تكنولوژي هاي رشد تك كريستال عناصرگروه هاي III-V اصلي

مقدمه

نيمه رساناهاي تركيبات عناصر گروه هاي III-V اصلي بوسيله ي Welker در سال 1952 ابداع شده اند. اين اختراع سه سال بعد از اختراع ترانزيستورهاي سليكوني بوسيله ي Shockley در سال 1949 انجام شده است.
تركيبات عناصر گروه هاي III-V اصلي مانند GaAs و GaP در ساخت ديودهاي انتشار نور (مورد استفاده در دستگاه هاي الكترونيكي و صفحات نمايش) و ديودهاي ليزري (يكي از وسايل كليدي در ارتباطات نوري) مورد استفاده قرار مي گيرند. GaAs همچنين براي ساخت تلفن هاي همراه نيز مورد استفاده قرار مي گيرد. خواص اين كريستال ها به طور قابل توجهي به فرايند رشد كريستال و عمليات سطحي آنها وابسته است. خواص اساسي، روش هاي رشد و كاربردهاي GaAs به همراه خواص InP كه متداول ترين نيمه رساناهاي گروه هاي III-V اصلي هستند در اين بخش مورد بررسي قرار خواهد گرفت.
خواص تركيبات گروه هاي III-V اصلي
جدول 1 پارامترهاي ويژه ي GaAs و InP در مقايسه با Si آورده شده است. يكي از ويژگي هاي مؤثر GaAs و InP انتقال مستقيم الكترون در ساختار نواري آنهاست. اين مسئله موجب مي شود تا بازده انتشار و تشخيص نور در اين مواد بالا باشد. ويژگي مهم ديگر اين مواد، موبيليته ي الكتروني بالاتر اين مواد نسبت به Si مي باشد. از اين رو اين مواد براي استفاده در وسايل الكترونيكي با فركانس بالا و سرعت بالا مناسب هستند. در واقع مصرف انرژي اين وسايل بسيار اندك است؛ از اين رو استفاده از اين مواد در ارتباطات سيار مناسب مي باشد.
علارغم خواص فوق العاده ي وسايل الكترونيكي ساخته شده از GaAs و InP ، كاربرد آنها به دليل قيمت بالاتر GaAs و InP در مقايسه با Si محدود كرده است. در واقع قيمت GaAs 10 برابر و قيمت InP 50 برابر Si است. اين قيمت هاي بالاتر در نيمه رساناهاي تركيبي به دليل قيمت بالاي مواد اوليه ي مورد استفاده در توليد تك كريستال ها و همچنين قابليت توليد پايين اين تك كريستال هاست.
GaAs و مخصوصاً InP در دماي ذوبشان، داراي فشارهاي تجزيه ي بالايي هستند. وسايل و روش هاي رشد مخصوصي براي جلوگيري كردن از اين تجزيه ضروري است.
رسانايي گرمايي پايين اين مواد، موجب مي شود تا سرعت رشد آنها محدود شود و بنابراين، قابليت توليد آنها نيز كاهش مي يابد. علاوه بر اين، تنش هاي برشي پايين تر اين مواد كه موجب القاي دانسيته هاي نابجايي بالا تحت تنش هاي پايين مي شود، كيفيت كريستال را پايين مي آورد. اين محدوديت ها قيمت بالا و كاربردهاي محدود اين مواد را توجيه مي كند. بنابراين آينده ي اين مواد به ابداعاتي وابسته است كه در مورد كاهش هزينه ها هستند.
روش هاي رشد براي تركيبات عناصر گروه هاي III-V اصلي
روش هاي رشد نمونه وار تك كريستال هاي GaAs و InP در
جدول 2 به طور نمونه وار آورده شده است. توسعه ي تك كريستال هاي GaAs 2 اينچي براي استفاده در وسايل الكترونيك بوسيله ي روش بريجمن افقي (HB)، روش هاي چكرالسكي با كپسوله سازي مايع (LEC) ميسر شد. با استفاده از اين روش ها، امكان توليد انبوه زيرلايه هاي GaAs شبه عايق نيز ميسر گشت.
تك كريستال هاي InP عمدتاً با استفاده از روش LEC توليد مي شوند كه در واقع با اصلاح اين روش، دانسيته ي نابجايي ها در اين مواد كاهش يافت. اين روش اصلاح شده، روش چكرالسكي تحت فشار بخار كنترل شده (vapour-pressure-controlled Czochralski (VCz)) ناميده مي شود كه بوسيله ي Tada توسعه يافت و به روش رشد نمونه وار در توليد تك كريستال هاي InP با دانسيته ي نابجايي پايين تبديل شد.
