Механизм образования и влияние двойников в монокристаллах InP на характеристики +

Фосфид индия (InP), как важное полупроводниковое соединение III-V, занимает незаменимое положение в волоконно-оптической связи, радиочастотных интерфейсах 5G/6G и высокоскоростных интегральных схемах благодаря своей высокой подвижности электронов, прямой запрещенной зоне и превосходным высокочастотным характеристикам. PAM-XIAMEN может выращивать подложку InP без двойников. Для получения более подробной информации о пластинах обращайтесь по адресу[email protected].

В настоящее время монокристаллы InP в основном выращиваются с помощью таких методов из расплава, как метод Чохральского с жидкой капсулой (LEC), метод вертикального градиентного замораживания (VGF) и метод вертикального Бриджмена (VB). Однако эти процессы легко приводят к образованию двойников вращения – т.е. когерентных границ раздела, образующихся при повороте кристалла на 60° вокруг оси <111>. Двойники являются одними из наиболее распространенных кристаллических дефектов в полупроводниках соединений структуры цинковой обманки. Они не только ухудшают структурную целостность кристалла, но и вызывают ряд проблем при последующей обработке и изготовлении устройств. Поэтому систематическое выяснение динамики зарождения двойников, методов определения характеристик, их влияния на характеристики материалов и устройств, а также стратегий подавления имеет большое теоретическое и инженерное значение.

1. Механизм образования и кинетическая модель двойников в InP.

1.1. Кристаллографические характеристики двойников.

В структуре цинковой обманки двойники лежат на плоскостях {111}, а решетки по обе стороны от границы двойника зеркально-симметричны. По данным Wang et al., двойники в InP зарождаются в основном в двух типах мест: одно находится в трипереходе твердое тело-жидкость-газ, называемом «Twin1»; однажды сформировавшись, такие двойники распространяются по всему слитку. Другой зарождается непосредственно в середине границы твердого тела и жидкости, называемый «Твин2», образуя локальные микродвойники длиной всего несколько сотен микрометров. Эти два типа двойников совершенно по-разному влияют на удобство использования материала, но оба имеют одну и ту же физическую сущность – динамическое переохлаждение.

Рис. 1. Принципиальная схема зарождения и роста двойников.

1.2. Кинетика зарождения двойников, обусловленная переохлаждением

Анализируя микроструктуру в области тройного перехода (около линии трехфазного контакта твердого тела-жидкости-газа), Wang et al. предложил кинетическое объяснение зарождения двойников. Они утверждали, что близнецы не появляются из ниоткуда; для их зарождения необходимы две предпосылки: наличие грани и переохлаждение в области грани, достигающее определенного порога.

В нормальных условиях роста изогнутая форма края грани локально снижает температуру плавления, тем самым естественным образом поглощая часть переохлаждения и уменьшая движущую силу зародышеобразования двойников. Однако когда фактическое переохлаждение превышает критическое значение (по оценкам, оно составляет всего около 0,2 К), «энергетический барьер» для формирования двойного ядра на грани значительно снижается. При дальнейшем увеличении переохлаждения (например, до 1,5 К) вероятность зарождения двойников возрастает экспоненциально. Даже если абсолютная вероятность очень мала (порядка одного на несколько миллиардов), ее достаточно, чтобы вызвать частое образование макроскопических двойников в ходе непрерывного роста.

Рис. 2. Схематическая диаграмма модели зарождения двойника в области тройного соединения: (а) Баланс межфазного натяжения между гранью, переходным изогнутым сегментом и расплавом; (б) Образование двойникового ядра при миграции границы раздела твердое тело и жидкость.

1.3 Влияние температурного градиента и скорости роста

Величина переохлаждения в основном определяется двумя параметрами процесса: осевым градиентом температуры (G) и скоростью роста (R). Высокий градиент температуры сохраняет низкое переохлаждение в фасетной области, тогда как низкая скорость роста позволяет избежать быстрого накопления переохлаждения. И наоборот, если температурный градиент невелик (например, ниже 40 К/см) и высокая скорость роста (например, превышает 5 мм/ч), переохлаждение в фасеточной области значительно увеличивается, и двойники становятся практически неизбежными.

