1

Karolina Danuta Pągowska

Instytut Problemów Jądrowych

Od warstwy epitaksjalnej poprzez heterostruktury do

przyrządów optoelektronicznych

2

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 

Plan seminarium

3

Związki półprzewodnikowe III-V są wykorzystywane do wytwarzania

nowoczesnych przyrządów półprzewodnikowych dla

mikro- i optoelektroniki.

Znaczenie związków III-V

4

Związki grup III-V III

V

III-NGaN,

AlGaN,InGaN

5

Zakresy widmowy

652

Physics of light emission

7

Przerwa energetyczna prosta i skośna

852

Typical applications of semiconductor laser diodes

952

Laser diodes convert an electrical signal to light 

GaN

1052

How do they work ?

11

The quantum well

z

Electron confinement on z-axis

12

13

Low dimensional structures

Quantum Wire1D

Quantum Dot0 D

Quantum Well 2D

14

Self-organization processes during epitaxial growth

Small misfit Large misfitIntermediate

misfit

Layer by layer gowth

(Frank - van der Merwe)

Island growth

(Vollmer – Weber)

Layer plus island growth

(Stransky – Krastanow)

15

Strained lattice-mismatched heterostructure

Misfit f = (as-af)/as

f(InAs/GaAs) = 7.1%f(Si/Ge) = 4.0 %f(AlAs/GaAs) = 0.1%

16

Lattice Parameter vs. Bandgap for III-V Compound Semiconductors

1752

Material systems: active layer/barier layers

Useful wavelengthrange (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

Materials systems for light sources

Best developed system at present

Most important systems in present

18

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).

19

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.

20

Principle of MetalOxide Chemical Vapour DepositionM O C V D

MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition)MOVPE (Metalorganic Vapor Phase Epitaxy)

21

MBE – Molecular Beam Epitaxy

22

Podstawowe metody charakteryzacji heterostruktur

1. HRXRD2. RBS/channeling3. TEM

23

Basics of X-ray Characterization

Incident X-ray beam conditioned in wavelength and divergence 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.

24

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.

Co to jest RBS?

25

x0

- O- Si

4He+, 2 MeV

x0

Si SiO2

Energia

Głębokość

Licz

ba c

ząst

ek r

ozpr

oszo

nych

x0

Podstawy Rutherford Backscattering Spectrometry

26

Channel number

300 400 500 600 700 800

Bac

ksca

tter

ing

yiel

d

0

2000

4000

6000RUMPrandomaligned

InxG

a1-

xAs 1

-yP

1-y

InP

10 x (Λ = 53 nm)

Capping layer

InP

su

bst

rate

Superlattice 10xInP/In0.54Ga0.46As0.94P0.06

27

Kanałowanie jonów

28

Analiza rozkładu defektów przy użyciu kanałowania jonów

29

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).

30

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

31

TRANSMISYJNY MIKROSKOP ELEKTRONOWY (TEM)

działo elektronowe (wyrzutnia elektronów)

kondensor – układ soczewek skupiających elektrony

komora preparatuobiektyw – tworzy obraz rzeczywisty, odwrócony, powiększony

system rejestracji obrazu – klisza fotograficzna, kamera TV, matryca CCD

ekran – materiał świecącyw wyniku bombardowaniaelektronami np. siarczek cynku

soczewki pośrednie i projekcyjna– powiększają i rzutują obraz utworzony przez obiektyw

32

Obrazy TEM

33

Obrazy TEM

34

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

35

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.

Podsumowanie