Karolina Danuta Pągowska Instytut Problemów Jądrowych Od warstwy epitaksjalnej poprzez heterostruktury do przyrządów optoelektronicznych Karolina Danuta Pągowska

Plan seminarium Znaczenie związków półprzewodnikowych III-V Wytwarzanie warstw czyli epitaksja i wzrost epitaksjalny Techniki wzrostu warstw: MOCVD i MBE Metody charakteryzacji: HRXRD TEM RBS/channeling Przykłady 

Znaczenie związków III-V Związki półprzewodnikowe III-V są wykorzystywane do wytwarzania nowoczesnych przyrządów półprzewodnikowych dla mikro- i optoelektroniki.

Związki grup III-V III V III-N GaN, AlGaN, InGaN

Zakresy widmowy

Physics of light emission

Przerwa energetyczna prosta i skośna

Typical applications of semiconductor laser diodes

Laser diodes convert an electrical signal to light GaN

How do they work ?

Electron confinement on z-axis The quantum well z Electron confinement on z-axis

Low dimensional structures Quantum Wire 1D Quantum Dot 0 D Quantum Well 2D

Self-organization processes during epitaxial growth Intermediate misfit Small misfit Large misfit Layer by layer gowth (Frank - van der Merwe) Island growth (Vollmer – Weber) Layer plus island growth (Stransky – Krastanow)

Strained lattice-mismatched heterostructure Misfit f = (as-af)/as f(InAs/GaAs) = 7.1% f(Si/Ge) = 4.0 % f(AlAs/GaAs) = 0.1%

Lattice Parameter vs. Bandgap for III-V Compound Semiconductors

Materials systems for light sources Material systems: active layer/ barier layers Useful wavelength range (μm) GaAs/ AlxGa1-xAs GaAs/ InxGa1-xP InyGa1-yAs/ InxGa1-P InxGa1-xAsyP1-y/InP InxGa1-xN/GaN 0.80 - 0.90 0.90 – 1.00 0.85 - 1.10 0.92 - 1.70 0.35 - 1.10 Best developed system at present Most important systems in present

Epitaksja Epitaksja z języka greckiego (epi + taxia = położony na) Epitaksja to technika półprzewodnikowa wzrostu nowych warstw monokryształu na istniejącym podłożu krystalicznym, która powiela układ istniejącej sieci krystalicznej podłoża. Monokryształ – materiał będący w całości jednym kryształem (np. kryształ cukru, soli, półprzewodnika).

Epitaksja Epitaksja jest procesem tworzenia pojedynczych warstw monokryształu na monokrystalicznych podłożu. Gdy warstwa epitaksjalna i podłoże stanowią dokładnie taki sam materiał to proces epitaksji nazywamy homoepitaksją. Gdy warstwa epitaksjalna różni się od podłoża w jakikolwiek sposób to proces taki nazywamy heteroepitaksją.

Principle of MetalOxide Chemical Vapour Deposition M O C V D MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition) MOVPE (Metalorganic Vapor Phase Epitaxy)

MBE – Molecular Beam Epitaxy

Podstawowe metody charakteryzacji heterostruktur HRXRD RBS/channeling TEM

Basics of X-ray Characterization Incident X-ray beam conditioned in wavelength  and divergence Dq Diffracted X-ray beam 2dsin =   Dla półprzewodników takich jak (Si, Ge) stałą sieci jesteśmy w stanie wyznaczyć z dokładnością 10-7. Natomiast dla związków półprzewodnikowych takich jak (GaAs, InP) dokładność ta wynosi 10-5.

Co to jest RBS? RBS – to skrót pochodzący od angielskiej nazwy metody Rutherford Backscattering Spectrometry (rozpraszanie jonów wstecz) Jest to metoda mikroanalizy jądrowej służąca do badania warstw powierzchniowych materiałów.

Podstawy Rutherford Backscattering Spectrometry Energia Głębokość Liczba cząstek rozproszonych x0 Podstawy Rutherford Backscattering Spectrometry x0 - O - Si 4He+, 2 MeV x0 Si SiO2

Superlattice 10xInP/In0.54Ga0.46As0.94P0.06 InxGa1-xAs1-yP1-y InP 10 x (Λ = 53 nm) Capping layer InP substrate

Kanałowanie jonów

Analiza rozkładu defektów przy użyciu kanałowania jonów

Random and aligned RBS/channeling spectra for Al0. 4Ga0 Random and aligned RBS/channeling spectra for Al0.4Ga0.6N/GaN structure with 500 nm thick SBL (only the potion of spectrum due to the scattering by Ga atoms is shown).

Depth distributions of displaced lattice atoms due to the dislocation formation in both epilayers deduced from spectra.

TRANSMISYJNY MIKROSKOP ELEKTRONOWY (TEM) działo elektronowe (wyrzutnia elektronów) kondensor – układ soczewek skupiających elektrony obiektyw – tworzy obraz rzeczywisty, odwrócony, powiększony komora preparatu soczewki pośrednie i projekcyjna – powiększają i rzutują obraz utworzony przez obiektyw ekran – materiał świecący w wyniku bombardowania elektronami np. siarczek cynku system rejestracji obrazu – klisza fotograficzna, kamera TV, matryca CCD

Obrazy TEM

Obrazy TEM

Depth distributions of displaced lattice atoms due to the dislocation formation in both epilayers deduced from spectra.

Podsumowanie Związki półprzewodnikowe grup III-V to materiały na bazie, których wytwarzane są współczesne urządzenia mikro- i optoelektroniczne. Należy jednak pamiętać, że nie tylko wytworzenie ale, także charakteryzacja takich materiałów daje dopiero pracujący przyrząd.