II. Kvantové heterostruktury Nanofotonika a Nanoelektronika (SLO/BNNE) II. Kvantové heterostruktury Jan Soubusta 2017

Obsah CO TO JSOU HETEROSTRUKTURY? JAK HETEROSTRUKTURY VYROBIT? EPITAXNÍ METODY PROČ P-N PŘECHOD NESTAČÍ? MODULAČNÍ DOPOVÁNÍ HETEROECHODU JEDNODUCHÁ KVANTOVÁ JÁMA (QW) VÝPOČET ELEKTRONOVÉ STRUKTURY KOMPOZIČNÍ SUPERMŘÍŽKY REZONANČNÍ TUNELOVACÍ DIODA POLOVODIČOVÝ LASER

Obsah CO TO JSOU HETEROSTRUKTURY? JAK HETEROSTRUKTURY VYROBIT? EPITAXNÍ METODY PROČ P-N PŘECHOD NESTAČÍ? MODULAČNÍ DOPOVÁNÍ HETEROECHODU JEDNODUCHÁ KVANTOVÁ JÁMA (QW) VÝPOČET ELEKTRONOVÉ STRUKTURY KOMPOZIČNÍ SUPERMŘÍŽKY REZONANČNÍ TUNELOVACÍ DIODA POLOVODIČOVÝ LASER

1. Co to jsou heterostruktury? Jde typicky o polovodičové struktury, kde se mění materiálové složení v jednotlivých vrstvách. heteropřechod kvantová jáma bariéra dvojitá bariéra kompoziční supermřížka

2. Jak heterostruktury vyrobit? Problémy výroby heterostrukrur: spojení různých materiálů požaduje sladit mřížkové konstanty u tenkých vrstev lze kompenzovat pnutím, ale mění to E(k) → může rozštěpit pás lehkých a těžkých děr u tlustých vrstev vzniknou čárové poruchy krystalické mřížky napnutý materiál zrelaxovaný materiál materiál A materiál B defekty na rozhraní

Mřížkové konstanty různých materiálů mřížkově sladěné materiály:

3. Epitaxní metody Metody použitelné na pěstování heterostruktur na substrátu postupně po jednotlivých vrstvách epitaxe z molekulárních svazků Molecular Beam Epitaxy (MBE) kapalná epitaxe Liquid Phase Epitaxy (LPE) plynná epitaxe MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) 2D AFM 0D epitaxe = růst

MBE aparatura ve FZÚ AV ČR v Praze

Hlavní část MBE aparatury je růstová komora RHEED = difrakce rychlých elektronů

Obsah CO TO JSOU HETEROSTRUKTURY? JAK HETEROSTRUKTURY VYROBIT? EPITAXNÍ METODY PROČ P-N PŘECHOD NESTAČÍ? MODULAČNÍ DOPOVÁNÍ HETEROECHODU JEDNODUCHÁ KVANTOVÁ JÁMA (QW) VÝPOČET ELEKTRONOVÉ STRUKTURY KOMPOZIČNÍ SUPERMŘÍŽKY REZONANČNÍ TUNELOVACÍ DIODA POLOVODIČOVÝ LASER

4. Proč P-N přechod nestačí? Problémy p-n přechodu v jednom polovodiči (Si): proud je vázán na minoritní nosiče proud teče oblastí ionizovaných dopantů nízká pohyblivost a krátká doba života nosičů proudu propustný směr proudu

Nobelova cena za fyziku v oblasti polovodičů 1956 – objev tranzistorového jevu – Shockley, Bardeen, Brattain 1973 – tunelování bariérou, supermřížky – Esaki, Giaever, Josephson 1985 – kvantový Hallův jev – Klitzing 1998 – zlomkový kvantový Hallův jev – Laughlin, Störmer, Čchi 2000 – vývoj polovodičových heterostruktur – Alferov, Kroemer 2014 – vývoj modrých světelných diod – Akasaki, Amano, Nakamura 1962 – první pokusy rozsvítit p-n přechod jako laser. Ale fungovalo to jen pár sekund a za nízkých teplot. Za co byla tedy udělena Nobelova cenu za fyziku roku 2000? Alferov a Kroemer udělali teoretický návrh heterostruktur (1963), zkonstruovali funkční prototyp laserové diody s heterostrukturou (1970). Tyto laserové diody již pracovaly stabilně za pokojové teploty. Polovodiče mohou svítit jako laser díky heterostrukturám!

