Ημιαγωγοί: από τη μικροηλεκτρονική στις λάμπες φωτισμού - Νόμπελ Φυσικής 2014

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Ημιαγωγοί: από τη μικροηλεκτρονική στις λάμπες φωτισμού - Νόμπελ Φυσικής 2014"

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Κρήτης, Τμήμα Φυσικής και ΙΗΔΛ, ΙΤΕ Ομάδα Μικρο & Νανο Ηλεκτρονικής (ΟΜΝΗ) Ηράκλειο, Κρήτη Ημιαγωγοί: από τη μικροηλεκτρονική στις λάμπες φωτισμού - Νόμπελ Φυσικής 2014 Αλέξανδρος Γεωργακίλας ΘΕΜΑΤΑ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ 27 ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ 2015, ΗΡΑΚΛΕΙΟ-ΚΡΗΤΗ

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Η ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ ΜΙΚΡΟ & NANO ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΚΡΗΤΗΣ ΚΑΙ ΙΤΕ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΙΑΣ ΛΑΜΠΑΣ LED ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥΣ ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ / Η ΕΠΑΦΗ pn ΕΠΙΤΑΞΙΑΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΙΙ-V / ΤΑ ΝΙΤΡΙΔΙΑ (ΙΙΙ-Ν) ΚΑΤΑΝΟΩΝΤΑΣ ΤΟ ΒΡΑΒΕΙΟ NOBEL ΦΥΣΙΚΗΣ 2014

3 ΟΜΑΔΑ ΜΙΚΡΟ & NANO ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ (OMNH) Ένα εργαστήριο στο Τμήμα Φυσικής ΠΚ Τμήμα Φυσικής Τομέας Εφαρμοσμένης Φυσικής Α. Γεωργακίλας Ζ. Χατζόπουλος Ε. Ηλιόπουλος ~ 40 μέλη συνολικά MRG Μ.Π.Σ. Φωτονικής και Νανοηλεκτρονικής ΙΤΕ Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ Κ. Ζεκεντές Γ. Κωνσταντινίδης Η. Απεραθίτης Γ. Δεληγεώργης ΠΚ Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών Ν. Πελεκάνος Π. Σαββίδης

4 Εργαστήριο Επίταξης με Μοριακές Δέσμες (ΜΒΕ) ημιαγωγών ΜΒΕ με πηγή πλάσματος για ΙΙΙ-Νιτρίδια (GaN) MBE για ΙΙΙ-Αρσενίδια (GaAs) MBE για Si, Ge, C Ενσωματωμένες τεχνικές: QMS, AES, RHEED ~100 m 2 Clean Room class-1000

5 Εργαστήριο κατασκευής διατάξεων Processing Clean room Καθαροί χώροι >100m 2 Δυνατότητα 4 (100mm) Καθαρότητα: Class ISO-5 Δημιουργία σχεδίων Οπτική λιθογραφία (0.5μm - 10cm) 2x συστήματα λιθογραφίας επαφής με υπεριώδες φως Λιθογραφία ηλεκτρονίων (15nm - 100μm) 1-30ΚVolt, e-beam RAITH Quantum+ Εναπόθεση υλικών Μέταλλα 2x θερμικοί εξαχνωτές 1x Εξαχνωτής ηλεκτρονίων Διηλεκτρικά Εναπόθεση χημείας ατμών (PECVD) Απόξεση υλικών Χημική χάραξη wet etching Ξηρή χάραξη Reactive Ion etching

