Epitaxy and Heterostructures
Lecturer: Mauro Mosca
(www.dieet.unipa.it/tfl)
A.A. 2015-16
University of Palermo –DEIM
Compound Semiconductors
Crystal structure
Crystal structure: cubic lattices
Cubic lattices: diamond and
zincblende
diamond
zincblende
Hexagonal lattices: wurtzite
Miller indices
(1/3, ¼, ½)
12
(4, 3, 6)
Crescita epitassiale
Crescita orientata e regolare di strati cristallini di piccolo
spessore cresciuti sopra (epitassia) un substrato
(cristallo seme)
Tutti i dispositivi attivi vengono realizzati su strati epitassiali:
giunzioni, strati ultrasottili, MQWs, con controllo
estremamente preciso dei profili di drogaggio, spessori e
purezza dei materiali
Crescita epitassiale: VPE
Gli elementi che andranno a formare lo strato cristallino
da depositare sono trasportati in forma di specie volatili,
cioè gassose, che scorrono verso il substrato riscaldato
lambendone la superficie.
La deposizione del materiale cristallino avviene tramite
reazione chimica di decomposizione delle specie gassose
sulla superficie del substrato mantenuto alla T necessaria
per avere crescita cristallina.
CVD è sinonimo con VPE per la crescita epitassiale ma
comprende anche la deposizione di strati non cristallini (T
più basse): si riferisce alla formazione di una fase
condensata a partire da gas di composizione chimica
differente.
Crescita epitassiale: VPE
A seconda del tipo di composti chimici gassosi che,
trasportati sul substrato, reagiscono chimicamente
formando lo strato cristallino da depositare si distinguono
3 tipi di processi:
Crescita epitassiale: MOCVD
The advantages of using metalorganics are that they are
volatile at moderately low temperatures and there are no
troublesome liquid Ga or In sources in the reactor.
Crescita epitassiale: MBE
La MBE (Molecular Beam Epitaxy) è un processo di
evaporazione termica controllata in ultra alto vuoto
(10-11 mbar) delle specie costituenti lo strato cristallino da
depositare sul substrato mantenuto ad alta T.
L’alta T del substrato serve per fornire E sufficiente a far
migrare le specie adsorbite sulla superficie verso i siti
reticolari favorevoli, cioè a minima energia di legame, e
quindi avere la crescita cristallina.
Per l’ultra alto vuoto il cammino libero medio delle
specie in fase vapore è molto maggiore (centinaia di km)
della distanza tra sorgente e substrato.
Le specie si propagano in linea retta senza collisioni tra
loro → fasci molecolari
Semiconductor alloys
Vegard’s law
costante reticolare: lineare con la composizione
gap: quadratica con la composizione
pendenza e curvatura dipendono dalla tipologia (gap
diretto o indiretto)
Abele’s law: correzione quadratica
Relazione empirica del tipo:
Band engineering
Band engineering
n-type
barriera
per lacune
Band engineering: Anderson’s rule
The vacuum energy level is continuous
The Fermi Energy in thermodynamic
equilibrium is constant throughout the
structure
The band alignment is calculated using the
electron affinity c (the energetic spacing
between the vacuum level and the conduction
band), which is material-dependent
We draw conduction and valence bands far
away from the interface
doping
type
concentration
bandgap
densities
of state
Band alignment
type II I
staggered line-up
zero-gap
Crystalline defects
Heterostructures: lattice matched
• strato epitassiale
( ≈ mm) e substrato
sono uniti
all’interfaccia
• viene mantenuta
la struttura
bidimensionale
della cella unitaria
comune
Heterostructures: lattice mismatched
pseudomorfi
prendono la forma del substrato
Heterostructures: pseudomorphic materials
Il substrato, molto più spesso, impone la sua a0 nel piano
all’interfaccia, mentre in direzione perpendicolare la costante
reticolare della cella unitaria non può che aumentare
Nella direzione parallela al piano dell’interfaccia, lo strato epitassiale
risulterà compresso (biaxial compressive strain) mentre risulterà teso
nella direzione perpendicolare
Heterostructures: pseudomorphic materials
Il substrato, molto più spesso, impone la sua a0 nel piano
all’interfaccia, mentre in direzione perpendicolare la costante
reticolare della cella unitaria non può che diminuire
Nella direzione parallela al piano dell’interfaccia, lo strato epitassiale
risulterà teso (biaxial tensile strain) mentre risulterà compresso nella
direzione perpendicolare
Heterostructures: strained layers
strain
la forma geometrica della cella unitaria rimane
inalterata (si ha solo distorsione tetragonale,
cioè variazione di angolo e di lunghezza dei
4 legami covalenti)
Heterostructures: misfit and
threading dislocations
Quando l’energia elastica accumulata diventa grande (a
causa di un elevato spessore dello strato o del mismatch)
essa viene ridotta e spesa per formare difetti cristallini
detti dislocazioni (difetti di linea) all’interfaccia (misfit
dislocations).
Una volta generate le misfit
dislocations all’interfaccia,
queste si propagano verso la
superficie (threading
dislocations) moltiplicandosi
e rendendo il materiale
inutilizzabile
Heterostructures: critical thickness
spessore critico:
è lo spessore dello strato, superato il quale si
generano le dislocazioni
Heterostructures: virtual substrates