Post on 02-May-2015
Status progetto al 27/05/2005
• Processi di deposizione
• Processo STD (SiH4+C2H4)
• Processo con HCl (SiH4+C2H4+HCl)
• Processo con TCS (TCS +C2H4)
• Caratterizzazione ottica
• Fotoluminescenza
• Caratterizzazione elettrica
• Diodi Schottky
• DLTS
Processo di deposizione STDRicerca bibliografica dei parametri influenti la crescita epitassiale:
Parametri Principali:
•Temperatura = 1500-1600°C
•C/Si= 1 – 2,5 (flusso precursori 10-50sccm)
•Si/H2= 0,01 – 0,1 %
•Drogaggio tipo N
Parametri secondari:
•Pressione
•Gas carrier e sua portata
•Etching
•Camera di reazione
•Precursori
Processo di deposizione STDFlusso H2 = 100/ 150 slmT = 1550°/ 1600°C P = 100mbar
Buffer Layer:C/Si = 1.5/ 2.0Si/H2 = 0.03%Nd=3x1018/cm3
Active Layer:C/Si = 1.5/2Si/H2 = 0.03%Nd=1x1016/cm3
Processo di deposizione STD(misure di fotoluminescenza)
350 400 450 500 550 600
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
Inte
nsità
(u
.a.)
(nm)
380 – 400 nm eccitoni liberi o legati
450 - 600 nm difetti
Da una calibrazione effettuata mediante impiantazione ionica si può dire che in questo caso ci sono circa 4x1017 atomi spostati/cm3.
Processo di deposizione STD(misure di fotoluminescenza)
Determinazione della concentrazione di azoto
380 385 390 395 400
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
EL
EN
Inte
nsit
à (u
.a.)
(nm)
EN/EL proporzionale alla concentrazione di azoto
380 385 390 395 400-0.0005
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
Inte
nsit
à (u
.a.)
(nm)
Intrinseco Nd=1016/cm3
1014 1015 1016 1017
0
1
2
3
4
EN/E
L
Concentrazione azoto (cm-3)
Curva di calibrazione per Azoto
Processo di deposizione STD(misure di fotoluminescenza)
Con questa curva di calibrazione si possono misurare valori molto bassi (<1015/cm3) di concentrazione di azoto con una buona precisione
400 440 480 520 560 600
0.000
0.004
0.008
0.012
0.016
Inte
nsit
à (u
.a.)
(nm)
CBC965E04GR=6.77 m/hrTh=31.57 mDop=5.7e14 cm-3
T=1550 °CSi/H2=0.03C/Si=2H2=150
Luminescenza 11 K – difetti
Processo di deposizione STD(misure di fotoluminescenza)
Nel processo STD non sono presenti difetti fra 480 e 600 nm.
Ciò significa che gli atomi spostati sono inferiori a 1016/cm3.
Effetto del rapporto Si/H2
• Il massimo valore del rapporto Si/H2 (senza HCl) sembra essere 0.04 %. A valori più alti le caratteristiche peggiorano notevolmente.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,01E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1
SAMPLE 350n = 1.09 + 0.01 = (1.56 + 0.01) eVRs = (0.65 + 0.18)
Cur
rent
(A
)
Forward bias (V)0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1SAMPLE 352n = 1.33 + 0.17 = (1.37 + 0.10) eVmigliore: n = 1.18 = 1.48 eV
Cur
rent
(A
)
Forward bias (V)
Si/H2=0.04% Si/H2=0.05%
Processo di deposizione STD(misure diodi Schottky)
Yield: 74 % T=1600 °C
Si/H2=0.04 %
C/Si=2
H2=150 slm
I (V= -200V) < 1x10-7A
1x10-7A < I (V= -200V) < 1x10-5A
I (V= -200V) > 1x10-5A
Diodo 1 mm2
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,01E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1SAMPLE 382n = 1.06 + 0.03 = (1.60 +0.03) eVRs parte sup = (0.20 + 0.04) Rs parte inf = (0.30 + 0.11)
Cur
rent
(A
)
Forward bias (V)
Processo di deposizione STD(misure diodi Schottky)
Processo di deposizione STD(misure diodi Schottky)
• Sono in corso di realizzazione dei diodi Schottky per finire di caratterizzare il processo STD (Si/H2=0.03%, C/Si=1.5-2, T=1550 °C) e vedere l’influenza del buffer layer (buffer di 4 m).