5. Modulační dopování heteropřechodu Vakuová hladina odpovídá vnějšímu fotoefektu → skoky pásů na rozhraních 2D elektronový plyn Vyrovnání Fermiho energie podél heterostruktury provází nábojový přesun. Oddělení ionizovaných donorů od oblasti lokalizace volných elektronů (vodivostní kanál).

HEMT (High Electron Mobility Tranzistor) má tyto výhody: oddělení ionizovaných dopantů od volných nosičů proudu řádově větší pohyblivost a doba života vyšší dovolené pracovní frekvence ~ 100 GHz menší šum vyšší dovolené výkonové zatížení (méně topí) větší strmost spínací IV charakteristiky

Různá provedení tranzistorů HEMT indukovaný kanál vodivý kanál vyvážený propustné napětí závěrné napětí

Obsah CO TO JSOU HETEROSTRUKTURY? JAK HETEROSTRUKTURY VYROBIT? EPITAXNÍ METODY PROČ P-N PŘECHOD NESTAČÍ? MODULAČNÍ DOPOVÁNÍ HETEROECHODU JEDNODUCHÁ KVANTOVÁ JÁMA (QW) VÝPOČET ELEKTRONOVÉ STRUKTURY KOMPOZIČNÍ SUPERMŘÍŽKY REZONANČNÍ TUNELOVACÍ DIODA POLOVODIČOVÝ LASER

6. Jednoduchá kvantová jáma Pomocí dvou heteropřechodů můžeme vytvořit 2D kvantovou jámu. AlGaAs Vrstva materiálu typu B vložená mezi vrstvy krystaly typu A GaAs AlGaAs šířka jámy L je typicky ~ 10 nm.

Pásové inženýrství → jednoduchá kvantová jáma Tři různé druhy profilů pásů podél heterostruktury. Ge Si AlGaAs GaAs GaSb InAs I: elektrony i díry se lokalizují ve stejné vrstvě GaAs. III. Tunelování mezi vodivostním a valenčním pásem. II. Elektrony v B, díry v A.

7. Výpočet elektronové struktury GaAs AlGaAs Uvažujeme přímý polovodič a hledáme řešení v odpovídajícím místě BZ. Můžeme předpokládat, že rychle kmitající periodická část je stejná v obou materiálech. Budeme hledat obálku oscilující vlnové funkce a řešit její spojitost na rozhraních. Elektrony a díry mají různé efektivní hmotnosti m*. Řešíme spojitost na rozhraních, což nám dá kvantování energie.

Jak spočítat trojúhelníkovou kvantovou jámu řešením je Airyho funkce povolené energetické hladiny E ~ n 2/3

Vliv elektrického pole na heterostrukturu GaAs jáma má šířku 10 nm. Jaká je změna energie elektronu na šířce jámy?

Obsah CO TO JSOU HETEROSTRUKTURY? JAK HETEROSTRUKTURY VYROBIT? EPITAXNÍ METODY PROČ P-N PŘECHOD NESTAČÍ? MODULAČNÍ DOPOVÁNÍ HETEROECHODU JEDNODUCHÁ KVANTOVÁ JÁMA (QW) VÝPOČET ELEKTRONOVÉ STRUKTURY KOMPOZIČNÍ SUPERMŘÍŽKY REZONANČNÍ TUNELOVACÍ DIODA POLOVODIČOVÝ LASER

8. Kompoziční supermřížky Z hladin v QW se vytvoří pásy → tzv. podpásy

9. Rezonanční tunelovací dioda Pomocí elektrického pole se ladí rezonance Fermiho meze a hladinou která vznikla v jámě mezi dvěma bariérami.

Neobvyklá IV charakteristika rezonanční tunelovací diody

10. Polovodičový laser Laser s heterostrukturou Homogenní P-N přechod lepší lokalizace nosičů i optického pole. na LED použitelná

Různé geometrie polovodičového laseru Proužková geometrie heterogenního laseru. Laser s vnořenou heterostrukturou. Proužkový laser s příčnou geometrií.

Na toto téma se hodně píše

Klasifikace tranzistorů

Konstrukce

KONEC

2D rozměrové kvantování

MOS FET