InP単結晶における双晶の形成メカニズムと性能への影響

InP単結晶における双晶の形成メカニズムと性能への影響 +

リン化インジウム (InP) は重要な III-V 族化合物半導体であり、その高い電子移動度、ダイレクトバンドギャップ、優れた高周波特性により、光ファイバー通信、5G/6G 無線周波数フロントエンド、および高速集積回路においてかけがえのない地位を占めています。 PAM-XIAMEN はツインフリーの InP 基板を成長できます。ウェーハ仕様の詳細については、次のアドレスにお問い合わせください。[email protected].

現在、InP 単結晶は主に液体カプセル化チョクラルスキー (LEC) 法、垂直勾配凍結 (VGF) 法、垂直ブリッジマン (VB) 法などの溶融技術によって成長されています。しかし、これらのプロセスでは、回転双晶、つまり結晶が <111> 軸を中心に 60° 回転することによって形成されるコヒーレントな界面が容易に導入されます。双晶は、閃亜鉛鉱構造の化合物半導体で最も一般的な結晶欠陥の 1 つです。これらは結晶の構造的完全性を劣化させるだけでなく、その後の処理やデバイス製造中に一連の問題を引き起こします。したがって、双晶の核生成ダイナミクス、特性評価方法、材料やデバイスの性能に対するそれらの影響、および抑制戦略を体系的に解明することは、理論的および工学的に非常に重要です。

1. InP における双生児の形成機構と運動モデル

1.1 双晶の結晶学的特徴

閃亜鉛鉱構造では、双晶は {111} 面上にあり、双晶境界の両側の格子は鏡面対称です。 Wang らによると、InP の双晶は主に 2 種類のサイトで核生成します。1 つは「Twin1」と呼ばれる固体、液体、気体の三接合です。一旦形成されると、このような双子はインゴット全体に広がります。もう 1 つは「Twin2」と呼ばれる固液界面の中央で直接核生成し、長さわずか数百マイクロメートルの局所的なマイクロツインを形成します。これら 2 つのタイプの双子は、材料の使いやすさに明らかに異なる影響を与えますが、どちらも同じ物理的本質、つまり動的過冷却に由来しています。

図1 双晶核形成と成長の模式図

1.2 過冷却による双核形成の反応速度論

Wang らは、三接合領域 (固液気三相接触線の近く) の微細構造を分析することによって、は双核形成の速度論的説明を提案した。彼らは、双子はどこからともなく現れるわけではないと主張しました。それらの核形成には 2 つの前提条件が必要です。それは、ファセットの存在と、ファセット領域の過冷却が特定のしきい値に達していることです。

通常の成長条件下では、ファセット端の湾曲した形状により融点が局所的に低下し、それによって自然に過冷却の一部が消費され、双核形成の駆動力が減少します。しかし、実際の過冷却が臨界値 (わずか約 0.2K と推定される) を超えると、ファセット上に双晶核を形成するための「エネルギー障壁」が大幅に減少します。過冷却がさらに増加すると（たとえば、1.5K まで）、双晶の核形成確率は指数関数的に増加します。絶対確率が非常に小さい (数十億分の 1 のオーダー) 場合でも、継続的な成長中に巨視的な双生児形成を頻繁に引き起こすには十分です。

図 2 三重接合領域における双核生成モデルの概略図: (a) ファセット、遷移曲線セグメント、およびメルトの間の界面張力のバランス。 (b) 固液界面移動時の双核形成

1.3 温度勾配と成長速度の影響

過冷却の大きさは主に、軸方向の温度勾配 (G) と成長速度 (R) という 2 つのプロセスパラメーターによって決まります。高い温度勾配によりファセット領域の過冷却が低く保たれる一方、低い成長速度により過冷却の急速な蓄積が回避されます。逆に、温度勾配が低く (たとえば、40K/cm 未満)、成長速度が高い (たとえば、5mm/h を超える) 場合、ファセット領域の過冷却が大幅に増加し、双晶がほぼ不可避になります。