6 Εργαστήρια Δομικού και Ηλεκτρικού Χαρακτηρισμού Συστήματα Δομικού Χαρακτηρισμού: Μικροσκόπιο Σάρωσης Ηλεκτρονίων (SEM) Μικροσκόπια Ατομικής Δύναμης (AFM) Σύστημα Περίθλασης Ακτινών-Χ Υψηλής Διακριτικής Ικανότητας (HR-XRD) Συστήματα Ηλεκτρικού Χαρακτηρισμού: Σταθμοί μετρήσεων ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ημιαγωγικών διατάξεων με δυνατότητες παλμικών μετρήσεων Σταθμός μέτρησης χαρακτηριστικών ραδιοκυματικών διατάξεων (έως 40 GHz) Σταθμός μέτρησης χαρακτηριστικών χωρητικότητας-τάσης (C-V & electrolytic CV) Εξοπλισμός μετρήσεων φαινομένου Hall, Seebeck και Nernst (σε θερμοκρασίες 4-300Κ) Εξοπλισμός μετρήσεων σε υψηλά μαγνητικά πεδία : 0-7Τ και Κ (αναμένεται) Προσομοιωτής ηλιακού φωτός

7 Εργαστήριο Οπτικού Χαρακτηρισμού Νανοφωτονικών Διατάξεων και Υλικών Προηγμένες τεχνικές οπτικού χαρακτηρισμού: micro-photoluminescence time-correlated single photon counting Streak camera time-resolved photoluminescence k-space imaging angle-resolved micro-reflectivity angle-resolved pump-probe, etc. Κύριος Εξοπλισμός: Broadly tunable Ti-Sapphire Femtosecond laser system (300nm-2μm) Third harmonic generation, 266nm high rep rate fs pulses He-Cd cw 325nm laser 3 spectrographs and 3 monochromators 3 LN 2 -cooled CCDs, germanium and InGaAs detectors Streak camera Variable-temperature optical cryostats

8 Α. Γεωργακίλας - Ερευνητικά θέματα Επιταξιακή ανάπτυξη νανονημάτων ΙΙΙ-Ν με Plasma-assisted MBE Έργο ΘΑΛΗΣ «NanoWire» Κατασκευή διατάξεων νανονημάτων ΙΙΙ-Ν 1.0x10-5 Current (A) 5.0x x x Voltage (V) Σχεδιασμός και κατασκευή προηγμένων τρανζίστορ HEMT με (α) φραγμό δυναμικού AlN, (2) κανάλι υψηλής ευκινησίας InN Έργο ΑΡΙΣΤΕΙΑ «NITROHEMT»

9 ΑΝΑΛΥΟΝΤΑΣ ΜΙΑ ΛΑΜΠΑ LED Ανάλυση λάμπας LED στο εργαστήριο Μικρο και Νανο Ηλεκτρονικής από φοιτητές του μαθήματος «Εισαγωγή στη Φυσική Ημιαγωγικών Διατάξεων» (Φ273) το ακαδημαϊκό έτος Χ. Μουρίκης, Κ. Φιλιππάκης, Β. Τσαφάς, Μ. Βασιλείου, Κ. Παλτόγλου και Α. Παπαδογιάννη

10 Φωτισμός Στερεάς Κατάστασης (LED) Φάσμα εκπομπής της λάμπας Emission (nm) 8 πλακίδια συναρμολογημένων (packaged) ψηφίδων (chips) LED με επικάλυψη από κίτρινους φωσφόρους

11 Αντίσταση ασφαλείας Κύκλωμα διπλής όψεως

12 Τμήματα λάμπας LED λευκού φωτός

13 Πλακίδια συναρμολόγησης ψηφίδων LED 1 πλακίδιο είχε 2 ψηφίδες LED Επαφές ψηφίδας

14 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥΣ ΚΑΙ ΤΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥΣ

15 Οι ημιαγωγοί όπως τους χρησιμοποιούμε Κυλινδρικοί Κρύσταλλοι (ingots) (τμήματα: τέλος-μέση-αρχή) Δισκίδια (wafers) - υποστρώματα Ημιαγωγών Δισκίδια (wafers) Κόβονται από κρυστάλλους κι έχουν πάχος ~ 300 μm Δισκίδιο μετά την κατασκευή διατάξεων ή κυκλωμάτων Οι ημιαγωγικές διατάξεις και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα κατασκευάζονται στην επιφάνεια των ημιαγωγικών υποστρωμάτων (wafers) και συμμετέχει επιφανειακό στρώμα ημιαγωγού πάχους ~ 1 μm

