II. Kvantové heterostruktury

Prezentace na téma: "II. Kvantové heterostruktury"— Transkript prezentace:

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

2 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

3 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 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

5 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

6 Mřížkové konstanty různých materiálů
mřížkově sladěné materiály:

7 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

8 MBE aparatura ve FZÚ AV ČR v Praze

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

10 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

11 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

12 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!

13 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).

14 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

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

16 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

17 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.

18 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.

19 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.

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

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

22 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

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

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

25 Neobvyklá IV charakteristika rezonanční tunelovací diody

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

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

28

29

30 Na toto téma se hodně píše

31 Klasifikace tranzistorů

32 Konstrukce

33 KONEC

34 2D rozměrové kvantování

35 MOS FET