Gault و همكارانش (1986) نشان دادند كه روش سرد كردن گرادياني عمودي (VGF) يك روش مطمئن براي رشد تك كريستال هاي عناصر گروه هاي III-V اصلي (با دانسيته ي نابجايي بسيار پايين) مي باشد. Hoshikawa و همكارانش (1989) استفاده از روش بريجمن عمودي با استفاده از كپسوله سازي مايع (LE- VB) را به عنوان يك روش موفق در توليد تك كريستال هاي GaAs سه اينچي مورد استفاده قرار داد. اين روش قابليت توليد مجدد خوبي دارد. اين مسئله موجب شد تا توجه ديگران به سمت روش هاي VB و VGF به عنوان يك روش توليد مناسب جلب شود. توليد انبوه تك كريستال هاي GaAs شبه عايق 4 و 6 اينچي نيز به وسيله ي برخي از گروه هاي تحقيقاتي مانند Kawase و همكارانش گزارش شده است. امروزه، بيش از 50 % از زيرلايه هاي GaAs شبه عايق در جهان با استفاده از اين روش ها، توليد مي شوند.
روش هاي HB و HGF
روش HB و سرد كردن گرادياني افقي (HGF) روش هاي نمونه وار در توليد تك كريستال هاي GaAs هستند. شكل 1
شماتيك سيستم رشد براي روش HB آورده شده است. يك كريستال جوانه و ماده ي اوليه كه از جنس پلي كريستال هاي GaAs است، در داخل قايقك هايي ازجنس سيليس فيوزد ريخته مي شوند و به همراه آرسنيك جامد در داخل يك آمپول از جنس سيليس فيوزد، آب بندي مي شوند.
آمپول در داخل كوره قرار داده مي شود و تا دمايي بالاتر از دماي ذوب GaAs حرارت دهي مي شود. يك بخشياز كريستال جوانه در داخل مذاب غوطه ور است و در نتيجه در اين حالت رشد كريستال آغاز مي شود. به جاي استفاده از پلي كريستال هاي پيش سنتز شده، مذاب GaAs مي تواند به صورت درجا (in situ) توليد شود. در اين روش، گاليوم مايع در داخل قايقك از جنس سيليس فيوزد ريخته مي شود و با واكنش با As تبخير شده از As جامد، GaAs تشكيل مي شود. در مورد آخر بازده توليد كريستال به دليل وجود مرحله ي توليد، پايين است. بنابراين، روش اول در توليد انبوه ترجيح داده مي شود.
در روش HB، قايقك از جنس سيليس فيوزد يا گرم كن مقاومتي كوره به طور افقي حركت مي كنند تا تك كريستال تحت پروفايل دمايي ثابت، رشد داده شود. در روش HGF، پروفايل دمايي هيتر مقاومتي به طور پيوسته و در يك مكان ثابت تغيير مي كند. براي رشد تك كريستال بدون عيب، پروفايل دمايي در سطح مشترك جامد/مايع بايد ثابت نگه داشته شود. روش HB داراي اين مزيت است كه رشد در طول كريستال انجام مي شود (در مقايسه با روش HGF). علت اين مسئله اين است كه پروفايل دمايي در اطراف سطح مشترك جامد/ مايع مي تواند به سهولت ثابت نگه داشته شود.
از آنجايي كه كريستال هاي GaAs نوع n و كريستال هاي نوع P (دوپ شده با Zn) با استفاده از اين روش هاي HB و HGF قابل توليد مي باشند، اين روش ها در توليد انبوه زيرلايه هاي GaAs براي استفاده در وسايل نوري مانند ديودهاي انتشار نور (LEDs) و ديودهاي ليزري (LD)، مورد استفاده قرار مي گيرد. به عبارت ديگر، تنها يك درصد اندك از كريستال هاي دوپ شده با Cr به عنوان زيرلايه هاي شبه عايق در وسايل الكترونيكي مورد استفاده قرار مي گيرند، زيرا اين روش هاي رشد براي توليد ويفرهاي با قطر بزرگ مناسب نمي باشد. بيشتر زيرلايه هاي از جنس GaAs بوسيله ي روش هاي LEC، VB و VGF توليد مي شوند.
كاربردها و نيازمندي هاي مربوط به تك كريستال هاي GaAs
كاربردها و نيازمندي هاي مربوط به زيرلايه هاي GaAs و InP در
جدول 3 نشان داده شده است. همانگونه كه گفته شد، دو گروه از كاربردها براي اين مواد وجود دارد. اين كاربردها عبارتند از وسايل نوري و الكترونيكي. زيرلايه هاي GaAs براي ساخت ديودهاي انتشار نور و ديودهاي ليزري سرخ تا فروسرخ مورد استفاده قرار مي گيرند. زيرلايه هاي نوع n با حامل هايي با غلظت در گستره ي تا ، مورد استفاده قرار مي گيرند.