16 Συναρμολόγηση ψηφίδων από τα δισκίδια Δισκίδιο μετά την κατασκευή διατάξεων ή κυκλωμάτων. Τελικά διαχωρίζεται σε πολλές ίδιες ψηφίδες (chips, dies) Ημιαγωγική ψηφίδα με πολλές διόδους συναρμολογημένη πάνω σε εξάρτημα εγκιβωτισμού (package)

17 TI EINAI OI ΗΜΙΑΓΩΓΟI ; Μέταλλα Ημιαγωγοί Μονωτές ρ (Ω.cm) : ~ έως ~10 22 Με συγκεντρώσεις προσμίξεων 1 άτομο ανά 10 9 έως 10 3 άτομα ημιαγωγού μπορούμε να επιλέξουμε την αγωγιμότητα του ημιαγωγού: (α) τον αριθμό των κινούμενων σωματιδίων ηλεκτρικού φορτίου (β) το πρόσημο του φορτίου τους: -q e για ελεύθερα ηλεκτρόνια και +q e για οπές Συνδυάζοντας υλικά με διαφορετική αγωγιμότητα κατασκευάζουμε ημιαγωγικές διατάξεις, τη βάση της ευφυΐας των ηλεκτρονικών

18 ΟΙ ΒΑΣΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Ημιαγωγοί στοιχείου IV Si Ge C (διαμάντι) και κράματα Si x Ge 1-x SiC Σύνθετοι Ημιαγωγοί ενώσεων III-V GaN, AlN, InN GaP, AlP, InP GaAs, AlAs, InAs GaSb, AlSb, InSb και κράματα τους, όπως Ιn x Ga 1-x N Al x Ga 1-x N Ιn x Al 1-x N Ιn x Al y Ga 1-x-y N Σύνθετοι Ημιαγωγοί ενώσεων II-VI ΖnO ZnS, HgS ZnSe, CdSe ZnTe, CdTe και κράματα τους, όπως Hg x Cd 1-x Te

19 ΤΙ ΚΟΙΝΟ ΕΧΟΥΝ; Στον κρύσταλλο του ημιαγωγού Si, κάθε άτομο συνδέεται με 4 ομοιοπολικούς δεσμούς με 4 γειτονικά άτομα Το άτομο είναι στο κέντρο ενός κανονικού τετραέδρου και τα 4 γειτονικά άτομα στις κορυφές του Ο ομοιοπολικός δεσμός σχηματίζεται από 2 ηλεκτρόνια σθένους Στους III-V ή II-VI ημιαγωγούς κάθε είδος ατόμου έχει 4 άτομα από το άλλο είδος γύρω του Στους III-V ή II-VI ημιαγωγούς, οι δεσμοί έχουν εν μέρει ιοντικό χαρακτήρα

20 Η ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΔΟΜΗ Με στοιχειώδη μονάδα τον τετραεδρικό δεσμό, οι κρύσταλλοι των III-V ημιαγωγών έχουν κυβική ή εξαγωνική δομή Ga N Δομή Σφαλερίτη: GaAs, InP, InSb, CdTe, Δομή Αδάμαντα: Si, Ge, C(διαμάντι) Δομή Βουρτζίτη: GaN, AlN, InN, ZnO,

21 OI ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΖΩΝΕΣ ΣΤΑ ΣΤΕΡΕΑ Οι διακριτές ενεργειακές στάθμες των ατόμων γίνονται ενεργειακές ζώνες στους κρυστάλλους των στερεών. Οι εν. ζώνες αποτελούνται από καταστάσεις/στάθμες με πολύ μικρή διαφορά ενέργειας ώστε είναι σαν να έχουμε συνεχή κατανομή της δυνατής ενέργειας ηλεκτρονίου στις καταστάσεις κάθε ζώνης Υπάρχουν περιοχές μη επιτρεπτών ενεργειών Ενεργειακό Χάσμα Εg Από Β. G. Streetman, Solid State Electronic Devices, Prentice Hall

