Plan wykładu krysztaleszczytko/WAN/2_WAN_Studnie.pdfTurboDisc K465i Animation 2013‐02‐27 8 2013 ‐02‐27 29 Jak się robi heterostruktury? Organometallic vapor phase epitaxy

2013‐02‐27

1

Heterostruktury półprzewodnikowe – studnie kwantowe

Heterostruktury półprzewodnikowe – studnie kwantowe

Plan wykładu

2013‐02‐27 3

Powtórzenie. Pasma w półprzewodnikachHeterostruktury półprzewodnikowe – studnie kwantowePotencjał harmoniczny. Kropki kwantowe.Transport , tunelowanie, blokada kulombowska.Obsadzenia stanów, gęstości stanów, poziom Fermiego.Heterostruktury domieszkowane na tym p i n. Złącza półprzewodnik‐metal. Efekt fotoeletrycznyHeterostruktury w polach zewnętrznych E i B. Tensor przewodnictwaEfekt Halla, kwantowy efekt Halla, ułamkowy efekt Halla

Pasma w krysztale

2013‐02‐27 4

W. R. Fahrner (Editor) Nanotechnology and Nanoelectronics

2013‐02‐27

2

Pasma w krysztale

2013‐02‐27 5

W. R. Fahrner (Editor) Nanotechnology and Nanoelectronics

Trochę więcej na temat pasmSieć odwrotna do fcc to bccKomórka Vignera‐Seitza

a2

2013‐02‐27 6

2013‐02‐27 7

Przejścia optyczne Pasma w krysztale

2013‐02‐27 8

Struktura pasmowa ciał stałychPrzykłady:

D. Wasik.

2013‐02‐27

3

Pasma w krysztale

2013‐02‐27 9

Masa efektywna. Przybliżenie kpEnergia En(k) wokół ekstremum

R. Stępniewski

2013‐02‐27 10

Pasma energetyczne

Pasma energetyczne

2013‐02‐27 11

Do optoelektroniki potrzebna jest przerwa prosta.

Studnia nieskończona

2013‐02‐27 12

,2sin

Wewnątrz studni:

2 2

2013‐02‐27

4


2013‐02‐27 13

,2sin

Wewnątrz studni:

2 2


2013‐02‐27 14

,2sin

Wewnątrz studni:

2 2 ∗

2 ∗

2∗

92 ∗


2013‐02‐27 15

,2sin

Wewnątrz studni:

2 2 ∗

2 ∗

2∗

92 ∗

Studnia skończona

2013‐02‐27 16

Wewnątrz studni:

, sin cos

2 2

2V z

exp

2

2013‐02‐27

5

Studnia skończona

2013‐02‐27 17

Wewnątrz studni:

Pasma w krysztale

2013‐02‐27 18


E

kEg

Elektrony i dziuryGęstość stanówCzęsto wygodniejsza jest znajomość gęstości stanów w przestrzeni energii E (a więc ilość stanów w przedziale (E, E+d E). Dla pasma sferycznego i parabolicznego:

kx

ky

kx

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Energia (eV)

Ges

tosc

sta

nów

przypadek 2D

2013‐02‐27 19

Przejścia optyczne

2013‐02‐27 20

2013‐02‐27

6

Heterostruktury półprzewodnikowe

2013‐02‐27 21

Bandgap engineering

2013‐02‐27 22

W jaki sposób możemy zmieniać strukturę pasmową heterostruktury:• wybierając materiał (np. GaAs/AlAs)• kontrolując skład (binary, ternary, quaternary, quiternary alloys)• kontrolując naprężenie

2013‐02‐27 23

Vapor-phase (VPE, CVD) wzrost z fazy gazowej dzięki reakcjom chemicznym prekursorów na powierzchni, często dzielony ze względu na źródłowe gazy na wodorkową VPE i metalorganiczną VPE (MOCVD); prędkości wzrostu >10 -20 nm/min.

Liquid-phase (LPE)wzrost z fazy ciekłej na podłożu w temperaturach niższych od temperatury topnienia hodowanego materiału. Półprzewodnik jest rozpuszczony w cieczy innego materiału, wzrost w warunkach bliskich równowagi roztworu i depozycji; prędkości wzrostu 0.1 to 1 μm/min.

Molecular-beam (MBE)Materiał źródłowy podgrzewany w komórkach produkuje strumień cząsteczek. W wysokiej próżni (10-8 Pa) cząsteczki docierają do podłoża i osadzają się na nim; prędkości wzrostu < 1 monowarstwa/s (1 μm/h).

2013‐02‐27 24

Jak się robi heterostruktury?

2013‐02‐27

7

Chemical Vapor Deposition (CVD) – proces chemiczny, w którym do obszaru, gdzie znajduje się podłoże doprowadzone są jeden lub więcej prekursorów reagujących z podłożem w wyniku czego powstaje pożądany materiał. Jest to często stowarzyszone z lotnymi produktami, które usuwane są strumieniem gazu przepływającego przez komorę. (Si, SiC, SiN, dielektryki, diament syntetyczny).Proces może przebiegać w ciśnieniu normalnym lub obniżonym (wolniej, bardziej jednorodny materiał).

