CÔNG NGHỆ CHÊ TẠO ĐƠN TINH THỂ
4.8.7. Cấu trúc màng epitaxy
Epitaxy đồng chất (homoepitaxy) nghĩa là lớp đơn tinh thể epitaxy và đế đơn tinh thể cùng một chất như nhau có cùng hằng số mạng và cấu trúc mạng.
Trong trường hợp này người ta nói rằng quá trình epitaxy có mạng tương thích (lattice - matched epitaxy). Ở đây cấu trúc màng và đế là liên tục về mặt vật liệu cũng như cấu trúc tinh thể và màng epitaxy hầu như không bị biến dạng, không có khuyết tật.
Trong trường hợp epitaxy dị chất, nghĩa là lớp epitaxy và đế đơn tinh thể là hai chất khác nhau, lớp epitaxy phải phát triển sao cho một cấu trúc phân biên lý tưởng vẫn được duy trì. Điều đó có nghĩa là mối liên kết nguyên tử phải được liên tục từ bên này sang bên kia lớp phân biên, không bị đứt gãy. Vì vậy hai chất bán dẫn phải có cùng một hằng số mạng hay là có khả năng biến dạng để chấp nhận một hằng số mạng chung. Hai trường hợp đó ứng với hai loại epitaxy dị chất: epitaxy mạng tương thích (lattice - matched epitaxy) và epitaxy có lớp co giãn (strained layer epitaxy). Trên hình 4-lóa trình bày cấu trúc lớp epitaxy mạng tương thích, trong đó màng epitaxy và đế có cùng hằng số mạng, một ví dụ đối với loại epitaxy mạng tương thích là epitaxy (AlxGa|.xAs) trên đế GaAs với mọi giá trị X từ 0 đến 1 , hằng số mạng của AlxGaNxAs sai khác hằng số mạng GaAs chưa đến 0,13%.
164 Trường Đ ạ i học Bách khoa H à Nội
Chương 4: Công nghệ c h ế tạo đơn tinh th ể
Đối với trường hợp hại mạng không tương thích, nếu lớp epitaxy có hằng sô' mạng lớn hơn của đế và có tính đàn hồi cao, thì tinh thể trong lớp epitaxy sẽ bị nén, hằng sô' mạng theo phương song song bề mặt đế sẽ co lại cho thích họp với chu kỳ mạng của đế.
t i A * ^ fV% X í i 11 y/% / 4 n M V-k Ẩ1 A _ A* 1 _
1 ►-
■ ịt”I
■ - - ™ : : : ± :
ị - :i
í
Đồng thời lực đàn hồi của tinh thể sẽ làm cho nó giãn ra theo phương vuông góc với bề mặt đ ế và do đó hằng sô' mạng theo phương này tãng lên như biểu diễn ở hình 4-16b. Đó là trường hợp epitaxy dị chất với lớp co
giãn (strained layer epitaxy). ... . . . . . Ngược lại, nếu lóp epitaxy có * Q hằng sô' mạng nhỏ hơn đe, thì 11n I t 111 n n m t tinh thể lớp epitaxy sẽ bị giãn
ra theo phương song song bề mặt đế và bị nén, co lại theo phương vuông góc với bề mặt đế, đây cũng là epitaxy dị chất với lớp co giãn. Tuy nhiên khi bề dày lớp co giãn tăng lên, sô'
lệch mang khỏng tương thích
im
T u rn t
(a) (b) (c)i
H ình 4-16: Sơ đổ biểu diễn sự hình thành m àng epitaxy với các dạng cẩu trúc khác nhau:
a-Lởp epitaxy mạng tương thích; b- Lớp epitaxy co giãn; c- Lớp epitaxy không tương thích chứa lệch mạng không tương thích ỏ phân biôn.
nguyên tử có mối liên kết bị co giãn sẽ tầng lên đến một bề dày nào đó sẽ sinh ra các lệch mạng không tương thích (misfit dislocation) để giải phóng năng lượng do sự co giãn các mối liên kết (như một loại ứng suất trong tinh thể). Bề dày lớp epitaxy này được gọi là bề dày lớp tới hạn (critical layer thickness). Trên hình 4 -lóc biểu diễn trường hợp hình thành các lệch mạng bờ (edge dislocation) trên bề mặt phân biên.
Bề dày lớp tới hạn đối với các cặp vật liệu khác nhau trong epitaxy dị chất là khác nhau và phụ thuộc vào độ không tương thích về hằng số mạng. Khi bề dày lớp epitaxy tăng lên lớn hơn bề dày lớp tới hạn thì sẽ xảy ra lệch mạng.