22 OI ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΖΩΝΕΣ Τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων του ημιαγωγού καταλαμβάνουν καταστάσεις των δύο ανώτερων ζωνών, της Ζώνης Σθένους (ΖΣ) και της Ζώνης Αγωγιμότητας (ΖΑ) Σε Τ=0Κ η ΖΣ είναι πλήρως κατειλημμένη και η ΖΑ εντελώς άδεια από ηλεκτρόνια To ενεργειακό χάσμα (Eg) στους ημιαγωγούς είναι τάξης 1 ev = 1.6 x Joules InAs: 0.36eV, Ge: 0.66eV, Si: 1.12eV, GaAs: 1.42eV, GaN: 3.4eV, C(διαμάντι) : 5.47eV Ζώνη Αγωγιμότητας (ΖΑ) Eg Ενεργειακό Χάσμα E C Ζώνη Σθένους (ΖΑ) E V

23 Φορείς Ηλεκτρικού Φορτίου / Ρεύμα Οι κινούμενοι φορείς ηλεκτρικού φορτίου για διέλευση ρεύματος είναι: Ηλεκτρόνια της ΖΑ ή ελεύθερα ηλεκτρόνια (e). Έχουν φορτίο q και ενεργό μάζα m n * Οπές (holes) της ΖΣ (καταστάσεις μη κατειλημμένες από ηλεκτρόνιο). Έχουν φορτίο +q και ενεργό μάζα m p * Σε ένα καθαρό κρύσταλλο ημιαγωγού τα ελεύθερα ηλεκτρόνια (e) και οι οπές (h) δημιουργούνται από θερμική γένεση σε Τ > 0Κ ζευγών e-h Οι συγκεντρώσεις n (αριθμός e ανά cm 3 ) και p (αριθμός h ανά cm 3 ) είναι ίσες και εξαρτώνται από το Eg και την θερμοκρασία, δηλ. n = p = n i (T) ελεύθερα ηλεκτρόνια Eg E C E V οπές

24 ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΙΑ ΔΕΣΜΩΝ ΚΑΙ ΦΟΡΕΩΝ (ΕΝΔΟΓΕΝΗ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥ) Οι φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος στους ημιαγωγούς είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια (e) και οι οπές (h) H διάσπαση ενός ομοιοπολικού δεσμού σε Τ> 0Κ παρέχει στον κρύσταλλο ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο (e) και μια οπή (h). Η οπή είναι η απουσία του ηλεκτρονίου στο δεσμό που μπορεί να μετακινηθεί σε άλλους δεσμούς Η διάσπαση του δεσμού αντιστοιχεί στην μετάβαση ενός ηλεκτρονίου από κατάσταση της Ζώνης Σθένους σε κατάσταση της Ζώνης Αγωγιμότητας Τ= 0 Κ Τ > 0 Κ ελεύθερα ηλεκτρόνια e h Eg E C E V οπές

25 Οι προσμίξεις εμπλουτισμού (doping) ΔΟΤΕΣ (Donors) Άτομα με 1 περισσότερο ηλεκτρόνιο σθένους από το άτομο του ημιαγωγού που αντικαθιστούν Ελευθερώνουν ένα ηλεκτρόνιο (e) στον κρύσταλλο του ημιαγωγού (φορέας για ρεύμα) ΑΠΟΔΕΚΤΕΣ (Acceptors) Άτομα με 1 λιγότερο ηλεκτρόνιο σθένους από το άτομο του ημιαγωγού που αντικαθιστούν Ελευθερώνουν μια οπή (h) στον κρύσταλλο του ημιαγωγού (φορέας για ρεύμα) Δ e Α - h Εάν N D = άτομα δοτών/cm 3 n=n D, p=n i2 /N D Ημιαγωγός ΤΥΠΟΥ-N Εάν N A = άτομα αποδεκτών/cm 3 p=n A, n=n i2 /N A Ημιαγωγός ΤΥΠΟΥ-P

