23.2., 9.3., 23.3., 13.4., 27.4.; ZK

Transkript

1 POLOVODIČOVÉ nanotechnologie 12PN, ve FZÚ AV ČR, v. v. i., Cukrovarnická 10, letní sem. od , pondělí (14:30) (18:00) 23.2., 9.3., 23.3., 13.4., 27.4.; ZK Eduard Hulicius Laboratoř MOVPE, Oddělení polovodičů, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. Praha 6, Cukrovarnická

2 9. Polovodičové (nano)heterostruktury Polovodičové heterostruktury, využití kvantově-rozměrových vlastností nanostruktur, důvody zavádění, materiály.

3 Polovodičové heterostruktury, využití kvantově-rozměrových vlastností nanostruktur, důvody zavádění, materiály Polovodiče, monokrystaly nejen, ale hlavně Proč vzniká krystal? Souvislost krystalové mřížky a vlastností materiálu. (Obr.) Jaká je role defektů? Typy poruch, jejich koncentrace, vliv na součástky. (bodové defekty, dislokace, stacking faults, dvojčatění,...)

4 Bravaisovy mříže Dá se dokázat (např. systematickým vyšetřováním možných způsobů vrstvení rovinných mříží), že existuje pouze 14 různých prostorových mříží. Nazývají se také Bravaisovy mříže podle autora prvního úplného odvození (r. 1850). Jejich rozdělení do krystalových soustav je uvedeno v tabulce a graficky. krystalová soustava triklinická (trojklonná) monoklinická (jednoklonná) ortorombická (rombická, kosočtverečná) tetragonální (čtverečná) kubická (izometrická) hexagonální (šesterečná) trigonální (romboedrická, klencová) minimální symetrie žádná jedna 2četná osa podél c tři 2četné osy podél a, b, c jedna 4četná osa podél c čtyři 3četné osy podél tělesových úhlopříček krychle jedna 6četná osa podél c jedna 3četná osa podél hexagon. Buňky

5 Krystalická mřížka, pásová energetická struktura elektronů a děr Středoškolská pásová struktura, pásy v k prostoru, (Brillouinova zóna, přímé a nepřímé polovodiče, p-n přechod, heterostruktura, kvantová jáma, hustota stavů elektronů). Obr. pásové struktury Si a GaAs Obr. Státnicové otázky

6

7 Krystalická mřížka, pásová energetická struktura elektronů a děr Středoškolská pásová struktura, pásy v k prostoru, (Brillouinova zóna, přímé a nepřímé polovodiče, p-n přechod, heterostruktura, kvantová jáma, hustota stavů elektronů). Obr. pásové struktury Si a GaAs Obr. Státnicové otázky

8 Principy elektronických součástek Jevy v polovodičích: Pásová struktura polovodičů, hustota stavů, efektivní hmotnost, přímý a nepřímý polovodič. Statistika elektronů a děr ve vodivostním a valenčním pásu, Fermiho hladina, vliv příměsí. Poissonova rovnice, rovnice kontinuity, difúzní a vodivostní proud, pohyblivost. Boltzmanova kinetická rovnice, rozptylové mechanismy. Generační a rckombinační mechanismy, doba života, difúní rovnice. Přechod p-n: oblast prostorového náboje, rozložení koncentrace nositelů náboje, intenzity elektrického pole, potenciálu, difúzní napětí, Shockleyho rovnice VA charakteristiky, injekce a extrakce nositelů náboje, injekční účinnost. Bariérová a difúzní kapacita. Průraz tunelový, lavinový, jejich teplotní závislost. Heteropřechody, rozměrové kvantování, elektron v kvantové jámě, hustota stavů v 2D, 1D a OD polovodiči, rezonanční tunelování, transport elektronů v supermřížce. Dioda, výkonová dioda PIN, varikap, Zenerova dioda, tunelová dioda. Kontakt kov-polovodič - kvalitativní popis dějů v: usměrňující a neusměrňující kontakt, VA charaktcristika, Schottkyho dioda. Propustné a závěrné vlastnosti, porovnání s pn přechodem. Teplotní vlastnosti. Struktura MIS - kvalitativní popis dějů ve: slabá a silná inverze, pásový modely, reálná struktura MIS, vliv náboje v oxidu a na rozhraní. Bipolární tranzistor: funkce, zbytkové proudy, průrazné napětí, charakteristiky, zapojení SB, SC, SE a jejich vlastnosti, ss pracovní bod a jeho nastavení, parametry h a y, náhradní obvody, kmitočtové a teplotní vlastnosti. Spínací aplikace. Vliv povahy zátěže, první a druhý průraz. Unipolární tranzistor: JFET. MESFET, MOSFET, DMOS. Indukovaný a zabudovaný kanál. Vlastnosti, charakteristiky, parametry. Základní zapojení, ss pracovní bod a jeho nastavení, parametry, kmitočtové a teplotní vlastnosti. Jevy krátkého kanálu MOSFET.

