Лекции2в
advertisement
Физика, технология и элементная база современной электроники Плюснин Николай Иннокентьевич, д.ф.-м.н., проф. кафедр: ИСКТ ВГУЭС, и КПРЭА ДВГТУ, зав. лаб. ИАПУ ДВО РАН 1 Эффект люминесценции Известно, что электроны в атоме могут находиться в ряде дискретных энергетических состояний, при тепловом равновесии они занимают наинизшие уровни. В люминесцирующем веществе за счёт энергии того или иного внешнего воздействия часть электронов переходит на более высокие энергетические уровни E2. Возвращение этих электронов на равновесный уровень E1 сопровождается испусканием фотонов. Физика люминесценции предопределяет две примечательные особенности процесса: узкий спектр излучения и возможность использования большого числа способов возбуждения. В оптоэлектронике главным образом используются электролюминесценция (пробой и инжекция p-n перехода в полупроводниках), а также фото- и катодолюминесценция (бомбардировка люминофора быстрыми электронами). 2 Идеальный гетеропереход Гетеропереходы изготовлены из различных полупроводников. Это обеспечивает суперинжекцию носителей в базу (рис. 1). Когда прямое смещение выравнивает валентную зону, дырки нжектируются в n-область. Инжекции же электронов из n-области в p-область препятствует барьер E = Еg1 - Еg2 (см. рис. 2). В этом случае излучательная рекомбинация будет происходить в узкозонном полупроводнике. А широкозонный эмиттер представляет собой "окно" для излучения, генерируемого (или поглощаемого) узкозонной базой. 3 Реальный гетеропереход На практике уровень Ферми на границе оказывается фиксированным из-за поверхностных состояний. Поэтому вместо ровного хода для одной из зон обычно имеет место барьер Шоттки (рис. 3), который обладает выпрямляющим действием. Применение гетеропереходов для лазеров. Инжекционнный лазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный прибор с p-n-переходом (лазерный диод), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход. 4 Инжекционные лазеры Широкое промышленное распространение получили только гетеролазеры, особенностями которых являются односторонняя инжекция, волноводный эффект, возможность суперинжекции. В односторонней гетероструктуре электронное ограничение слева идеально, а справа такое же, как и в лазере на гомогенном полупроводнике (рис. 4,a). Двойная (двусторонняя) гетероструктура, в которой сверхтонкая активная область "зажата" между двумя гетерограницами (рис. 4,б), позволяет получать малые пороговые плотности тока и значительные выходные мощности. Четырех и пятислойная структуры позволяют при очень тонкой области накачки W иметь толщину волновода Wопт, оптимальную с точки зрения модовых соотношений. 5 Светодиоды Протекание тока через светодиод вызывает излучение из-за спонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область (базу) светодиода. Для светодиодов характерны: а) межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок в прямозонных полупроводниках; б) рекомбинация электронов и дырок в составе экситонов, связанных с примесными изоэлектронными центрами (ловушками) в непрямозонных полупроводниках. В p-области (рис.5 ) каждый из слоев характеризуется своим значением запрещенной зоны, видом и концентрацией легирующей примеси. Переходной слой с плавно изменяющимся значением Еg, уменьшает напряжения из-за несогласованности кристаллографических постоянных. 6 Основные материалы для светодиодов o Полупроводник Цвет l,A 9500 GaAs ИК 9000 6900 Красный GaP 5500 Зеленый 5200 Зеленый GaN 4400 Голубой 6600 Красный GaAs1-xPx 6100 Янтарный 8000 ИК Ga-xAlxAs 6750 Красный Красный 6590 Янтарный In1-xGaxP 6170 Желто5700 зеленый Эффективность , % 12 0,5 7 0,7 0,01 0,005 0,5 0,04 12 1,3 Быстродействие, Нс 10^-7...10^-6 10^-9...10^-8 10^-7...10^-6 10^-7...10^-6 37*10^-8 37*10^-8 10^-8 37*10^-8 0,2 0,1 0,02 7 Конструкция светодиодов В плоской конструкции (рис. 1а) переход выполнен диффузией или эпитаксией. Из-за полного внутреннего отражения лучи не выходят из кристалла. Выходят только лучи, которые с нормалью составляют угол arcsin n1/n2. Такой конструкции соответствует узкая диаграмма направленности излучения. В полусферической конструкции светодиода (рис. 1б) всё излучение полностью выходит наружу. Эффективность примерно в десять раз выше. Плоский кристалл светодиода может быть покрыт каплей эпоксидной смолы, выполняющей роль линзы (рис. 1в) 8 Фотодиоды 1 - широкозонное окно; 2- активная область; 3- подложка Корпус фотодиода имеет специальное прозрачное окно, за которым располагается фоточувствительная площадка полупроводникового кристалла. Принимаются также меры по устранению с этой площадки затеняющих элементов (непрозрачных металлических электродов), сводятся до минимума толщины вспомогательных слоев полупроводника, ослабляющих фотоэффект, на фоточувствительную поверхность наносятся специальные антиотражающие покрытия и т.