26 ΕΞΩΓΕΝΕΙΣ / Εμπλουτισμένοι Ημιαγωγοί Τύπου-n είναι ο ημιαγωγός που έχει προσμίξεις Δοτών, που αυξάνουν τα e (φορείς πλειονότητας) ώστε n > n i > p Τύπου-p είναι ο ημιαγωγός που έχει προσμίξεις Αποδεκτών, που αυξάνουν τις οπές (φορείς πλειονότητας) ώστε p >n i > n ελεύθερα ηλεκτρόνια E C E D E C Καταστάσεις Αποδεκτών Καταστάσεις Δοτών E A E V E V n n i p (περισσότερα e) Ημιαγωγός ΤΥΠΟΥ-N οπές p n i n (περισσότερες οπές) Ημιαγωγός ΤΥΠΟΥ-P Οι εκάστοτε φορείς μειονότητας προέρχονται από θερμική γένεση

27 ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΕΠΑΦΗ pn

28 Σχηματισμός Διόδου επαφής pn Δίοδος επαφής pn: Αποτελείται από περιοχές τύπου-p και τύπου-n σε επαφή ΤΥΠΟΥ-P p n ΤΥΠΟΥ-Ν n p Ενεργειακό Διάγραμμα Διόδου επαφής pn h e E C E i E F E V Τα πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια (e) της πλευράς-n έχουν να ξεπεράσουν ένα ενεργειακό «εμπόδιο» (φραγμό δυναμικού) για να μετακινηθούν προς την πλευρά-p. Αντίστοιχα ισχύουν για την κίνηση των πολλών οπών (h) της πλευράς-p προς την πλευρά-n.

29 Η Δίοδος pn σε ορθή πόλωση (V A 0) Μεγάλο ρεύμα ορθής πόλωσης (V A = V p -V n > 0) qv A ~ e kt V Α 0 μειώνει qv A τον φραγμό δυναμικού για διάχυση των φορέων πλειονότητας κάθε πλευράς προς την απέναντι εκθετική αύξηση ρεύματος με V A Από G. W. Neudeck, The PN Junction Diode, Addison-Wesley

30 Δίοδοι εκπομπής φωτός LED : Light Emitting Diode LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser Diode (LD)

31 Εκπομπή φωτός από ημιαγωγούς Φωτόνια ενέργειας h Eg εκπέμπονται από επανασυνδέσεις ηλεκτρονίων της ΖΑ και οπών της ΖΣ ελεύθερα ηλεκτρόνια h Eg Eg οπές Η εφαρμογή τάσης ορθής πόλωσης (V A 0) στην δίοδο επαφής pn των LED και LASER προκαλεί ένεση e και οπών από τις πλευρές n και p, αντίστοιχα, που επανασυνδέονται στην περιοχή της επαφής e E C E V E Fp h Eg qv A E C E Fn h E V

32 Οι σύγχρονοι Δίοδοι Λέιζερ (LDs) Οι δίοδοι λέιζερ είναι ειδικά κατασκευασμένες δίοδοι επαφών pn Στρώματα μεγαλύτερου ενεργειακού χάσματος (μικρότερου δείκτη διάθλασης), π.χ. AlGaAs, περιορίζουν την οπτική ακτινοβολία σε οριζόντιο κυματοδηγό Στην επαφή pn σχηματίζονται κβαντικά πηγάδια (QWs), π.χ. AlGAs/GaAs/AlGaAs, για αποτελεσματικότερη επανασύνδεση ηλεκτρονίων-οπών Κοπή των ψηφίδων ημιαγωγού σε κατακόρυφα επίπεδα σχηματίζει τους 2 καθρέπτες, από τους οποίους μπορεί να εξέρχεται η δέσμη του λέιζερ p+ p AlGaAs QWs n AlGaAs Υπόστρωμα n + GaAs Power (mw) QW AlGaAs/GaAs LDs 170 m 220 m 300 m 340 m 480 m 1065 m Current Density (KA/cm 2 )