9 Vícevrstvé součástky: diak, tyristor, charakteristiky a parametry. GTO. Optoelektronické součástky: Fotoelektrický jev, fotovodivost, spontánní a stimulovaná emise, absorpce. elektroluminiscence, katodoluminiscence. Optické vláknové a planární vlnovody: princip funkce, materiálově-technologické řešení, základní vlastnosti. Polovodičové zdroje záření a detektory: princip funkce, materiálové a konstrukční řešení, základní vlastnosti a parametry. Optické přenosové systémy: základní principy, konstrukční komponenty, dosahované parametry. Optické vláknové senzory: základní principy, vlastnosti. Vysokofrekvenční a kvantově vázané polovodičové součástky - principy činnosti, aplikace: RTD, MESFET, HEMT - modulační dotace, HBT, HET - překmitový jev, jednoelektronový tranzistor- Coulombovská blokáda, laser s kvantovou jámou, polovodičový fotonásobič. Šum (typy, š. pasivní součástky, přechodu PN, FET, BJT). Modely součástek statický, pro malý, velký signál, nf., vf. včetně základních modelů používaných v simulačních programech. Trendy technologie submikronových integrovaných obvodů na křemíku, pokroky ve zvyšování hustoty, integrace ULSI, GSI. Ultrafialová, rentgenová, elektronová, iontová litografie. Konstrukce submikronového tranzistoru - potlačení jevu krátkého kanálu a horkých elektronů. Technologie propojování a víceúrovňové metalizace. Multičipové moduly. Jazyky HDL. Prostředky syntézy: simulace a verifikace návrhu IO. Pasivní součástky diskrétní a integrované. Základní konstrukce a parametry. Frekvenční a teplotní vlastnosti. Mikrosystém, mikrosenzor a mikroaktuátor - charakteristické vlastnosti (citlivost, nelinearita, atd.), principy činnosti (elektrostatické, piezoelektrické, magnetické, tepelné, optické, mechanické. atd.).

10 Vhodné a užívané prvky, sloučeniny a materiály Elementární polovodiče: křemík, křemík, křemík, (germanium, selen, diamant), ale... často mají nepřímé přechody, E g a n lze měnit jen málo, Sloučeninové polovodiče: A III B V - GaAs, InP, GaSb,... A II B VI - CdTe, CdSe,... A IV B IV -GeSi, A III X B III (1-X) C V -AlGaAs, A III X B III (1-X) C YV D (1-Y)V - GaInAsSb,

11 Materiály

12 Sloučeninové polovodiče II.B III.A IV.A V.A VI.A 2 B C N O 3 Al Si P S 4 Zn Ga Ge As Se 5 Cd In Sn Sb Te 6 Hg Tl Pb Bi Po

13

14 Závislost šířky zakázaného pásu na mřížkové konstantě vybraných polovodičových materiálů

15 Zopakování obecných informací o: Pásové struktuře

16 Vznik pásové struktury

17 Pásová struktura v k-prostoru První aproximace poruchového počtu, bez započtení spinorbitální interakce První aproximace poruchového počtu, se započtením spinorbitální interakce Druhá aproximace poruchovéh počtu, se započtením spinorbitální interakce

18

19 Struktury, heterostruktury, nanostruktury a fajnovosti (materiálové inženýrství) Homogenní struktury P-N přechody: Na těch je založena elektronika, zde pár zajímavých příkladů: Jednoduché, relativně účinné, nepříliš drahé: - LED GaAs:Si amfoterní legování; - polovodičové solární články (hlavně Si); Semiizolační - legovaná (vodivá) - silně legovaná (velmi vodivá) vrstva. Objemový krystal (bulk) - oddělovací vrstva (epitaxní buffer) funkční epitaxní vrstva - (postupné zlepšování krystalografické kvality) Monokrystalická - polykrystalická - amorfní vrstva (nebo obráceně).