п. 9 Фототранзисторы 1 - широкозонное окно; 2- активная область; 3- подложка Фототранзисторы составляют весьма представительный отряд оптоэлектронных фотоприемников, наиболее характерными чертами которого являются наличие механизмов встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего управляющего - электрода. В то же время фототранзисторам присуща заметная инерционность, что ограничивает область их примернения в основном устройствами автоматики и управления силовыми цепями. Они изготавливаются практически только на кремнии. 10 Квантовые ящики и сверхрешетки 11 Квантовые ящики и сверхрешетки Размерное квантование порождает два основных физических эффекта: изменение зонной диаграммы, проявляющееся в появлении новых разрешенных энергетических состояний для электронов (1 на рис. 6,г); тем самым принципиально может быть сформирована зонная структура любого вида; изменение кинетики электронов, проявляющееся в их пробеге между гетерограницами без соударений (и без потерь энергии) с примесными атомами, - таково свойство волны де Бройля, распространяющейся в среде с периодически изменяющимся потенциалом; подвижность электронов оказывается такой же, как в чистом полупроводнике. 12 Преимущества квантовых структур Из физических и технологических особенностей сверхрешеток вытекает ряд важных для создания излучателей следствий, часть которых уже получила экспериментальное подтверждение: это получение более высоких, чем ранее, коэффициентов усиления волны в активной среде и, как следствие, уменьшение длины резонатора лазера или снижение порогового тока; достижение высокой подвижности в сильно легированном материале и на этой основе повышение быстродействия как самих излучателей, так и схем электронного обрамления; возможность "перевода" непрямозонных полупроводников в прямозонные, получение прямозонных структур с любой шириной запрещенной зоны, а также лазеров (и светодиодов) с перестраиваемой длиной волны, продвижение в сине-зеленую и УФ-область спектра; совмещение материалов с сильным структурным рассогласованием; неизбежность открытия новых полезных явлений при дальнейшем исследовании сверхрешеток. 13 Квантовые наноструктуры кремния Причина того, что не удавалось создать кремниевые оптоэлектронные устройства, проста: кремний - непрямозонный полупроводник (абсолютные минимумы зоны проводимости и валентной зоны находятся в разных точках импульсного пространства), а такие вещества характеризуются низкой эффективностью излучательной рекомбинации. Дело в том, что в непрямозонных полупроводниках в процессе рекомбинации электрона и дырки с образованием фотона (импульс которого в данных уловиях можно считать пренебрежимо малым) необходимо участие дополнительной квазичастицы частицы фонона, который “берет на себя” разницу в импульсах электрона и дырки. Это приводит к существенному (на несколько порядков по сравнению с прямозонными полупроводниками) увеличению характерного времени излучательного перехода. 14 Квантовые наноструктуры кремния Кроме излучательного способа рекомбинации, электрон и дырка могут рекомбинировать также безызлучательно (без рождения фотона). При безызлучательной рекомбинации электрондырочная пара должна передать кристаллической решетке энергию, примерно равную ширине запрещенной зоны. Характерные энергии квантов колебаний кристаллической решетки (фононов) в десятки раз меньше ширины запрещенной зоны, поэтому непосредственная передача энергии решетке путем одновременного испускания множества фононов крайне маловероятна. Но “помогают” центры безызлучательной рекомбинации (дефекты кристаллической решетки, примеси), имеющие энергию около половины или меньше, чем ширина запрещенной зоны. Чтобы заставить кремний светиться при комнатной температуре, было испробовано множество вариантов структур “с участием” кремния - пористый кремний, наночастицы кремния в матрице диоксида кремния, сверхрешетки кремний/диоксид