Mécanisme de formation et impact sur les performances des jumeaux dans les monocristaux InP +

Le phosphure d'indium (InP), en tant que semi-conducteur composé III-V important, occupe une position irremplaçable dans les communications par fibre optique, les frontaux radiofréquence 5G/6G et les circuits intégrés à grande vitesse en raison de sa mobilité électronique élevée, de sa bande interdite directe et de ses excellentes caractéristiques haute fréquence. PAM-XIAMEN peut cultiver un substrat InP sans jumeaux. Pour plus de spécifications sur les plaquettes, veuillez contacter à[email protected].

Actuellement, les monocristaux d'InP sont principalement cultivés par des techniques de fusion telles que la méthode Czochralski encapsulée dans un liquide (LEC), la méthode de congélation par gradient vertical (VGF) et la méthode Bridgman verticale (VB). Cependant, ces processus introduisent facilement des macles de rotation, c'est-à-dire des interfaces cohérentes formées par une rotation de 60° du cristal autour de l'axe <111>. Les jumeaux sont parmi les défauts cristallins les plus courants dans les semi-conducteurs composés à structure de mélange de zinc. Non seulement ils dégradent l’intégrité structurelle du cristal, mais provoquent également une série de problèmes lors du traitement ultérieur et de la fabrication du dispositif. Par conséquent, élucider systématiquement la dynamique de nucléation des jumeaux, les méthodes de caractérisation, leur impact sur les performances des matériaux et des dispositifs et les stratégies de suppression revêt une grande importance théorique et technique.

1. Mécanisme de formation et modèle cinétique des jumeaux dans InP

1.1 Caractéristiques cristallographiques des jumeaux

Dans la structure du mélange de zinc, les macles se trouvent sur des plans {111} et les réseaux de chaque côté de la limite des macles sont symétriques en miroir. Selon Wang et al., les jumeaux dans InP se nucléent principalement sur deux types de sites : l'un se trouve à la trijonction solide-liquide-gaz, appelé « Twin1 » ; une fois formés, ces jumeaux se propagent dans tout le lingot. L’autre nuclée directement au milieu de l’interface solide-liquide, appelé « Twin2 », formant des micro-jumeaux locaux de seulement quelques centaines de micromètres de long. Ces deux types de jumeaux ont des effets nettement différents sur l’utilisabilité des matériaux, mais tous deux proviennent de la même essence physique : le sous-refroidissement dynamique.

Fig. 1 Diagramme schématique de la nucléation et de la croissance des jumeaux

1.2 Cinétique de la nucléation jumelle induite par le sous-refroidissement

En analysant la microstructure au niveau de la région des trois jonctions (près de la ligne de contact triphasée solide-liquide-gaz), Wang et al. proposé une explication cinétique de la nucléation gémellaire. Ils ont fait valoir que les jumeaux n’apparaissent pas de nulle part ; leur nucléation nécessite deux conditions préalables : la présence d'une facette et le sous-refroidissement dans la région de la facette atteignant un certain seuil.

Dans des conditions de croissance normales, la forme incurvée au bord de la facette abaisse localement le point de fusion, consommant ainsi naturellement une partie du sous-refroidissement et réduisant la force motrice de la nucléation jumelle. Cependant, lorsque le sous-refroidissement réel dépasse une valeur critique (estimée à environ 0,2 K seulement), la « barrière énergétique » nécessaire à la formation d’un noyau jumeau sur la facette est considérablement réduite. Une fois que le sous-refroidissement augmente encore (par exemple jusqu'à 1,5K), la probabilité de nucléation des jumeaux augmente de façon exponentielle. Même si la probabilité absolue est très faible (de l’ordre d’un sur plusieurs milliards), elle est suffisante pour provoquer de fréquentes formations de macles macroscopiques au cours d’une croissance continue.

Fig. 2 Diagramme schématique du modèle de nucléation jumelle au niveau de la région à trois jonctions : (a) équilibre de tension interfaciale entre la facette, le segment incurvé de transition et la masse fondue ; (b) Formation d'un noyau jumeau lors de la migration de l'interface solide-liquide

1.3 Influence du gradient de température et du taux de croissance

L'ampleur du sous-refroidissement est principalement déterminée par deux paramètres de procédé : le gradient de température axial (G) et le taux de croissance (R). Un gradient de température élevé maintient le sous-refroidissement à un niveau bas dans la région des facettes, tandis qu'un faible taux de croissance évite une accumulation rapide de sous-refroidissement. À l'inverse, si le gradient de température est faible (par exemple inférieur à 40 K/cm) et le taux de croissance est élevé (par exemple supérieur à 5 mm/h), le sous-refroidissement dans la région des facettes augmente considérablement et les macles deviennent presque inévitables.