20 Heterogenní struktury (heterostruktury) - "klasické" Zdaleka ne pouze heterogenní P-N přechody, ale lze připravovat skoky, či pozvolné přechody šířky zakázaného pásu, indexu lomu a tak účinně miniaturizovat. Obr ze Sci. Am Přechody I., II. (a III.) typu Obr Napnuté přechody Obr

21

22

23 Heterogenní struktury (heterostruktury) - "klasické" Zdaleka ne pouze heterogenní P-N přechody, ale lze připravovat skoky, či pozvolné přechody šířky zakázaného pásu, indexu lomu a tak účinně miniaturizovat. Obr ze Sci Am Přechody I., II. a III. typu Obr Napnuté přechody Obr

24 Heteropřechody: (a) = b - prvního typu (b) = a - druhého typu (c) - třetího typu

25 Heterostruktury prvního typu mohou být velmi různé

26

27

28 Heterogenní struktury (heterostruktury) - "klasické" Zdaleka ne pouze heterogenní P-N přechody, ale lze připravovat skoky, či pozvolné přechody šířky zakázaného pásu, indexu lomu a tak účinně miniaturizovat. Obr ze Sci Am Přechody I., II. a III. typu Obr Napnuté přechody Obr

29 Napnutá a relaxovaná mřížka

30

31

32 Kvantově rozměrové struktury - Nanostruktury - "kvantové" Zmenšení jednoho, nebo více rozměrů v heterostruktuře na úroveň srovnatelnou s vlnovou délkou elektronu (od desetin do desítek nanometrů) Kvantové jámy Kvantové dráty Kvantové tečky Obr schéma, hustoty stavů, hladiny Vytváření nových "umělých" typů pásových struktur - supermřížky (rozdíl mezi supermřížkou a mnohonásobnou kvantovou jámou), kaskádové lasery

33 hustoty stavů

34

35

36

37 "Fajnovosti" - řešení problému heteropřechodů II. typu - QD InAs v GaAs na Si - fulereny (fullerens, také buckyballs C 60 ) (podle R. Buckminstera Fullera architekta, který stavěl podobné kopule) - kaskádové lasery - nanocívky - spinotronika

38

40 QD InAs/GaAs na Si

42

43

45

46 Základní způsoby generace záření ve (střední) infračervené oblasti

47 Tunable Emission Over a Wide Spectral Range Conduction band schematic of GaInAs/ AlInAs quantum cascade laser lattice matched to InP. Cross sectional schematic of laser waveguide structure. Photograph of a self-contained prototype quantum cascade laser pointer realised at CQD. Demonstrated single mode emission from quantum cascade lasers spanning both atmospheric windows.

48 M. Razeghi, Center for Quantum Devices, Northwestern Univ., Evanston Uncooled Infrared (5-12 m) Quantum Cascade Lasers Lasers operating in the mid- and far-infrared (5-12 m) spectral region are desirable for many applications. Up until recently, the only such laser technologies available were based on bulky gas or solid-state lasers as well as cryogenically cooled semiconductor lasers. One of the most exciting projects at the Center for Quantum Devices (CQD) is uncooled infrared quantum cascade lasers (QCLs), which, being a semiconductor laser, is inherently compact and will help eliminate the need for bulky and unreliable cryogenic cooling. This translates to a smaller, cheaper, system with a longer lifetime and less maintenance. Besides our current records with respect to threshold current density and high peak power, we have recently demonstrated the highest power continuous wave QCLs at room temperature.

49 Distributed Feedback (DFB) Quantum Cascade Lasers

50 High Performance Lasers Operating at Room Temperature 75 period waveguide core Cavity: 3 mm x 25 m Cross section image of a buried-ridge QCL laser. Cross section image of a Au electroplated QCL. Electrical and optical characteristics of a typical 9 m quantum cascade laser operating in pulsed mode at room temperature. Peak output power of 2.5 W is the highest power for a quantum cascade laser in these conditions.

51 Highest average power QCL. Comparison of groups >4 m

52 M. Razeghi, Center for Quantum Devices, Northwestern Univ., Evanston Uncooled Infrared (5-12 m) Quantum Cascade Lasers Lasers operating in the mid- and far-infrared (5-12 m) spectral region are desirable for many applications. Up until recently, the only such laser technologies available were based on bulky gas or solid-state lasers as well as cryogenically cooled semiconductor lasers. One of the most exciting projects at the Center for Quantum Devices (CQD) is uncooled infrared quantum cascade lasers (QCLs), which, being a semiconductor laser, is inherently compact and will help eliminate the need for bulky and unreliable cryogenic cooling. This translates to a smaller, cheaper, system with a longer lifetime and less maintenance. Besides our current records with respect to threshold current density and high peak power, we have recently demonstrated the highest power continuous wave QCLs at room temperature.