Сравнительные эксперименты Wang et al. четко продемонстрируйте это правило: использование высокого температурного градиента 150 К/см и низкой скорости 1 мм/ч в методе LEC воспроизводимо дает кристаллы без двойников; уменьшение градиента температуры до 40 К/см и увеличение скорости до 5 мм/ч немедленно вызывает появление близнецов. Аналогичное явление существует и в методе VGF: при уменьшении градиента температуры с 5К/см до 3К/см плотность двойников заметно возрастает. Таким образом, поддержание достаточно большого соотношения G/R ​​является основной стратегией подавления близнецов.

Рис. 3. Зависимость между барьером свободной энергии для зарождения двойника и переохлаждением.

2. Влияние близнецов на свойства материалов, обработку и устройства.

2.1 Ухудшение свойств материала

• Нарушение структурной целостности:Макроскопические сквозные двойники (Twin1) делают весь кристалл совершенно бесполезным как монокристаллический субстрат. Как сообщили Herms и соавт. ясно указано: кристаллы, сосуществующие с макроскопическими двойниками, совершенно непригодны для использования в качестве подложек.
• Неоднородная оптическая анизотропия:Основное направление двойного лучепреломления различается по обе стороны от границы двойника, что приводит к резкому изменению состояния поляризации проходящего света. Гермс и др. С помощью оптических измерений обнаружено, что направление главной оси внутри двойника повернуто примерно на 45 ° относительно границы двойника, что приводит к неконтролируемым изменениям фазы, когда световые волны проходят через область двойника.
• Ухудшение механических свойств:Границы двойников — это места, где дислокации легко накапливаются и выделяются, легко инициируя микротрещины во время термоциклирования или механической обработки. Ван и др. наблюдали локальный раскол поверхности в области плечевого двойника слитков VGF-VB.

Рис. 4. Ориентация анизотропии в области пересечения двойников и полос роста.

Рис. 5. Принципиальная схема вращения оптической анизотропии внутри двойных ламелей.

2.2 Влияние близнецов на последующие этапы обработки

• Резка и полировка:Как области структурной неоднородности, границы двойников могут проявлять различные механические реакции со стороны матрицы во время механической обработки, тем самым влияя на однородность резки и химико-механической полировки и увеличивая риск образования поверхностных дефектов.
• Выборочное травление:Скорость реакции двойниковых границ в травителе AB отличается от скорости реакции матрицы, что приводит к четким топографическим ступенькам после травления. Это влияет на равномерность покрытия фоторезиста и выравнивание рисунка при последующей литографии.
• Эпитаксиальный рост:Эпитаксиальные слои на двойниковых подложках повторяют дефекты подложки. В лазерах с квантовыми ямами или HEMT-структурах двойники на границе раздела создают дополнительные центры рассеяния, уменьшая подвижность носителей. Данные измерений Холла от Zhu et al. показывают, что в слитках, выращенных процессом VGF-VB, средняя подвижность в хвостовой части (около 1260 см²/В·с) значительно ниже, чем в головной части (около 1640 см²/В·с), что отчасти объясняется сопутствующими двойниками и дислокациями.

Рис. 6. Сравнение морфологии области двойника InP после травления.

Рис. 7. Сравнение подвижности между головной и хвостовой пластинами InP.

2.3 Влияние на производство устройств и производительность

• Литография и офорт:Микрорельеф поверхности и оптическая анизотропия, вызванная двойниками, мешают сигналу выравнивания при пошаговой литографии с высоким разрешением, вызывая ошибки наложения. При сухом травлении скорость травления в двойных участках может отклоняться на 5-10%, что приводит к увеличению шероховатости боковых стенок мез.
• Потеря урожайности:Для локальных микродвойников (Twin2), если их размеры (обычно 340 мкм в длину и 14 мкм в ширину) превышают размер элемента отдельного устройства, это устройство сразу выходит из строя. При крупносерийном производстве такие случайно распределенные двойники значительно сокращают количество функциональных чипов на пластину.