Les expériences comparatives de Wang et al. démontrer clairement cette règle : l'utilisation d'un gradient de température élevé de 150 K/cm et d'une vitesse lente de 1 mm/h dans la méthode LEC produit de manière reproductible des cristaux sans macle ; réduire le gradient de température à 40 K/cm et augmenter la vitesse à 5 mm/h induit immédiatement des jumeaux. Un phénomène similaire existe dans la méthode VGF : lorsque le gradient de température diminue de 5K/cm à 3K/cm, la densité de macle augmente nettement. Par conséquent, le maintien d’un rapport G/R suffisamment élevé est la stratégie de base pour supprimer les jumeaux.

Fig. 3 Relation entre la barrière d'énergie libre pour la nucléation jumelle et le sous-refroidissement

2. Impact des jumeaux sur les propriétés des matériaux, le traitement et les dispositifs

2.1 Dégradation des propriétés intrinsèques des matériaux

• Dommages à l’intégrité structurelle :Les jumeaux macroscopiques (Twin1) rendent le cristal entier complètement sans valeur en tant que substrat monocristallin. Comme Herms et al. clairement souligné : les cristaux coexistant avec des macles macroscopiques sont totalement inadaptés à une utilisation comme matériaux de substrat.
• Anisotropie optique inhomogène :La direction principale de la biréfringence diffère de chaque côté d'une frontière de macle, provoquant un changement brusque de l'état de polarisation de la lumière transmise. Herms et coll. découvert via des mesures optiques que la direction de l'axe principal à l'intérieur d'un jumeau est tournée d'environ 45 ° par rapport à la limite du jumeau, conduisant à des changements de phase incontrôlés lorsque les ondes lumineuses traversent la région jumelée.
• Propriétés mécaniques dégradées :Les frontières jumelles sont des endroits où les dislocations s'accumulent et émettent facilement, initiant facilement des microfissures lors du cycle thermique ou du traitement mécanique. Wang et coll. observation d'un clivage de surface local dans la région jumelle de l'épaulement des lingots VGF-VB.

Fig. 4 Orientation de l'anisotropie dans la région d'intersection des macles et des stries de croissance

Fig. 5 Diagramme schématique de la rotation de l'anisotropie optique dans des lamelles jumelles

2.2 Impact des jumeaux sur les étapes de traitement ultérieures

• Découpe et polissage :En tant que régions de discontinuité structurelle, les frontières jumelées peuvent présenter des réponses mécaniques différentes de celles de la matrice lors du traitement mécanique, affectant ainsi l'uniformité de la découpe et du polissage chimico-mécanique et augmentant le risque de formation de défauts de surface.
• Gravure sélective :La vitesse de réaction des limites de jumeaux dans l'agent de gravure AB diffère de celle de la matrice, ce qui entraîne des étapes topographiques distinctes après la gravure. Cela affecte le revêtement uniforme de la résine photosensible et l'alignement des motifs lors de la lithographie ultérieure.
• Croissance épitaxiale :Les couches épitaxiales sur les substrats jumelés reproduisent les défauts du substrat. Pour les lasers à puits quantiques ou les structures HEMT, les jumeaux à l’interface introduisent des centres de diffusion supplémentaires, réduisant ainsi la mobilité des porteurs. Les données de mesure de Hall de Zhu et al. montrent que dans les lingots développés par le procédé VGF-VB, la mobilité moyenne dans la section de queue (environ 1 260 cm²/V·s) est nettement inférieure à celle de la section de tête (environ 1 640 cm²/V·s), en partie attribuable aux jumeaux et aux luxations qui l'accompagnent.

Fig. 6 Comparaison morphologique de la région jumelle InP après gravure

Fig. 7 Comparaison de mobilité entre la tranche de tête et la tranche de queue d'InP

2.3 Impact sur la fabrication et le rendement des appareils

• Lithographie et gravure :La microtopographie de surface et l'anisotropie optique induites par les macles interfèrent avec le signal d'alignement de la lithographie par étapes à haute résolution, provoquant des erreurs de superposition. Lors de la gravure sèche, le taux de gravure dans les régions jumelées peut s'écarter de 5 à 10 %, entraînant une augmentation de la rugosité des parois latérales des mesas.
• Perte de rendement :Pour les micro-jumeaux locaux (Twin2), si leurs dimensions (généralement 340 μm de long et 14 μm de large) dépassent la taille des fonctionnalités d'un seul appareil, celui-ci tombe directement en panne. Dans le cadre d’une production en grand volume, ces jumeaux distribués de manière aléatoire réduisent considérablement le nombre de puces fonctionnelles par tranche.

