Jak TO działa? Do czego służą studnie, druty, kropki kwantowe? Półprzewodniki. Heterostruktury półprzewodnikowe

Transkrypt

1 Do czego służą studnie, druty, kropki? Jak TO działa? Google: Jacek Szczytko Login: student Hasło: ******* Wydział Fizyki UW 2 Półprzewodniki Heterostruktury półprzewodnikowe II III IV V VI Be B C N O Mg Al Si P S Nośniki: dziury + elektrony - Domieszki: Akceptory (typ p) Donory (typ n) Zn Ga Ge As Se Cd In Sn Sb Te Grupa IV: diament, Si, Ge Grupy III-V: GaAs, AlAs, InSb, InAs... Grupy II-VI: ZnSe, CdTe, ZnO, SdS

2 Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Studnie Druty Kropki Liquid-phase (LPE) wzrost z fazy ciekłej na podłożu w temperaturach niższych od temperatury topnienia hodowanego materiału. Półprzewodnik jest rozpuszczony w cieczy innego materiału, wzrost w warunkach bliskich równowagi roztworu i depozycji; prędkości wzrostu 0.1 to 1 μm/min. t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa Hubert J. Krenner Vapor-phase (VPE, CVD) wzrost z fazy gazowej dzięki reakcjom chemicznym prekursorów na powierzchni, często dzielony ze względu na źródłowe gazy na wodorkową VPE i metalorganiczną VPE (MOCVD); prędkości wzrostu >10-20 nm/min. Molecular-beam (MBE) Materiał źródłowy podgrzewany w komórkach produkuje strumień cząsteczek. W wysokiej próżni (10-8 Pa) cząsteczki docierają do podłoża i osadzają się na nim; prędkości wzrostu < 1 monowarstwa/s (1 μm/h). 5 6 Chemical Vapor Deposition (CVD) proces chemiczny, w którym do obszaru, gdzie znajduje się podłoże doprowadzone są jeden lub więcej prekursorów reagujących z podłożem w wyniku czego powstaje pożądany materiał. Jest to często stowarzyszone z lotnymi produktami, które usuwane są strumieniem gazu przepływającego przez komorę. (Si, SiC, SiN, dielektryki, diament syntetyczny). Proces może przebiegać w ciśnieniu normalnym lub obniżonym (wolniej, bardziej jednorodny materiał). Plasma assisted CVD Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) proces CVD reakcji chemicznych na powierzchni z zastosowaniem związków organicznych, metalorganicznych oraz wodorków metali; zachodzi z gazu pod obniżonym ciśnieniem (2-100 kpa); np. InP z trymetylu indu In(CH 3 ) 3 i fosfinu PH 3 ; główna metoda dla produkcji diod, diod laserowych, złącz fotowoltaicznych Hot-wall thermal CVD Krzem polikrystaliczny z silanu SiH 4 w reakcji: SiH 4 Si + 2 H 2 LPCVD, temperatura 600 and C, ciśnienie Pa, prędkość wzrostu nm/min. 7 In(CH 3 ) 3gas +PH 3gas InP solid +3CH 4gas 8 2

3 Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) TurboDisc MaxBright M GaN MOCVD Multi Reactor System TurboDisc K465i Animation 9 10 Podłoże umieszczone na podgrzewanym piecykiem indukcyjnym RF graficie wewnątrz komory reakcyjnej. Typowe temperatury 500 C do 800 C. Wzrost w atmosferze wodoru i ciśnieniu Torr. Prekursory rozkładają się w kontakcie z gorącym podłożem i tworzą warstwę. Prekursory grupy V: AsH 3 (arsin), PH 3 (fosfin), grupy III: Ga(CH 3 ) 3 Trimethylgallium (TMG), Al(CH 3 ) 3 Trimethylaluminium (TMA), In(CH 3 ) 3 trimethylindium (TMI), Domieszkowanie: SiH 4 Silane, Zn(C 2 H 5 ) 2 Diethylzinc (DEZ). Organometallic vapor phase epitaxy (OMVPE) Materials Science and Engineering, R24 (1999)

4 Reaktor Metal-Organic Chemical Vapour Epitaxy (MOCVD) w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego Quantum Well E c t D(E) E 1 E c E 0 Aixtron CCS 3x2 Heterostruktury GaInSb, AlGaInAs and AlGaN. MBE Osadzanie z atomową precyzją warstw o różnym składzie lub domieszkowaniu 2D E Hubert J. Krenner MBE na Wydziale Fizyki UW 15 MBE na Wydziale Fizyki UW 16 4