Wangらによる比較実験。この規則を明確に示しています。LEC 法で 150K/cm の高温勾配と 1mm/h の遅い速度を使用すると、再現性よく双晶のない結晶が得られます。温度勾配を 40K/cm に下げ、速度を 5mm/h に上げると、すぐに双生児が誘発されます。同様の現象が VGF 法にも存在します。温度勾配が 5K/cm から 3K/cm に減少すると、双晶密度が著しく増加します。したがって、十分に大きな G/R 比を維持することが双生児を抑制するための中核戦略となります。

図3 双核形成の自由エネルギー障壁と過冷却の関係

2. 材料特性、加工、デバイスに対する双子の影響

2.1 材料固有の特性の劣化

構造的完全性の損傷:巨視的な貫通双晶 (Twin1) により、結晶全体が単結晶基板として完全に無価値になります。 Hermsらのように、明確に指摘されているのは、巨視的な双晶と共存する結晶は基板材料として使用するのには全く適していないということである。
不均一な光学異方性:主な複屈折方向は双晶境界の両側で異なり、透過光の偏光状態に急激な変化を引き起こします。ハームズら。光学測定により、双晶内部の主軸方向が双晶境界に対して約 45°回転しており、光波が双晶領域を通過するときに制御不能な位相変化が生じることが判明しました。
機械的特性の低下:双晶境界は、転位が容易に蓄積および放出される場所であり、熱サイクルまたは機械加工中にマイクロクラックが容易に発生します。王ら。 VGF‑VB インゴットのショルダーツイン領域で局所的な表面劈開が観察されました。

図4 双晶と成長縞の交差領域における異方性配向

図5 双層ラメラ内の光学異方性の回転の模式図

2.2 双子が後続の処理ステップに及ぼす影響

切断と研磨：構造的不連続領域として、双晶境界は機械加工中にマトリックスから異なる機械的応答を示す可能性があり、それによって切断や化学機械研磨の均一性に影響を与え、表面欠陥形成のリスクが高まります。
選択的エッチング:AB エッチング液の双晶境界の反応速度はマトリックスの反応速度とは異なるため、エッチング後に明確なトポグラフィーのステップが生じます。これは、フォトレジストの均一なコーティングと後続のリソグラフィーでのパターンの位置合わせに影響します。
エピタキシャル成長:双晶基板上のエピタキシャル層は基板の欠陥を再現します。量子井戸レーザーまたは HEMT 構造の場合、界面の双晶により追加の散乱中心が生じ、キャリアの移動度が低下します。 Zhu らによるホール測定データ。 VGF-VB プロセスで成長させたインゴットでは、尾部セクションの平均移動度 (約 1260cm2/V・s) がヘッド部の平均移動度 (約 1640cm2/V・s) よりも大幅に低く、これは付随する双晶と転位が部分的に原因であることが示されています。

図6 エッチング後のInP双晶領域の形態比較

図7 InPのヘッドウェーハとテールウェーハの移動度比較

2.3 デバイスの製造と歩留まりへの影響

リソグラフィーとエッチング:双晶によって引き起こされる表面の微細トポグラフィーと光学異方性は、高解像度のステップアンドリピートリソグラフィーのアライメント信号に干渉し、オーバーレイエラーを引き起こします。ドライエッチング中に、ツイン領域のエッチング速度が 5 ～ 10% 変動する可能性があり、その結果、メサの側壁の粗さが増加します。
収量損失:ローカルマイクロツイン (Twin2) の場合、その寸法 (通常、長さ 340 μm、幅 14 μm) が単一デバイスの機能サイズを超えると、そのデバイスは直接故障します。大量生産では、このようにランダムに分散されたツインにより、ウェーハあたりの機能チップの数が大幅に減少します。

