) wyższa
(ii) Mniej zmienia się z
temperaturą.
3. FWHM dla Q3 jest
większa niż dla Q9.

CL peak energy (eV)
3.09
3.08
3.07
3.06
3.05
3.04
3.03
Mapowanie katodoluminescencji
T=6 K sample Q3
0 2 4 6 8 10
Position (µm)
CL peak energy (eV)
3.09
3.08
3.07
3.06
3.05
3.04
3.03
T=6 K sample Q9
0 2 4 6 8 10
Position (µm)

In content in QW [%]
11
10
9
8
7
6
5
4
Wbudowywania indu w InGaN QW
20 40 60 80 100 120
dQW [A]
Gruba QW więcej
In ale λ taka
sama
Mniejsza
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
Tworzenie defektów rozciągłych.

Warstwa AlGaN z za dużą koncentracją Al i Mg

TEM struktury laserowej z za dużą
koncentracją domieszki Mg

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,
I wielu innych rzeczy... ☺