5 W dzisiejszych dla otrzymywania cienkich warstw czasach często stosuje się również tanie technologie: - elektrochemiczne (elektrolityczne nakładanie metali, elektrolityczne utlenianie), - sputteringowe - naparowywania warstw. - ink-jet printing W dzisiejszych dla otrzymywania cienkich warstw czasach często stosuje się również tanie technologie: - elektrochemiczne (elektrolityczne nakładanie metali, elektrolityczne utlenianie), - sputteringowe - naparowywania warstw. - ink-jet printing Sputtering katodowy obniżone ciśnienie Torr gazu obojętnego przy napięcie kilkunastu kv jony dodatnie wybijają materiał katody i osadzają go na m.in. materiale podłożowym Naparowywanie warstw w próżni <10-6 Torr materiał źródłowy jest zamieniany w fazę gazową przez podgrzanie lub bombardowanie i deponuje się na m.in. materiale podłożowym polymer light emitting diode (PLED) ink-jet printing - ink-jet printing

6 21 22 Heterostruktury półprzewodnikowe Bandgap engineering Valence band offset Investigation of high antimony content gallium arsenic nitride gallium arsenic antimonide heterostructures for long wavelength application

7 Druty Nanotechnologia CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja Nanotechnologia CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Studnie Druty Kropki t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa Hubert J. Krenner

8 Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Studnia Kwantowa Studnie Druty Kropki AlGaAs GaAs AlGaAs t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa E g1 E g2 E g1 Hubert J. Krenner Studnia Kwantowa Studnia Kwantowa AlGaAs GaAs AlGaAs AlGaAs AlGaAs GaAs AlGaAs AlGaAs GaAs E g1 E g2 E g

9 Studnia Kwantowa Studnia Kwantowa elektrony dziury Studnia Kwantowa Studnia Kwantowa Lasery półprzewodnikowe elektrony h dziury 35 Dioda laserowa zawiera ok. 400 różnych warstw 36 9

10 Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Studnie Druty Kropki Studnia kwantowa Więcej: t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa Hubert J. Krenner Studnia kwantowa Dioda laserowa wykonana metodą MBE TEM Philips 39 Czesław Skierbiszewski UNIPRESS 10

11 TEM 1 micron metalizacja InGaN:Mg Sls Sls InGaN:Mg InAlGaN:Mg }3 x QW InGaN:Si GaN:Si Czesław Skierbiszewski UNIPRESS Czesław Skierbiszewski UNIPRESS Processing laserów na azotku galu Processing laserów na azotku galu Struktura laserowa po processingu Łupanie na linijki laserowe InGaN MQW oxide Metal 3-5µm Active layer oxide Pojedynczy przyrząd P. Perlin, P. Wiśniewski Czesław Skierbiszewski UNIPRESS 11

12 Lasery półprzewodnikowe są bardzo małe Szerokość kostki = 0.3 mm Montaż laserów wersja impulsowa Długość lasera = mm Szerokość lasera = mm!! (1 m 20 m) 5 mikronów IWC PAN, UNIPRESS Czesław Skierbiszewski UNIPRESS Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Druty Studnie Druty Kropki t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa Hubert J. Krenner

13 Druty Druty halle.mpg.de/~mbe/ Photo by Peidong Yang/UC Berkeley, courtesy of Science Druty Druty

14 Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Studnie Druty Kropki Quantum Dot t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa 53 Hubert J. Krenner Hubert J. Krenner Walter Schottky Institut and Physik Department E24, TU München 0 cgs e 0 1 X Potencjał harmoniczny Potencjał harmoniczny 2D EPITAXIAL LAYER (e.g. InAs) Energy GaAs InAs InGaAs QDs GaAs 50 nm SUBSTRATE (GaAs) Island formation Time GaAs 20 nm InGaAs QDs InGaAs 0.25µm x 0.25µm TEM Defect free semiconductor clusters on a 2D quantum well wetting layer 55 5 nm GaAs TEM J.Jasiński AFM IMS-NRC 56 14

15 Synteza kropek kwantowych Synteza kropek kwantowych 57 CdSe/ZnS 1 10 nm 58 Energia Nanotechnologia CO? Studnie, druty, kropki Cu(In,Ga)Se 2 (also called CIGS) compound semiconductor solar electricity conversion efficiency of 12.8% JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja

16 Nanotechnologia Top down CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja Vincent Laforet/The New York Times Focus Ion Beam 2µm Nano Tech Web [ S. Kawata et al., Nature 412, 697 (2001) ] 7µm (3 hours to make) = 780nm resolution = 150nm JEM 9320 Focused Ion Beam System

17 Focus Ion Beam Focus Ion Beam Focus Ion Beam Focus Ion Beam

18 Focus Ion Beam Focus Ion Beam Focus Ion Beam Focus Ion Beam

19 Focus Ion Beam 1. Dominuje technologia krzemowa 2. Obecne układy ~ tranzystorów 3. Podłoża 300mm, ~ 10 3 chipów 4. Fotolitografia, naświetlanie, trawienie etc 5. Typowo ~20 masek, kroków procesów Maszyna do technologii Step and Repeat Aligner (Stepper) UV light source Shutter Alignment laser Shutter is closed during focus and alignment and removed during wafer exposure Reticle (may contain one or more die in the reticle field) Źródło: 05 Processing_Technology Single field exposure, includes: focus, align, expose, step, and repeat process Projection lens (reduces the size of reticle field for presentation to the wafer surface) Wafer stage controls position of wafer in X, Y, Z, Źródło: 05 Processing_Technology 19

20 Unexposed resist remains crosslinked and PAGs are inactive. UV Resist exposed to light dissolves in the developer chemical. Photoresist Oxide 1) STI etch 2) P-well implant 3) N-well implant 4) Poly gate etch Substrate Exposed Unexposed PAG H + PAG PAG PAG PAG Acid-catalyzed reaction Pre-exposure (during PEB) Post-exposure + CA photoresist + CA photoresist H + H + Unchange d Post-develop + CA photoresist 77 Źródło: 05 Processing_Technology PAG PAG PAG PAG 5) N + S/D implant 6) P + S/D implant7) Oxide contact etch Resulting layers ) Metal etch 78 Źródło: 05 Processing_Technology Top view Cross section from leading edge/ 79 Źródło: 05 Processing_Technology 80 Źródło: 05 Processing_Technology 20

21 Źródło: 05 Processing_Technology 82 Źródło: 05 Processing_Technology Litografia Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc. Litografia Źródło: Intel 21

22 Litografia Litografia 85 Źródło: Intel 86 Źródło: Intel Litografia Litografia

23 Litografia imersyjna Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc. Litografia Intel, 2003 Intel Litografia 90nm 65nm 45nm 32nm Produkcja Litografia Litografia Natężenie Natężenie k 1 Położenie 91 Położenie 92 23

24 Litografia Litografia OPC Optical Proximity Corrections Litografia OPC Optical Proximity Corrections Litografia OPC Optical Proximity Corrections

25 Litografia Litografia imersyjna Litografia imersyjna Litografia imersyjna Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc. Airy disks

26 Litografia imersyjna Litografia imersyjna Litografia imersyjna Inne

27 Litografia 3D Litografia 3D Lasery ekscymerowe 2 h = E 2-photon probability ~ (light intensity) 2 N-photon probability ~ (light intensity) N h photon photon h e E 0 Photonic Crystals:Periodic Surprises in Electromagnetism Steven G. Johnson MIT 3d Lithography Electron microscope image of the world's smallest guitar, based roughly on the design for the Fender Stratocaster, a popular electric guitar. Its length is 10 millionths of a meter approximately the size of a red blood cell and about 1/20th the width of a single human hair. Its strings have a width of about 50 billionths of a meter (the size of approximately 100 atoms). Plucking the tiny strings would produce a high pitched sound at the inaudible frequency of approximately 10 megahertz. Made by Cornell researchers with a single silicon crystal, this tiny guitar is a playful example of nanotechnology, in which scientists are building machines and structures on the scale of billionths of a meter to perform useful technological functions and study processes at the submicroscopic level. (Image courtesy Dustin W. Carr and Harold G. Craighead, Cornell.) Atom lens dissolve unchanged stuff (or vice versa) some chemistry (polymerization) Litografia 3D [ S. Kawata et al., Nature 412, 697 (2001) ] = 780nm resolution = 150nm Nanotubes as molecular quantum wires 7µm (3 hours to make) 2µm

28 Nanotechnologia Bottom up CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja Synteza kropek kwantowych Synteza kropek kwantowych CdSe/ZnS 1 10 nm