Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych

Transkrypt

1

2 Większość struktur niskowymiarowych wytwarzanych jest za pomocą technik epitaksjalnych. Najczęściej wykorzystywane metody wzrostu: - epitaksja z wiązki molekularnej (MBE Molecular Beam Epitaxy) - epitaksja z fazy gazowej z użyciem związków metaloorganicznych (MOCVD MetalOrganic Chemical Vapour Deposition) (MOVPE - MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy) Pozwalają one na osadzanie materiału z dokładnością do pojedynczych warstw atomowych, co umożliwia otrzymanie struktur wysokiej jakości. Precyzja nanoszenia kolejnych warstw jest szczególnie istotna, gdy następuje zmiana osadzanego materiału => złącze pozbawione nierówności => lepsza jakość końcowej struktury (np. studni kwantowej). Wzrost kryształu na powierzchni innego materiału => heteroepitaksja. Wzrost tego samego materiału, z którego wykonane jest podłoże => homoepitaksja.

3 Epitaksja z wiązki molekularnej (MBE): - źródła: poszczególne pierwiastki (komórki Knudsena) - wymagana bardzo wysoka próżnia (~ 10-8 Pa)

4 Epitaksja z fazy gazowej z użyciem związków metaloorganicznych (MOCVD): - źródła: gazy (cząsteczki wieloatomowe) - materiał dostarczany jest na podłoże w fazie gazowej => reakcje chemiczne - zalety: prosta budowa reaktora, brak wysokiej próżni, mniejsze zanieczyszczenia ze względu na niższą temperaturę podczas wzrostu - bardzo często źródła gazowe są wysoko toksyczne - kontrola wzrostu in situ możliwa jedynie za pomocą metod optycznych (RHEED niemożliwe ze względu na brak próżni) Wybór techniki wzrostu zależy od osadzanych materiałów np. prekursory Al w MOCVD zawierają tlen, który tworzy centra rekombinacji niepromienistej => MBE, resztki P w MBE stwarzają ryzyko zapłonu => do struktur z P bezpieczniejszy MOCVD

5 Schemat układu warstw w strukturze z pojedynczą oraz wielokrotnymi studniami kwantowymi: podłoże Materiały tworzące studnię kwantową są zwykle dopasowane sieciowo (różnica stałych sieciowych < 1 %). Umieszczając elektrody na powierzchni struktury ze studnią kwantową (obok), można wytworzyć kropkę kwantową o kontrolowanym obsadzeniu. studnia In Umożliwia ona kontrolę nośników jednego rodzaju (np. elektronów) => nie do zastosowań optycznych podłoże

6 Kropka kwantowa może być również wytworzona ze studni kwantowej za pomocą trawienia: gdzie a jest materiałem studni, b materiałem bariery, a c podłożem. Możliwa precyzyjna regulacja romiarów i położenia kropek kwantowych. Dokładność procesu trawienia ogranicza maksymalną gęstość oraz jakość powierzchni kropek kwantowych => dla kropek o rozmiarach ~ 20 nm emisja jest bardzo trudna do zaobserwowania (silna rekombinacja niepromienista). Tzw. naturalne kropki kwantowe można otrzymać wykorzystując fluktuacje grubości i/lub składu cienkiej studni kwantowej => lokalne minima potencjału.

7 Najpowszechniej stosowaną metodą wzrostu kropek kwantowych jest wykorzystanie naprężeń pomiędzy osadzanymi materiałami. Kropki wytworzone w ten sposób noszą nazwę samorosnących (self-assembled). Osadzanie materiału o stałej sieciowej różnej od podłoża prowadzi do powstania naprężeń w osadzanej warstwie. W zależności od różnicy stałych sieciowych i różnicy energii powierzchniowych między materiałami, możliwe są trzy tryby wzrostu: VM Volmer-Weber, FvdM Frank-van der Merwe, SK Stranski-Krastanow Standardowe studnie kwantowe wzrastane są w trybie Frank-van der Merwe. Z punktu widzenia właściwości optycznych kropek kwantowych, najkorzystniejszy jest wzrost w trybie Stranski-Krastanow.

8 Schemat osadzania materiału o stałej sieci różnej od podłoża: Początkowo osadzany materiał pokrywa całą warstwę podłoża (wzrost 2D). Po przekroczeniu pewnej grubości (tzw. grubość krytyczna) następuje minimalizacja energii powierzchniowej i relaksacja naprężeń dalszy wzrost prowadzi do tworzenia trójwymiarowych wysp (kropek kwantowych). Utworzona warstwa dwuwymiarowa jest bardzo cienką studnią kwantową (o szerokości odpowiadającej grubości krytycznej) i nazywana jest warstwą zwilżającą (wetting layer). Przykładowe grubości krytyczne: InAs/: 1.5 ML, InAs/InP: 2 ML

9 Przekrój poprzeczny przez samorosnącą kropkę kwantową na schemacie oraz na zdjęciu TEM (InAs/ przykryte Al, MBE): Al InAs Widok powierzchni (AFM) struktury z samorosnącymi kropkami kwantowymi InAs/, otrzymanych metodą MOCVD (rozmiar zdjęcia 1x1 µm):

10 Wzrost kropek kwantowych w trybie Stranski-Krastanow nakłada ograniczenie na względną różnicę między stałymi sieciowymi wykorzystywanych materiałów (niedopasowanie rzędu kilku procent). Zależność przerwy energetycznej od stałej sieci dla półprzewodników III-V: Niedopasowanie stałych sieciowych: InAs/: 7 %, InAs/InP: 3 %

11 Istotnym parametrem jest również różnica przerw energetycznych. Dla układów InAs/ oraz InAs/InP wynosi ona ok. 1 ev, co pozwala na utworzenie wystarczająco głębokich potencjałów wiążących w kropkach (duża energia wiązania nośników). Obecność naprężeń powstałych podczas wzrostu samorosnących kropek kwantowych, wpływa istotnie na strukturę energetyczną układu. Obok: rozkład składowej hydrostatycznej (H) oraz dwuosiowej (B) naprężeń w poprzek kropki kwantowej InAs o kształcie piramidy i długości podstawy 13.6 nm, znajdującej się na warstwie zwilżającej InAs i otoczonej materiałem. Składowa H odpowiada za zmianę wartości przerwy energetycznej; składowa B związana jest ze względnym przesunięciem energii pasm lekko- i ciężkodziurowych.

12 Do zastosowań w urządzeniach optoelektronicznych często konieczny jest wzrost wielu warstw z kropkami kwantowymi, co pozwala na zwiększenie absorpcji lub intensywności emisji. Kropki kwantowe w kolejnych warstwach układają się w miejscach kropek z warstwy poprzedniej jest to związane z polem naprężeń wytworzonym przez pierwszą warstwę (seeding layer). Obok: przekrój TEM przez strukturę z 19 warstwami kropek kwantowych Ge/Si Wytworzone w ten sposób kropki są od siebie oddzielone (fukncje falowe zlokalizowane są wewnątrz poszczególnych kropek kwantowych). Zastosowanie bardzo cienkich barier między poszczególnymi warstwami umożliwia oddziaływanie między kropkami (m.in. zmiana promienistego czasu życia, energii emisji).