Có một cấu trúc epitaxy dị chất liên quan đến lóp co giãn nói trên là siêu mạng các lớp co giãn (strained layer superlattice - SLS) đang được nghiên cứu và ứng dụng. Siêu mạng là một cấu trúc nhân tạo tuần hoàn một chiều từ các vật liệu khác nhau với chu kỳ khoảng lOnm. Trên hình 4-17 trình bày một siêu mạng các lớp có giãn SLS từ hai chất bán dẫn có hằng số mạng cân bằng aj và a2 khác nhau (aj > a2) phát triển thành cấu trúc có hằng số mạng chung trên bề mặt là b với aj > b > a2. Với các lớp đủ mỏng, sự không tương thích hằng số mạng sẽ được điều chỉnh cho hợp nhau bàng sự co giãn
T rư ở ng Đ ạ i h ọc B á c h kh o a H à Nội 165
VẬT LIẾỤ BÁN DẪN
đồng nhất trong các lớp. Với những điều kiện như vậy trên các mặt phân biên sẽ không hình thành các lệch mạng không tương thích mà sẽ nhận được một vật liệu tinh thể chất lượng cao. Vật liệu có cấu trúc nhân tạo như vậy có thể chế tạo bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử.
Vật liệu siêu mạng các lớp co giãn (SLS) là một đối tượng nghiên cứu mới rất được chú ý vì nó hứa hẹn những ứng dụng quan trọng trong linh kiện chất rắn, đặc biệt là những linh kiện tốc độ nhanh và photonic, ở đây đã xảy ra sự “điều chỉnh vùng cấm năng lượng” do sự thay đổi hằng số mạng trong các lớp co giãn.
H ìn h 4 -1 7 : Sơ đồ biểu diễn sự hình thành siêu mạng các lớp co giãn (SLS - strained layer superlattice).
BÀI TẬP CHUƠNG 4
(4-1) Muốn nuôi một thỏi tinh thể silic bằng phương pháp Czochralcki (CZ) có chứa hàm lượng bo (B) là 1.10l5cm'3 nồng độ B trong dung dịch nóng chảy phải bằng bao nhiêu? Với 60kg silic cần có bao nhiêu g bo (nguyên tử lượng của B là 10,8)? Hệ số phân tách B trong Si, K0 = 0,8. Mật độ silic lỏng là 2,53 (g/cm3).
(4-2) Vẽ đồ thị phân bô' tạp chất:
a) Arsen, b) Photpho,
ở các khoảng cách 20, 40, 60, 80, 90cm của thỏi tinh thể dài lOOcm dọc theo thỏi được kéo bằng phương pháp Czochralski với nồng độ ban đầu trong thể nóng chảy ĩà 10l6cm '3.
(4-3) Giả sử người ta dùng một khối lượng lOkg silic sạch để kéo thành đơn tinh thể, cần một khối lượng bo bao nhiêu để nhận được silic pha tạp bo có điện trở suất bằng O.Olíícm khi nửa thỏi tinh thể đã được kéo (tại điểm giữa theo chiều dọc cua thỏi tinh thể).
(4-4) Vẽ đường cong CJC0 đối với K0 = 0,05 trong cổng nghệ nuôi đơn tinh thể theo phương pháp cz.
1 6 6 Trường Đ ạ i học B ách kho a H à Nội
Chương 4: Công nghệ chế tạo đơn tinh thể
(4-5) Một thỏi tinh thể nuôi bằng phương pháp c z có nồng độ bo ở đầu (phần kéo đầu tiên) hay ở cuối thỏi lớn hơn, có nồng độ bo ở giữa phiến (khi cắt thành phiến - wafer) hay ở chu vi phiến lớn hơn.
(4-6) Dùng phương pháp nóng chảy vùng để làm sạch thỏi silic có chứa tạp chất Ga đồng đều với nồng độ 5.1016cm"3. Thực hiện một hành trình với vùng nóng chảy bằng 2cm. Phải đi qua một khoảng cách bằng bao nhiêu để nồng độ Ga đạt dưới mức 5.1015cm'3.
(4-7) Từ công thức phân bố tạp chất trong tinh thể kết tinh bằng nóng chảy vùng (4-8) tính ^ tại điểm — = 1 và — = 2 với Kef = 0,3.
(4-8) Tim số nguyên tử trên một đơn vị diện tích, Ns, cẩn thiết đe tạo liên một lớp đơn nguyên tử xếp chạt (một nguyên tử tiếp xúc với 6 nguyên tử lân cận), giả thiết đường kính nguyên tử d bằng 4,68Â.
(4-9) Độ chênh hằng số mạng (hay là độ không tương thích hằng số mạng - lattice misfit) của màng epitaxy được xác định bằng công thức:
f = [a0(s) - a0(f)]/a0(f) = A a^o trong đó aQ(s) và aơ(f) là
hằng số mạng (không bị biến dạng) của đế và của màng. Hãy tìm giá trị của f đối với các hệ (InAs - GaAs) và (Ge - s’i).
(4-10) Bề dày lớp tới hạn của lớp epitaxy co giãn không lệch mạng của hai hệ (GexSÌ!_x trên Si) và (Gaị.xInx trên GaAs) phụ thuộc vào chỉ số thành phần X được biểu diễn ở hình 4-18. Tìm giá trị X cho mỗi hệ để tạo được trên đế lớp epitaxy co giãn không lệch mạng có bề bày bầng lOnm.
Hình 4-18
Trưởng Đ ạ i học B ách khoa H à Nội 167
VẬT LIỆU BÁN DẪN
CHUÔNG 5