2.4 Ухудшение производительности конечного устройства

• Лазеры и светодиоды:Будучи центрами безызлучательной рекомбинации, двойники увеличивают пороговый ток и снижают внутреннюю квантовую эффективность. Хотя Хеттик и др. сообщили о квантовом выходе фотолюминесценции (ФЛ) 10 ± 2% для низкотемпературных микрокристаллов InP, это значение было измерено без учета долгосрочных эффектов двойников; для реальных лазеров дополнительные потери из-за двойников повышают пороговую плотность тока более чем на 30%.
• Высокочастотные электронные устройства (HEMT/HBT):Несовпадение атомов на границах двойников создает оборванные связи, которые, в свою очередь, вводят дополнительные уровни энергии и изменяют локальную концентрацию носителей. В канале HEMT такое неоднородное легирование вызывает локальные флуктуации крутизны и увеличивает коэффициент шума устройства.
• Интегральные фотонные схемы:Эффект вращения поляризации, вызванный двойниками, особенно вреден в фотонных интегральных схемах. Когда оптический волновод пересекает область двойника, происходит неконтролируемое преобразование между различными модами поляризации, нарушающее функциональность интерферометров или поляризационных светоделителей. Картирование длин волн ФЛ, выполненное Zhu et al. показывает, что для контрольной пластины VGF, содержащей близнецов, пиковый диапазон длин волн достигает 10,90 нм, тогда как для оптимизированной пластины VGF-VB он составляет всего 1,40 нм. Для лазерных матриц в системах мультиплексирования с разделением по длине волны неравномерность длины волны в 10 нм означает несоответствие требованиям стандартов связи к разносу каналов.

Рис. 8. Квантовый выход ФЛ микрокристаллов InP.

Рис. 9. Сравнение однородности длины волны пика ФЛ в хвостовых пластинах InP, выращенных разными методами.

3. Стратегии подавления двойников и оптимизация процесса роста кристаллов InP

Основываясь на приведенном выше анализе, суть подавления двойников заключается в уменьшении динамического переохлаждения на границе роста и минимизации термического напряжения. Конкретные меры включают:

• Увеличение осевого градиента температуры:Используйте градиент выше 150 К/см в методе LEC, поддерживайте градиент 5–7 К/см в VGF и делайте тепловое поле как можно более осесимметричным.
• Снижение темпов роста:Для секции постоянного диаметра контролируйте скорость роста в пределах 1-2 мм/ч, чтобы избежать срабатывания двойника, вызванного переохлаждением.
• Оптимизация формы плеч: 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.
• Гибридный процесс VGF‑VB:Введите вращение тигля (2 об/мин) и опускание с постоянной скоростью (2 мм/ч) на участке постоянного диаметра, чтобы установить квазистационарные условия затвердевания. Результаты Zhu et al. показывают, что гибридный процесс снижает среднюю плотность дислокаций в хвостовой пластине с 627 см⁻² до 172 см⁻² и сужает полную ширину кривой качания рентгеновской дифракции на половине максимума со 162 до 101 угловой секунды.
• Допинг-контроль:Избегайте использования примесей, которые снижают энергию границы двойника, и выбирайте соответствующую концентрацию легирования, чтобы поддерживать высокий барьер для зарождения двойника.

Если вам нужны пластины InP для исследований или промышленного применения, свяжитесь с нами по электронной почте:[email protected] и [email protected].

 

Ссылки:

1. Ван С., Сунь Н., Ши Ю., Шао Х., Гу З., Ли Х.,… и Чжан Х. (2024). Анализ динамики образования двойников InP и получение 6-дюймовых монокристаллов InP. CrystEngComm, 26 (36), 4964-4974.
2. Хермс М., Стер М., Митхун Д., Вагнер М., Франк-Ротч К., Джуда У. и Суптель Д. Характеристика двойных структур и полос роста в кристаллах фосфида индия и арсенида галлия. Доступно по номеру SSRN 6755029.
3. Чжу С., Ли Б., Вэй Х. и Ма Ю. Процесс выращивания с переключением стадий VGF-VB для 4,5-дюймовых монокристаллов InP с низкой плотностью дислокаций и высокой однородностью. Доступен по номеру SSRN 6161586.
4. Хеттик, М., Ли, Х., Лиен, Д.Х., Йе, М., Ян, Тай, Амани, М.,… и Джави, А. (2020). Рост монокристаллов InP с контролируемой формой при низких температурах до 220 C. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(2), 902-906.