кремния, структуры кремний/германий и др. 15 Квантовые наноструктуры кремния В Иллинойском университете (США) исследователи использовали электрохимическую обработку, с помощью которой можно получить наночастицы кремния, люминесцирующие различными цветами. Обработка состоит в постепенном погружении кремниевой пластины в ванну с фтористоводородной кислотой и перекисью водорода при травлении под действием электрического тока. В результате этого поверхность материала подвергается сильной эрозии, оставляя тонкую сеть слабо взаимосвязанных наноструктур. Затем пластина удаляется из раствора и помещается в ультразвуковую ванну. Под воздействием ультразвука хрупкая сеть наноструктур распадается на отдельные частицы, которые могут быть легко разделены на группы по размерам. Наименьшими получились частицы голубого, зеленого, желтого и красного цвета. Полученные частицы могут найти свое применение для создания дисплеев и флеш-памяти. 16 Квантовые наноструктуры кремния Исследователи также продемонстрировали лазерные осцилляции в небольших скоплениях наночастиц. диаметром 6 мкм. Эти скопления частиц являются самыми миниатюрными лазерами в мире. Микролазеры возбуждались с помощью зеленого света от ртутной лампы. Следующая задача исследователей - возбуждение излучения с помощью электрического тока. 17 Квантовые наноструктуры кремния Сформировалось направление - разработка сред с кремниевыми нанокристаллами. В известном смысле такой выбор - итог исследований пористого кремния. Сформировалась устойчивая вера в то, что сами по себе кремниевые нанокристаллы почти идеальны для люминесценции. Основные препятствия на их пути в оптоэлектронику связаны с трудностью организации эффективной токовой накачки отдельных нанокристаллов в изолирующей матрице. 18 Квантовые наноструктуры кремния Наиболее заметна работа итальянских авторов, вошедшая в "top ten" 2000 года. Среда, содержащая кремниевые нанокристаллы, получалась имплантацией ионов кремния в диоксид кремния (80кэВ, 1017см-2). Нанокристаллы (3нм, 2×1019 см-3) содержались в слое толщиной ~100нм. Возбуждение люминесценции в эксперименте осуществлялось второй гармоникой Ti-сапфирового лазера (lambda=390нм), длительность импульса 2пс, частота 82МГц). Авторы продемонстрировали усиление зондирующего луча "на проход". Ближайший конкурент - семислойный пирог из квантовых точек InAs - отстает по усилению от анализируемой работы процентов на двадцать. 19 Квантовые наноструктуры кремния Однако решающим моментом явится получение электролюминесценции из подобных сред. А для этого диоксид кремния не самая лучшая среда - для эффективной инжекции зарядов в нанокристаллы слишком велика запрещенная зона. Исследователи из университета Турку (Финляндия) регулируя соотношение газов получали не полностью окисленные слои диоксида, содержащие квантово-размерные точки кремния, и сверхрешетки чередующихся слоев кремний/диоксид. "Тонкослойность" структур решила проблему, остававшуюся нерешенной в предыдущей работе токовое возбуждение люминесценции квантовых точек при средней плотности тока возбуждения 10-50мАћсм-2. 20 Квантовые наноструктуры кремния Авторы другой работы добавляли в газ (силан) не кислород, а азот. Как результат, они получали нитрид кремния с существенно меньшей энергией запрещенной зоны. Кроме наночастицы кремния оставались аморфными (ширина запрещенной зоны ~1.6эВ, а не 1.1эВ - как для кристаллического кремния), что облегчало инжекцию зарядов в кремниевые наночастицы. Частицы обладали свечением в любой области видимого спектра. При этом внешняя квантовая эффективность электролюминесценции составляла 0.2%, сопротивление слоев было порядка десятков Ом, а структуры работали при смещении менее 5В. 21 Квантовые наноструктуры кремния Традиционно, слои в полупроводниковых структурах наращиваются планарно, параллельно поверхности. Тем не менее, в Петербургском ФТИ РАН, сумели создать слои в объемном кристаллическом кремнии, направленные перпендикулярно поверхности (т.е. вглубь образца!). Эти слои могут иметь различное допирование, в том числе образовывать сверхрешетку p-n переходов, могут еще раз разбиваться на слои в другом направлении, образуя системы самоорганизующихся точек. Выясняется, что слои толщиной ~20нм можно "врезать" в уже существующую кристаллическую решетку. Оптическое усиление и усиление зондирующего света в кремниевых системах было впервые получено именно на подобных "перпендикулярных" слоях. 