از آنجايي كه نابجايي هاي موجود در زيرلايه موجب كاهش عمر مفيد وسايل نوري مي شود (مخصوصاً در ديودهاي ليزري)، زيرلايه هايي با دانسيته ي نابجايي كمتر از ترجيح داده مي شوند.
اخيراً نيازمندي در زمينه ي استفاده از وسايل الكترونيك داراي GaAs به عنوان يكي از وسايل كليدي در تلفن هاي همراه مطرح مي شوند. زيرا ميزان مصرف انرژي اين وسايل در نواحي با فركانس بالا، پايين است. در اين زمينه، اين ماده رقابت قابل توجهي از لحاظ كارايي و هزينه با وسايل ساخته شده با Si دارد. توسعه ي فرايند توليد ويفرهاي با قطر بزرگ يك مورد كليدي در برنده شدن در اين رقابت است.
رشد تك كريستال هاي بزرگ
رقابت براي توليد انبوه وسايل نيمه رسانا، نيازمند زيرلايه هاي با قطر بزرگ مي باشد. توليد اين كريستال هاي با قطر بزرگ، سخت است. با وجود اينكه رشد موفقيت آميز تك كريستال هاي با قطر 4 اينچ بوسيله ي روش هاي HB و HBG گزارش شده است، توليد انبوه اين كريستال ها، به دليل مشكلات هزينه اي مقدور نمي باشد. سطح مقطع كريستال در اين روش ها نيم دايره يا مستطيلي است كه اين مسئله موجب اتلاف زياد در هنگام ماشين كاري كريستال مي شود. علاوه بر اين، اين مشكل است كه كريستال هاي با قطر بزرگتر از 4 اينچ را رشد داد زيرا با بزرگ شدن كوره و تجهيزات، تقارن گرمايي در محيط اتمسفر رشد به هم مي خورد. بنابراين، كريستال هاي با قطر بزرگتر از 4 اينچ با روش هايي از جمله LEC، VCz، VB و VGF توليد مي شوند.
از آنجايي كه تفاوت دما بين مركز و پيرامون كريستال با افزايش قطر، افزايش مي يابد، كنترل دقيق پروفايل دمايي در رشد كر يستال هاي بزرگ تر، مشكل مي شود. ويفرهاي توليد شده از كريستال هاي رشد داده شده با روش LEC داراي ريسك شكست بالايي هستند زيرا كرنش هاي داخلي ايجاد شده در حين رشد در اين كريستال ها، بالاست. در عوض، ويفرهاي رشد داده شده با روش VB و VGF مشكلي از لحاظ شكست ندارند، زيرا كرنش هاي داخلي در آنها كمتر است. به هرحال، وقتي كريستال هايي با قطر و طول بزرگ، رشد داده مي شوند، برخي اوقات پلي كريستاليزاسيون با تماس مستقيم كريستال با بوته، ايجاد مي شود. اين مسئله يكي از مشكلات جدي در روش هاي VB و VGF است.
شكل 2 و 3 پروفايل هاي محوري دانسيته ي نابجايي ها و نقشه هاي دو بعدي كرنش هاي باقيمانده را در زيرلايه هاي GaAs شبه عايق 4 و 6 اينچي رشد داده شده با روش هاي VB و LEC نشان داده شده است. دانسيته هاي نابجايي زيرلايه هاي توليد شده با روش VB يك مرتبه كمتر از دانسيته ي نابجايي زيرلايه ي توليد شده با روش LEC است. اين اثبات شده است كه زيرلايه هاي توليد شده با روش VB كه داراي كرنش باقيمانده ي اندكي هستند، داراي احتمال كمتري براي ايجاد خط لغزشي در فرايند رشد اپيتاكسي هستند. كريستال هاي با قطر بزرگتر از 4 اينچ، منحصراً با روش LEC توليد شدند تا زماني كه توليد انبوه آن با استفاده از VB و VGF انجام شد. به دليل وجود دانسيه ي نابجايي كمتر و همچنين كرنش هاي كمتر در كريستال هاي توليد شده با روش هاي VB و VGF، زيرلايه هاي توليد شده با اين روش ها در حال افزايش مي باشند.
استفاده از مطالب اين مقاله با ذكر منبع راسخون بلامانع مي باشد.