Krzem polikrystaliczny z silanu SiH4 w reakcji:SiH4 → Si + 2 H2

LPCVD, temperatura 600 and 6500C, ciśnienie 25 -150 Pa, prędkość wzrostu 10 -20 nm/min.

Plasma assisted CVD

Hot-wall thermal CVD

2013‐02‐27 25

Jak się robi heterostruktury?Metalorganic chemical vapordeposition (MOCVD) – proces CVD reakcji chemicznych na powierzchni z zastosowaniem związków organicznych, metalorganicznych oraz wodorków metali;zachodzi z gazu pod obniżonym ciśnieniem (2-100 kPa);np. InP z trymetylu indu In(CH3)3i fosfinu PH3; główna metoda dla produkcji diod, diod laserowych, złącz fotowoltaicznych

In(CH3)3gas+PH3gas

→InPsolid+3CH4gas

2013‐02‐27 26


Metalorganic chemical vapordeposition (MOCVD) –

2013‐02‐27 27


TurboDisc MaxBright M GaN MOCVD Multi‐Reactor System

2013‐02‐27 28


TurboDisc K465i Animation

2013‐02‐27

8

2013‐02‐27 29


Organometallic vapor phase epitaxy (OMVPE) Materials Science and Engineering, R24 (1999) 241‐274

Podłoże umieszczone na podgrzewanym piecykiem indukcyjnym RF graficie wewnątrz komory reakcyjnej. Typowe temperatury 500°C do 800°C. Wzrost w atmosferze wodoru i ciśnieniu 100 - 700 Torr. Prekursory rozkładają się w kontakcie z gorącym podłożem i tworzą warstwę.Prekursory grupy V: AsH3 (arsin), PH3(fosfin), grupy III: Ga(CH3)3Trimethylgallium (TMG), Al(CH3)3Trimethylaluminium (TMA), In(CH3)3trimethylindium (TMI), Domieszkowanie: SiH4 Silane, Zn(C2H5)2Diethylzinc (DEZ).

2013‐02‐27 30


2013‐02‐27 31


2013‐02‐27 32


2013‐02‐27

9

2013‐02‐27 33


ZnTe epitaxial growth by remote plasma enhanced metal organic chemical vapor deposition Vacuum, 51, 619–622 (1998)

Reaktor Metal-Organic Chemical Vapour Epitaxy (MOCVD) w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego

Heterostruktury GaInSb, AlGaInAs and AlGaN heterostructures.

2013‐02‐27 34


Wzrost warstw MBE jest monitorowany przez Reflection High Energy ElectronDiffraction (REED). Komputer steruje przesłonami (shutterami) na froncie podgrzewanych komórek efuzyjnych, co pozwala na precyzyjną kontrolę wzrostu do poziomu pojedynczej warstwy atomowej. Wzrost warstw z jamami kwantowymi (quantum wells), kropek kwantowych (quantum dots) – struktury LD, LED.

2013‐02‐27 35

Jak się robi heterostruktury?komora załadunkowa komora UHV

wzrostu materiałów III-V(Ga, Al, In, As, Sb, N-plazma,Si lub Te, Be lub Zn, Mn lub Cr lub Co)

komora UHVwzrostu materiałów II-VI(Zn, Cd, Mg, S, Se, Te, Mn, Co, ZnCl2, N-plazma)

komora UHVprzygotowaniapodłoży (odgazowanie powierzchni)

Urządzenie MBE - do epitaksji z wiązek molekularnych (2 komory wzrostu)producent SVTA (USA). Zakup przez Wydział Fizyki w r. 2010, program CePT

2013‐02‐27 36


2013‐02‐27

10

2013‐02‐27 37


MBE na Wydziale Fizyki UW2013‐02‐27 38


W dzisiejszych dla otrzymywania cienkich warstw czasach często stosuje się również tanie technologie: - elektrochemiczne (elektrolityczne nakładanie metali, elektrolityczne utlenianie),- sputteringowe- naparowywania warstw.

Sputtering katodowyobniżone ciśnienie 10-1-10-2 Torr gazu obojętnegoprzy napięcie kilkunastu kV jony dodatnie wybijają materiał katody i osadzają go na m.in. materiale podłożowym

Naparowywanie warstww próżni <10-6 Torr materiał źródłowy jest zamieniany w fazę gazową przez podgrzanie lub bombardowanie i deponuje się na m.in. materiale podłożowym

2013‐02‐27 39


2013‐02‐27 40

2013‐02‐27

11

Bandgap engineering

2013‐02‐27 41

W jaki sposób możemy zmieniać strukturę pasmową heterostruktury:• wybierając materiał• kontrolując skład• kontrolując naprężenie


2013‐02‐27 42

Investigation of high antimony‐content gallium arsenic nitride‐gallium arsenic antimonide heterostructures for long wavelength application

Bandgap engineering

2013‐02‐27 43

Valence band offsetSu

‐HuaiW

ei, Com

putatio

nalM

aterials Science, 30, 337

–348

(200

4)