22 Квантовые наноструктуры кремния Последние результаты показывают, что при определенной модификации возможна люминесценция и в объемном кремнии. Так недавно исследователями Великобритании показано, что электролюминесценция с высокой эффективностью возбуждается из объемного кремния, насыщенного дислокациями при ионной имплантации бора (см. ниже). Исследователи из Тайваньского национального университета показали, что электролюминесценцию с энергией фотона, соответствующей энергии непрямого Eg, можно получить, сдавливая кремний с ITO электродом . В результате, как минимум, получается датчик давления с люминесцентным выходом. 23 Квантовые наноструктуры кремния Получение структур, обладающих устойчивой электролюминесценцией при комнатной температуре в течение долгого времени оставалось несбыточной мечтой тысяч исследователей. И вот кремний покорился ученым из университета Суррея. Им удалось создать работающий при комнатной температуре светодиод, эффективность работы которого сопоставима с эффективностью существующих коммерческих светодиодов, и предложить технологию, совместимую с существующей технологией изготовления СБИС. Чтобы электрон и дырка рекомбинировали излучательно, нужно не дать им дойти до дефекта, заперев их в ограниченной области пространства. Предложенный подход может быть применен также к другим непрямозонным полупроводникам и соединениям с участием кремния. 24 Квантовые наноструктуры кремния Рис.1. Вольт-амперная характеристика диода. На вставке схематично изображен сам прибор, эллипсы - петли дислокаций (они расположены параллельно p-n переходу примерно в 100 нм от него). Характерный диаметр петли - 100 нм, соседние петли разделены приблизительно 20 нм. 25 Квантовые наноструктуры кремния В кремниевую подложку производилась имплантация бора. При этом осуществлялось легирование и возникали дефекты кристаллической решетки. Далее двадцатиминутный отжиг в атмосфере азота при температуре 1000 С формировал почти упорядоченный массив из петель дислокаций ( рис.1). Дислокации искажали кристаллическую решетку и вызывали локальные напряжения. Напряжения, в свою очередь, приводили к локальным изменениям ширины запрещенной зоны. В результате образовывались локальные “ямы” для носителей заряда и происходила их локализация. Что и требовалось обеспечить. И в отсутствие дефектов (и при невозможности до них “добраться”) “заарканенным” носителям не остается другого пути, кроме излучательной 26 рекомбинации (рис.2). Квантовые наноструктуры кремния Рис.2. Спектры электролюминесценции структуры при температурах от 80 до 300 К. 27 Литература Панков Ж. "Оптические процессы в полупроводниках" Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. Физические основы, приборы и устройства. М. 1978. Мадьяри Б. Элементы оптоэлектроники и фотоэлектрической авто матики. М. 1979. L.Pavesi, L.Van Negro, C.Mazzoleni, G.Franzo, F.Priolo. Nature, 2000, 408, p.440 ПерсТ, 2000, 7(24) K.Nishimura Y.Nagao. J. Porous Materials, 2000, 7, p.119 N.Porjo, T.Kuustla, L.Heikkila. JAP, 2001, 89, p.4902 S.Chelan, R.G.Elliman, K.Gaff, A.Durandet. APL, 2001, 78, p.1670 N.M.Park, T.S.Kim, S.J.Park. APL, 2001, 78, p.2575 M.Nayfeh, O.Akcakir, J.Therrien, Z.Yamano, N.Barry, W.Yu, E.Gratton. APL, 1999, 75, p.1131 M.Nayfeh, O.Akcakir, J.Therrien, G.Belomoin, N.Barry, E.Gratton. APL, 2000, 77, p.4086 L.Mitas, J.Therrien, R.Twesten, G.Belomoin, M.Nayfeh. APL, 2001 78, p.1918 P.K.Giri, S.Coffa, E.Rimini. APL, 2001 78, p.291 W.L.Ng, M.A.Lorenco, R.M.Gwillam, G.Shao, K.P.Homewood. Nature, 2001 410, p.192-194 ПерсТ, 2001,8 (5,9) Chin-Fuh Lin, Miin-Jang Chen, Shu-Wei Chang et al. APL, 2001, 78, p.1808 G.V.Hansson, W.-X.Ni, C.-X.Du, A.Elfing, F.Duteil. APL, 2001, 78, p.2104 C.-X.Du, F.Duteil G.V.Hansson, W.-X.Ni. APL, 2001, 78, p.1697 R.F.Kazariniv R.A.Suris. Sov. Phys. Semicond. 1971, 51, p.77 G.Delinger, L.Diehl, U.Gennser, H.Sigg, J.Faist,K.Ensslin, D.Grutzmacher, E.Muller. Science, 2000 290, p.2277 L.Fridman, G.Sun, R.A.Soref. APL, 78, p.401 Н.Т.Баграев, А.Д.Буравлев, Л.Е.Клячкин, А.М.Маляренко, С.А.Рыков. ФТП, 2000, 34, с.726 N.T.Bagraev, E.I.Chaikina, W.Gehlhoff, L.E.Klyachkin, I.I.Markov, A.M.Malarenko. Solid State Electronics, 1998, 7-8, p.1199 Wai Lek NG, M. A. Lourenco, R. M. Gwilliam, S. Ledain, G. Shao, and K. P. Homewood. Nature, v.410, 192 (2001). Compulenta.ru 28