2.4 Dégradation des performances du dispositif final

• Lasers et LED :En tant que centres de recombinaison non radiatifs, les jumeaux augmentent le courant de seuil et réduisent l'efficacité quantique interne. Bien que Hettick et al. ont signalé un rendement quantique de photoluminescence (PL) de 10 ± 2 % pour les microcristaux d'InP à basse température, cette valeur a été mesurée sans tenir compte des effets à long terme des macles ; pour les lasers réels, les pertes supplémentaires dues aux jumeaux augmentent la densité de courant seuil de plus de 30 %.
• Appareils électroniques haute fréquence (HEMT/HBT) :Le désalignement atomique aux frontières des jumeaux crée des liaisons pendantes, qui à leur tour introduisent des niveaux d'énergie supplémentaires et modifient la concentration locale des porteurs. Dans le canal d'un HEMT, un tel dopage non uniforme provoque des fluctuations locales de transconductance et augmente le facteur de bruit du dispositif.
• Circuits photoniques intégrés :L'effet de rotation de polarisation induit par les macles est particulièrement néfaste dans les circuits intégrés photoniques. Lorsqu'un guide d'onde optique traverse une région jumelle, une conversion incontrôlée entre différents modes de polarisation se produit, perturbant la fonctionnalité des interféromètres ou des séparateurs de faisceaux de polarisation. Cartographie de longueur d'onde PL par Zhu et al. montre que pour une tranche de contrôle VGF contenant des jumeaux, la plage de longueur d'onde maximale atteint 10,90 nm, alors que pour une tranche VGF-VB optimisée, elle n'est que de 1,40 nm. Pour les réseaux laser dans les systèmes de multiplexage par répartition en longueur d'onde, une non-uniformité de longueur d'onde de 10 nm signifie un non-respect des exigences d'espacement des canaux des normes de communication.

Fig. 8 Rendement quantique PL des microcristaux InP

Fig. 9 Comparaison de l'uniformité de la longueur d'onde du pic PL dans des tranches de queue InP cultivées par différentes méthodes

3. Stratégies de suppression jumelle et optimisation des processus pour la croissance des cristaux InP

Sur la base de l’analyse ci-dessus, le cœur de la suppression des jumeaux réside dans la réduction du sous-refroidissement dynamique à l’interface de croissance et dans la minimisation du stress thermique. Les mesures spécifiques comprennent :

• Augmentation du gradient de température axial :Utilisez un gradient supérieur à 150 K/cm dans la méthode LEC, maintenez 5 à 7 K/cm dans VGF et rendez le champ thermique aussi axisymétrique que possible.
• Réduire le taux de croissance :Pour la section à diamètre constant, contrôlez le taux de croissance entre 1 et 2 mm/h pour éviter le double déclenchement induit par un sous-refroidissement.
• Optimiser la forme des épaules : Use a “flat shoulder” (shoulder angle close to 90°) or a gently varying shoulder expansion to avoid thermal stress concentration caused by abrupt diameter changes. Wang et al. prepared 170 mm diameter twin‑free InP single crystals using the flat‑shoulder method.
• Procédé hybride VGF‑VB :Introduire une rotation du creuset (2 tr/min) et un abaissement à vitesse constante (2 mm/h) pendant la section à diamètre constant pour établir des conditions de solidification quasi stables. Les résultats de Zhu et al. montrent que le processus hybride réduit la densité moyenne de dislocation dans la tranche de queue de 627 cm⁻² à 172 cm⁻² et rétrécit la courbe de bascule de diffraction des rayons X sur toute la largeur à mi-hauteur de 162 arcsec à 101 arcsec.
• Contrôle antidopage :Évitez d’utiliser des impuretés qui abaissent l’énergie de la frontière jumelle et choisissez une concentration de dopage appropriée pour maintenir une barrière élevée pour la nucléation jumelle.

Que vous ayez besoin de plaquettes InP pour la recherche ou pour des applications industrielles, veuillez nous contacter par e-mail à[email protected]et[email protected].

 

Les références:

1. Wang, S., Sun, N., Shi, Y., Shao, H., Gu, Z., Li, X.,… et Zhang, X. (2024). Analyse dynamique de la formation de macle pour InP et préparation de monocristaux d'InP de 6 pouces. CrystalEngComm, 26(36), 4964-4974.
2. Herms, M., Stoehr, M., Mithun, D., Wagner, M., Frank-Rotsch, C., Juda, U. et Souptel, D. Caractérisation des structures jumelles et des stries de croissance dans les cristaux de phosphure d'indium et d'arséniure de gallium. Disponible au SSRN 6755029.
3. Zhu, X., Li, B., Wei, H. et Ma, Y. Processus de croissance à commutation d'étapes VGF – VB pour monocristaux InP de 4,5 pouces avec une faible densité de dislocation et une uniformité élevée. Disponible au SSRN 6161586.
4. Hettick, M., Li, H., Lien, DH, Yeh, M., Yang, TY, Amani, M.,… et Javey, A. (2020). Croissance monocristalline à forme contrôlée d'InP à basse température jusqu'à 220 °C. Actes de la National Academy of Sciences, 117(2), 902-906.