54

56

57 Je tedy možné spojováním různých materiálů realizovat potřebné funkční součástky (tranzistory, LEDky a lasery, detektory a sluneční články,...) s lepšími parametry. Lze i vytvářet nejen nové materiály zadaných vlastností (složité, v přírodě neexistující ternární či kvaternání či ještě složitější sloučeniny), ale i nahrazovat je kombinací napnutých binárních systémů s lepšími a kontrolovatelnými vlastnostmi. Lze také konstruovat struktury a součástky (hlavně na bázi nanostruktur) s novými vlastnostmi (supermřížky, CL lasery, molekulární elektronika, nanoroboty (nanobots), QW, QWr(?), QD součástky, některé fotonické krystaly, fotoelektrochemické cely,...). (Pomíjím mezi polovodiče nepatřící biologické aplikace nanočástic, katalýzu pomocí zlatých nano částic, nanomechaniku, většinu fulerémových struktur, nanobarvy, nanotextilie,...)

58 Příklady součástek, které jsou založeny na neklasických (neintuitivních) kvantových fyzikálních jevech Snad nejstarší příklad je tunelová dioda. Příklady a heterodimensionální struktury pro součástky Obr. + (3) Rezonanční tunelování. Obr. Tranzistory HEMT a další, například jednoelektronové tranzistory Obr. Kvantový etalon ohmu na základě kvantového Hallova jevu. Projekt MÚ, FEL a FZÚ (P. Svoboda) Polovodičové lasery, (ty s QW a QD dvojnásobně). Povídání o postupném i skokovém zlepšování parametrů se zaváděním nových struktur. Obr B 1.4.

59

60 Heterodimensional Device Technologies

61 Příklady součástek, které jsou založeny na neklasických (neintuitivních) kvantových fyzikálních jevech Snad nejstarší příklad je tunelová dioda. Rezonanční tunelování. Obr. Tranzistory HEMT a další, například jednoelektronové tranzistory Obr. Kvantový etalon ohmu na základě kvantového Hallova jevu. Projekt MÚ, FEL a FZÚ (P. Svoboda) Polovodičové lasery, (ty s QW a QD dvojnásobně). Povídání o postupném i skokovém zlepšování parametrů se zaváděním nových struktur.

62

63

65

66

68 Kvantový normál odporu

71

72 Příklady součástek, které jsou založeny na neklasických (neintuitivních) kvantových fyzikálních jevech Snad nejstarší příklad je tunelová dioda. Rezonanční tunelování. Obr. Tranzistory HEMT a další, například jednoelektronové tranzistory Obr. Kvantový etalon ohmu na základě kvantového Hallova jevu. Projekt MÚ, FEL a FZÚ (P. Svoboda) Polovodičové lasery a LEDky, (ty s QW a QD dvojnásobně). Povídání o postupném i skokovém zlepšování parametrů se zaváděním nových struktur. Obr B 1.4.

73 Děkuji za pozornost.

74 Příště: LED Light Emitting Diode

75 1907(!) - První elektroluminiscenční dioda - SiC, H.J. Round (c) (Znovuobjeveno Losevem v r. 1928) Destriau - LED z ZnS Welker - AIIIBV (GaAs) Lasery (RCA, GE, IBM, MIT) léta - Rozvoj epitaxních technologií léta - Zavedení heterostruktur a kvantových jam (nanotech.) Vyřešení degradace laserů i diod (bezdislokační substráty).

76 LD Laser Diode Laserová dioda Polovodičové lasery je to téměř synonymum, ale ne úplně.

77 Laser jako prvek se zpětnou vazbou. Pásová struktura jednoduchý p-n přechod, injekce elektronů. Laserový čip hetrorostruktura, vlnovod, rezonátor. Vlnovod.

78 Závěr LED levné, účinné, nestárnoucí žárovky a další další zvyšování účinnosti; levná bílá, (laditelnost její barevnosti); úspory energie rozšiřování vlnových délek (?),... LD : klas. lasery = analogie elektronky : tranzistory? rozšiřování vlnových délek (!); další zvyšování účinnosti (?), výkonu (!); mnohobarevné čipy; paralelní optické komunikace ladění barevnosti ; laserová spektroskopie jednofotonové zdroje pro QK, QC,... ; životnost, cena,