Valence band offset:

(powinowactwo)

http://en.wikiped

ia.org/w

iki/H

eterojun

ction

Bandgap engineering

2013‐02‐27 44

Valence band offset

WalukiewiczP

hysic

aB 30

2–30

3 (200

1) 123

–134

2013‐02‐27

12

Bandgap engineering

2013‐02‐27 45

Valence band offset

2013‐02‐27 46

Bandgap engineering

2013‐02‐27 47

W jaki sposób możemy zmieniać strukturę pasmową heterostruktury:• wybierając materiał (np. GaAs/AlAs)• kontrolując skład• kontrolując naprężenie

Prawo Vegarda:określa stałą sieci stopu dwóch kryształów „binarnych” A i B (np. GaAs i GaP albo GaN i AlN)

1

„prawo empiryczne”

Bandgap engineering

2013‐02‐27 48

W jaki sposób możemy zmieniać strukturę pasmową heterostruktury:• wybierając materiał• kontrolując skład• kontrolując naprężenie

Prawo Vegarda:dot. przerwy energetycznej stopu „binarnego”:

1 1

b ‐ tzw. „bowing” przerwy energetycznej

Z Dridiet al. Semicon

d. Sci. Techn

ol.18No9(Sep

tembe

r200

3)85

0‐85

6

2013‐02‐27

13

Bandgap engineering

2013‐02‐27 49

Valence band offsetW jaki sposób możemy zmieniać strukturę pasmową heterostruktury:• wybierając materiał• kontrolując skład• kontrolując naprężenie


2013‐02‐27 50

http://beta.globalspec.com/reference/45139/203279/chapter‐iii‐optical‐properties

Thin Solid Films 433 (2003) 22–26

Quaternary compounds


2013‐02‐27 51

Quinternary barriers push room‐temperature operation of GaSb‐based type‐I lasers further into mid‐infrared

http://beta.globalspec.com/reference/45139/203279/chapter‐iii‐optical‐properties

Quinternary compounds

Bandgap engineering

2013‐02‐27 52


2013‐02‐27

14

2013‐02‐27 53

Bandgap engineering

2013‐02‐27 54

Bandgap engineering

2013‐02‐27 55


Satyam

S. Parashariet al. PhysicaB 40

3 (200

8) 307

7–30

88

Elabsy

et al. PhysicaB 40

5 (201

0) 370

9–37

13

Bandgap engineering

2013‐02‐27 56


Satyam


3 (200

8) 307

7–30

88

2013‐02‐27

15

Bandgap engineering

2013‐02‐27 57


Satyam


3 (200

8) 307

7–30

88

Bandgap engineering

2013‐02‐27 58


Prog. Q

uant. Electr. Vo

l. 21

, No. 5, pp. 361

±419

, 199

8

jednoosiowe dwuosiowe

Bandgap engineering

2013‐02‐27 59


Prog. Q

uant. Electr. Vo

l. 21

, No. 5, pp. 361

±419

, 199

8jednoosiowe

Bandgap engineering

2013‐02‐27 60


Prog. Q

uant. Electr. Vo

l. 21

, No. 5, pp. 361

±419

, 199

8dwuosiowe

2013‐02‐27

16

Pasma w krysztale

2013‐02‐27 61


D. Wasik.

TU 2012.10.10

2013‐02‐27 62

Przejścia optyczne

2013‐02‐27 63

http://www.ecse.rpi.edu/~schubert/Light‐Emitting‐Diodes‐dot‐org/

Bandgap engineering

2013‐02‐27 64

2013‐02‐27

17

Trochę więcej na temat pasm

2013‐02‐27 65


2013‐02‐27 66

Przejścia optyczne

2013‐02‐27 67

http://www.ecse.rpi.edu/~schubert/Light‐Emitting‐Diodes‐dot‐org/

Trochę więcej na temat pasmKrzem i german – przerwa skośna

Krzem Si German Ge

http://w

ww.ioffe

.ru/SVA

/NSM

/Sem

icon

d/SiGe/band

str.h

tml

2013‐02‐27 68

2013‐02‐27

18

Trochę więcej na temat pasmKomórka Vignera‐Seitza

2013‐02‐27 69

Trochę więcej na temat pasmKrzem i german – przerwa skośna

Krzem Si German Ge

http://w

ww.ioffe

.ru/SVA

/NSM

/Sem

icon

d/SiGe/band

str.h

tml

2013‐02‐27 70


2013‐02‐27 71 2013‐02‐27 72

2013‐02‐27

19

Bandgap engineering

2013‐02‐27 73

W jaki sposób możemy zmieniać strukturę pasmową heterostruktury:• wybierając materiał (np. GaAs/AlAs)• kontrolując skład (ternary, quaternary, quiternary alloys)• kontrolując naprężenie

Documents

Plan wykładu krysztaleszczytko/WAN/2_WAN_Studnie.pdfTurboDisc K465i Animation 2013‐02‐27 8 2013 ‐02‐27 29 Jak się robi heterostruktury? Organometallic vapor phase epitaxy