docWytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych
download 
Reklamacja Transkrypt
Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych
Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych • Większość struktur niskowymiarowych wytwarzanych jest za pomocą technik epitaksjalnych. • Najczęściej wykorzystywane metody wzrostu: - epitaksja z wiązki molekularnej (MBE – Molecular Beam Epitaxy) - epitaksja z fazy gazowej z użyciem związków metaloorganicznych (MOCVD – MetalOrganic Chemical Vapour Deposition) (MOVPE - MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy) • Pozwalają one na osadzanie materiału z dokładnością do pojedynczych warstw atomowych, co umożliwia otrzymanie struktur wysokiej jakości. • Precyzja nanoszenia kolejnych warstw jest szczególnie istotna, gdy następuje zmiana osadzanego materiału => złącze pozbawione nierówności => lepsza jakość końcowej struktury (np. studni kwantowej). • Wzrost kryształu na powierzchni innego materiału => heteroepitaksja. • Wzrost tego samego materiału, z którego wykonane jest podłoże => homoepitaksja. Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych • Epitaksja z wiązki molekularnej (MBE): - źródła: poszczególne pierwiastki (komórki Knudsena) - wymagana bardzo wysoka próżnia (~ 10-8 Pa) Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych • Epitaksja z fazy gazowej z użyciem związków metaloorganicznych (MOCVD): - źródła: gazy (cząsteczki wieloatomowe) - materiał dostarczany jest na podłoże w fazie gazowej => reakcje chemiczne - zalety: prosta budowa reaktora, brak wysokiej próżni, mniejsze zanieczyszczenia ze względu na niższą temperaturę podczas wzrostu - bardzo często źródła gazowe są wysoko toksyczne - kontrola wzrostu „in situ” możliwa jedynie za pomocą metod optycznych (RHEED niemożliwe ze względu na brak próżni) • Wybór techniki wzrostu zależy od osadzanych materiałów np. prekursory Al w MOCVD zawierają tlen, który tworzy centra rekombinacji niepromienistej => MBE, resztki P w MBE stwarzają ryzyko zapłonu => do struktur z P bezpieczniejszy MOCVD Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych • Schemat układu warstw w strukturze z pojedynczą oraz wielokrotnymi studniami kwantowymi: GaAs GaAs GaAs studnia InGaAs podłoże GaAs GaAs GaAs GaAs podłoże GaAs • Materiały tworzące studnię kwantową są zwykle dopasowane sieciowo (różnica stałych sieciowych < 1 %). • Umieszczając elektrody na powierzchni struktury ze studnią kwantową (obok), można wytworzyć kropkę kwantową o kontrolowanym obsadzeniu. • Umożliwia ona kontrolę nośników jednego rodzaju (np. elektronów) => nie do zastosowań optycznych Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych • Kropka kwantowa może być również wytworzona ze studni kwantowej za pomocą trawienia: gdzie „a” jest materiałem studni, „b” materiałem bariery, a „c” podłożem. • Możliwa precyzyjna regulacja romiarów i położenia kropek kwantowych. • Dokładność procesu trawienia ogranicza maksymalną gęstość oraz jakość powierzchni kropek kwantowych => dla kropek o rozmiarach ~ 20 nm emisja jest bardzo trudna do zaobserwowania (silna rekombinacja niepromienista). • Tzw. „naturalne” kropki kwantowe można otrzymać wykorzystując fluktuacje grubości i/lub składu cienkiej studni kwantowej => lokalne minima potencjału. Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych • Najpowszechniej stosowaną metodą wzrostu kropek kwantowych jest wykorzystanie naprężeń pomiędzy osadzanymi materiałami. • Kropki wytworzone w ten sposób noszą nazwę samorosnących (self-assembled). • Osadzanie materiału o stałej sieciowej różnej od podłoża prowadzi do powstania naprężeń w osadzanej warstwie. • W zależności od różnicy stałych sieciowych i różnicy energii powierzchniowych między materiałami, możliwe są trzy tryby wzrostu: VM – Volmer-Weber, FvdM – Frank-van der Merwe, SK – Stranski-Krastanow • Standardowe studnie kwantowe wzrastane są w trybie Frank-van der Merwe. • Z punktu widzenia właściwości optycznych kropek kwantowych, najkorzystniejszy jest wzrost w trybie Stranski-Krastanow. Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych • Schemat osadzania materiału o stałej sieci różnej od podłoża: • Początkowo osadzany materiał pokrywa całą warstwę podłoża (wzrost 2D). • Po przekroczeniu pewnej grubości (tzw. grubość krytyczna) następuje minimalizacja energii powierzchniowej i relaksacja naprężeń – dalszy wzrost prowadzi do tworzenia trójwymiarowych wysp (kropek kwantowych). • Utworzona warstwa dwuwymiarowa jest bardzo cienką studnią kwantową (o szerokości odpowiadającej grubości krytycznej) i nazywana jest warstwą zwilżającą (wetting layer). • Przykładowe grubości krytyczne: InAs/GaAs: 1.5 ML, InAs/InP: 2 ML Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych • Przekrój poprzeczny przez samorosnącą kropkę kwantową na schemacie oraz na zdjęciu TEM (InAs/GaAs przykryte AlGaAs, MBE): AlGaAs InAs GaAs • Widok powierzchni (AFM) struktury z samorosnącymi kropkami kwantowymi InAs/GaAs, otrzymanych metodą MOCVD (rozmiar zdjęcia 1x1 µm): Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych • Wzrost kropek kwantowych w trybie Stranski-Krastanow nakłada ograniczenie na względną różnicę między stałymi sieciowymi wykorzystywanych materiałów (niedopasowanie rzędu kilku procent). • Zależność przerwy energetycznej od stałej sieci dla półprzewodników III-V: • Niedopasowanie stałych sieciowych: InAs/GaAs: 7 %, InAs/InP: 3 % Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych • Istotnym parametrem jest również różnica przerw energetycznych. • Dla układów InAs/GaAs oraz InAs/InP wynosi ona ok. 1 eV, co pozwala na utworzenie wystarczająco głębokich potencjałów wiążących w kropkach (duża energia wiązania nośników). • Obecność naprężeń powstałych podczas wzrostu samorosnących kropek kwantowych, wpływa istotnie na strukturę energetyczną układu. • Obok: rozkład składowej hydrostatycznej (H) oraz dwuosiowej (B) naprężeń w poprzek kropki kwantowej InAs o kształcie piramidy i długości podstawy 13.6 nm, znajdującej się na warstwie zwilżającej InAs i otoczonej materiałem GaAs. • Składowa H odpowiada za zmianę wartości przerwy energetycznej; składowa B związana jest ze względnym przesunięciem energii pasm lekko- i ciężkodziurowych. Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych • Do zastosowań w urządzeniach optoelektronicznych często konieczny jest wzrost wielu warstw z kropkami kwantowymi, co pozwala na zwiększenie absorpcji lub intensywności emisji. • Kropki kwantowe w kolejnych warstwach układają się w miejscach kropek z warstwy poprzedniej – jest to związane z polem naprężeń wytworzonym przez pierwszą warstwę (seeding layer). • Obok: przekrój TEM przez strukturę z 19 warstwami kropek kwantowych Ge/Si • Wytworzone w ten sposób kropki są od siebie oddzielone (fukncje falowe zlokalizowane są wewnątrz poszczególnych kropek kwantowych). • Zastosowanie bardzo cienkich barier między poszczególnymi warstwami umożliwia oddziaływanie między kropkami (m.in. zmiana promienistego czasu życia, energii emisji).