2.4 最終デバイスの性能の低下

レーザーとLED:双晶は非発光再結合中心として、しきい値電流を増加させ、内部量子効率を低下させます。 Hetick et al.低温 InP 微結晶のフォトルミネッセンス (PL) 量子収率が 10±2% であると報告しましたが、その値は双晶の長期的な影響を考慮せずに測定されました。実際のレーザーでは、双晶による追加の損失により、しきい値電流密度が 30% 以上上昇します。
高周波電子機器（HEMT/HBT）：双晶境界における原子の不整列によりダングリングボンドが形成され、これにより追加のエネルギー準位が導入され、局所的なキャリア濃度が変化します。 HEMT のチャネルでは、このような不均一なドーピングにより相互コンダクタンスに局所的な変動が生じ、デバイスの雑音指数が増加します。
集積フォトニック回路:双晶によって引き起こされる偏光回転効果は、フォトニック集積回路において特に有害です。光導波路がツイン領域を横切ると、異なる偏光モード間で制御されない変換が発生し、干渉計や偏光ビームスプリッタの機能が中断されます。 ZhuらによるPL波長マッピング。図は、ツインを含むコントロール VGF ウェーハのピーク波長スパンが 10.90nm と大きいのに対し、最適化された VGF-VB ウェーハではわずか 1.40nm であることを示しています。波長分割多重システムのレーザーアレイの場合、10nm の波長の不均一性は、通信規格のチャネル間隔要件を満たしていないことを意味します。

図8 InP微結晶のPL量子収率

図 9 異なる方法で成長させた InP テールウェーハの PL ピーク波長均一性の比較

3. InP 結晶成長のための双子の抑制戦略とプロセスの最適化

上記の分析に基づくと、双晶抑制の核心は、成長界面での動的過冷却を軽減し、熱応力を最小限に抑えることにあります。具体的な対策としては以下が挙げられます。

軸方向の温度勾配を増加させる:LEC 法では 150K/cm を超える勾配を使用し、VGF では 5～7K/cm を維持し、熱場を可能な限り軸対称にします。
成長率の低下:一定直径セクションの場合、過冷却によるツイントリガーを避けるために、成長速度を 1 ～ 2 mm/h 以内に制御します。
ショルダー形状の最適化:突然の直径変化による熱応力集中を避けるために、「フラットショルダー」(90°に近いショルダー角度) または緩やかに変化するショルダー拡張を使用します。王ら。フラットショルダー法を使用して、直径 170 mm のツインフリー InP 単結晶を作製しました。
VGF‑VB ハイブリッドプロセス:準定常状態の凝固条件を確立するために、一定直径セクション中にるつぼの回転 (2rpm) と一定速度の下降 (2mm/h) を導入します。 Zhuらの結果。らは、ハイブリッドプロセスによりテールウェーハの平均転位密度が 627cm-2 から 172cm-2 に減少し、X 線回折ロッキングカーブの半値全幅が 162arcsec から 101arcsec に狭くなることを示しています。
ドーピング管理:双晶境界エネルギーを低下させる不純物の使用を避け、双晶核形成に対する高い障壁を維持するために適切なドーピング濃度を選択してください。

研究用または産業用アプリケーションで InP ウェーハが必要な場合は、次のアドレスまで電子メールでお問い合わせください。[email protected] と [email protected].

参考文献：

Wang, S.、Sun, N.、Shi, Y.、Shao, H.、Gu, Z.、Li, X.、… & Zhang, X. (2024)。 InP の双晶形成のダイナミクス解析と 6 インチ InP 単結晶の作製。 CrystEngComm、26(36)、4964-4974。
Herms, M.、Stoehr, M.、Mithun, D.、Wagner, M.、Frank-Rotsch, C.、Juda, U.、および Souptel, D. リン化インジウムおよびヒ化ガリウム結晶における双晶構造と成長縞の特性評価。 SSRN 6755029 で入手可能です。
Zhu, X.、Li, B.、Wei, H.、および Ma, Y. 低転位密度と高い均一性を備えた 4.5 インチ InP 単結晶の VGF-VB ステージ切り替え成長プロセス。 SSRN 6161586 で入手可能です。
Hetick, M.、Li, H.、Lien, DH、Yeh, M.、Yang, TY、Amani, M.、… & Javey, A. (2020)。 220 ℃までの低温での InP の形状制御単結晶成長。米国科学アカデミー紀要、117(2)、902-906。