• Sono in corso misure DLTS sui diodi realizzati per determinare i livelli profondi introdotti durante la crescita epitassiale.
Processo di deposizione STD(misure DLTS)
Nei migliori diodi presenti sul wafer con il processo ottimizzato (Si/H2=0.04%, C/Si=2, Tdep=1600 °C) si osserva solo il livello EH7 che dovrebbe essere legato ad una di-vacanza.
Questo difetto è probabilmente legato al processo di realizzazione del bordo del diodo.
Non è presente il livello Z1/Z2 che è sempre presente nelle epitassie CREE.
Processo di deposizione con HCl
• Flusso H2 = 100slm• T = 1550°C • P = 100mbar• No Bake out• Buffer Layer:
– C/Si = 1.5– Si/H2 = 0.03%– N2 Buffer = 1,5 slm– Durata Buffer = 5’
• Active Layer:– HCl=200sccm– C/Si = 1.5– Si/H2 = 0.10%– N2 effettivo = 23
sccm– Durata Epi = 30’
Processo Iniziale(Acido200)
400 440 480 520 560 600
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
Inte
nsit
à (u
.a.)
(nm)
AJ122210
GR=16.62 m/hrTh=20.22 mDop=7.0E15 cm-3
T=1550 °CSi/H2=0.1C/Si=1.5H2=100HCl=200
Processo di deposizione con HCl(misure di fotoluminescenza)
Difetti
Atomi spostati 5x1017/cm3
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,01E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1
SAMPLE 339in = 1.11 + 0.04 = (1.53 + 0.04) eVR
s = (0.41 + 0.20)
Cur
rent
(A
)
Forward bias (V)0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1
SAMPLE 340en = 1.10 + 0.04 = (1.54 + 0.05) eV
Cur
rent
(A
)Forward bias (V)
HCl 200 sccm
T=1550 °C
Si/H2=0.05%
C/Si=1.5
H2=100 slm
HCl 200 sccm
T=1600 °C
Si/H2=0.1%
C/Si=1.5
H2=100 slm
Processo di deposizione con HCl(misure diodi Schottky)
• Le caratteristiche non dipendono dal rapporto Si/H2 e quindi dalla growth rate
• La mobilità dei portatori è bassa (difetti).
1.4 1.6 1.8 2.0 2.20.0
0.2
0.4
0.6
Nor
mal
ized
Yie
ld (
%)
Voltage @ I = 0.2 A
HCl STD
Processo di deposizione con HCl(misure diodi Schottky)
A parità di concentrazione di drogante e di spessore dello strato epitassiale i diodi su epitassia STD portano più corrente. Quindi la mobilità dei portatori è minore nel processo con HCl. Ciò dovrebbe essere dovuto alla presenza di difetti cristallografici.
-7 -6 -5 -40.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Nor
mal
yzed
yie
ld
HCl process
Iavg= 1.7 x 10-5 A
10 10 10 10
Reverse leakage current @ -600V (A)
-7 -6 -5 -40.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Nor
mal
yzed
yie
ld
ETC STD process
Iavg
= 2 x 10-6 A
10 10 10 10
Reverse leakage current @ -600V (A)
Processo di deposizione con HCl(misure diodi Schottky)
La corrente di leakage più alta dei diodi su epitassie cresciute con HCl è dovuta alla presenza di difetti cristallografici.
0.0 5.0x105
1.0x106
1.5x106
2.0x106
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
ND=1.6e16 Th=10 m (Schoen et al.)
ND=3.5e15 Th=13 m (Schoen et al.)
ND=1.3e16 Th=9.63 m (ETC)
ND=1.2e16 Th=8.51 m (ETC)
Cur
rent
den
sity
(A
/cm
2 )
Electric field (V/cm)Schoen K.J. et al., IEEE Trans. Electron devices 45, 1595 (1998)
Processo di deposizione con HCl(misure diodi Schottky)
Le caratteristiche inverse in prossimità del breakdown sia per il processo con HCl (verde), che STD (blu) sono comparabili ai migliori dati riportati in letteratura su epitassie CREE.
Processo Finale(Acido50)
• Flusso H2 = 100slm• T = 1600°C • P = 100mbar• No Bake out• Buffer Layer:
– C/Si = 1.5– Si/H2 = 0.03%– N2 Buffer = 1,5 slm– Durata Buffer = 5’
• Active Layer:– HCl=50sccm– C/Si = 1.5– Si/H2 = 0.10%– N2 effettivo = 23
sccm– Durata Epi = 30’
Modifica su rampe:
Buffer layer
•HCl rampato da 0 a setpoint negli ultimi 30”
Active layer
•C2H4 subito al new setpoint
•SiH4 dopo 30” rampa in 2min al nuovo setpoint
Processo di deposizione con HCl(nuovo processo)
400 440 480 520 560 600
0,00
0,02
0,04
0,06
Inte
nsità
(u.a
.)
(nm)
DAC274C05GR=16.11 m/hrTh=87 mT=1600 °CSi/H2=0.1C/Si=1.5H2=100HCL=50
Processo di deposizione con HCl(nuovo processo)
misure di fotoluminescenza
Il nuovo processo con HCl non presenta i difetti mostrati dal precedente processo.
Non ci sono difetti!
Atomi spostati inferiori a 1016/cm3
400 440 480 520 560 600
0,00
0,02
0,04
0,06
Inte
nsità
(u.a
.)
(nm)
Th=87 m
Processo di deposizione con HCl(nuovo processo)
misure di fotoluminescenza
Anche se il campione è perfetto dal punto di vista della fotoluminescenza si osserva la formazione di buchi legati alla caduta di particelle durante la deposizione.
23μm
SEM – Cross section
Processo di deposizione con HCl(nuovo processo)
misure diodi Schottky
• Sono in corso di realizzazione dei diodi Schottky su wafer cresciuti con HCl. Si sono utilizzati i processi ottimizzati mediante fotoluminescenza.
• Sono in corso misure DLTS sui diodi realizzati con il vecchio processo per determinare i livelli profondi introdotti durante la crescita epitassiale.
• Flusso H2 = 150slm• T = 1550°-1600°C • P = 100mbar• Bake out a 500°C (Opzionale)• Buffer Layer (Opzionale):
– C/Si = 1.5-2.7– Si/H2 = 0.01-0.10%– N2 Buffer = 1,5 slm– Durata Buffer = 10’
• Active Layer:– TCS=25-168sccm– C/Si = 1.5-2.7– Si/H2 = 0.01-0.1%– N2 effettivo (Opzionale)= 30
sccm– Durata Epi = 30’-120’
Processo Base
Nota bene: Nei vari rapporti si indica come contenuto di Silicio il flusso impostato sul flussimetro del TCS, si assume cioè che dalla bombola di TCS stia uscendo una miscela al 100% di TCS, cosa che non dovrebbe essere reale.
Processo di deposizione con TCS
Si/H2=0.012 %
C/Si=3.6
Si/H2=0.045 %
C/Si=2.7
C/Si=2.34
C/Si=2.08
Si/H2=0.06 %
Processo di deposizione con TCS
Riassunto - Crescite con TCS• Variabili: Temperatura – TCS – C/Si
Si/H2Temperatura C/Si GR C/Si GR C/Si GR C/Si GR
2,7 3,7 2,5 6 2,5 nm2 nm
1600 2,5 6,1 2 10,6 1,56 11,31,75 10,1 1,56 11,7
1,75+HCl 10,52 10,2
1650
0,016 0,03 0,056 0,06
1550
PessimaRugosaStrisceSpecchio
Morfologia
Processo di deposizione con TCS
Processo di deposizione con TCS(misure di fotoluminescenza)
Difetti!
Il processo migliore (C/Si=2.5 Si/H2= 0.03 % Tdep=1550 °C) con TCS presenta la tipica gobba dei difetti.
Bisogna ancora ottimizzare il processo.
Dopo la prima ottimizzazione con la fotoluminescenza verranno realizzati i diodi Schottky su queste epitassie.
Atomi spostati 1.8x1017/cm3