33 Figure after Chelikowsky and Cohen, ref. 17 in Physics of Semiconductor devices, S. M. Sze, John Wiley & Sons, 1981 Ημιαγωγοί III-V εκπέμπουν «φως», όχι το Si Οι III-V (π.χ. GaAs) έχουν άμεσο ενεργειακό χάσμα: το ελάχιστο της ΖΑ είναι στο ίδιο k=0 με το μέγιστο της ΖΣ διατήρηση ορμής σε επανασύνδεση e-h Ge Si GaAs Ζώνη Αγωγιμότητας Ζώνη Σθένους

34 ΕΠΙΤΑΞΙΑΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ

35 Ημιαγωγικές ετεροδομές-νανοδομές Τα σύγχρονα υλικά αποτελούνται από πολυστρωματικές δομές που συνδυάζουν διαφορετικούς ημιαγωγούς, σε επαφή μεταξύ τους. Π.χ., στρώματα ημιαγωγού με μικρό Eg ανάμεσα σε στρώματα ημιαγωγού με μεγαλύτερο Eg σχηματίζουν κβαντικά πηγάδια (QWs) Αναπτύσσονται με τεχνικές επιταξιακής ανάπτυξης (επίταξης), όπως οι Επίταξη με Μοριακές Δέσμες (MBE) Εναπόθεση από Χημικούς Ατμούς με Μεταλλοργανικά Αέρια (MOCVD ή MOVPE ή OMVPE) Εικόνα ηλεκτρονικού μικροσκοπίου που δείχνει την κάθετη τομή μιας ετεροδομής από 8 QWs GaAs ανάμεσα σε στρώματα AlGaAs

36 Επίταξη με Μοριακές Δέσμες (ΜΒΕ)

37 ΕΠΙΤΑΞΙΑΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ Η Επίταξη με Μοριακές Δέσμες (ΜΒΕ) επιτρέπει την ελεγχόμενη εναπόθεση κλάσματος ενός ατομικού επιπέδου Επιταξιακά στρώματα GaN τύπου-n Υπόστρωμα AlN Ga Al N Si

38 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ Η εναλλαγή στρωμάτων διαφορετικών ημιαγωγών (με διαφορετικό Εg) μεταβάλει την ενέργεια των ηλεκτρονίων και οπών στις διαφορετικές περιοχές, σχηματίζοντας π.χ. τα κβαντικά πηγάδια (QW) z GaN InGaN GaN InGaN GaN InGaN QW QW QW GaN E G (ev) 2.8eV 3.4eV

39 Σχεδιασμός ηλεκτρικών-οπτικών ιδιοτήτων Οι ημιαγωγικές ετεροδομές παρουσιάζουν νέες ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες σε σχέση με τους ημιαγωγούς που τις αποτελούν Παράδειγμα: οι επανασυνδέσεις ηλεκτρονίων-οπών σε κβαντικά πηγάδια GaAs διαφορετικού πλάτους δίνουν διαφορετικές ενέργειες φωτονίων 100Å 70Å 30Å eV AlGaAs GaAs 'Ενταση PL (a.u.) eV eV 2 1 Eνέργεια (ev) Οι επανασυνδέσεις σε κρύσταλλο GaAs δίνουν φωτόνια h E g =1.42 ev

40 ΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ III-ΝΙΤΡΙΔΙΑ

41 Οι ημιαγωγοί ΙΙΙ-Νιτρίδια N Ga AlN GaN InN Εg = 6.1 ev Εg = 3.4 ev Εg = 0.65 ev Εξαγωνική κρυσταλλική δομή βουρτζίτη και τα κράματα τους In x Ga 1-x N Al x Ga 1-x N In x Al 1-x N In x Al y Ga 1-y N

42 Χαρακτηριστικά των III-Νιτριδίων Άμεσο ενεργειακό χάσμα από IR έως DUV (0.65eV 6.1 ev) Υψηλή ταχύτητα κόρου των ηλεκτρονίων Υψηλό ηλεκτρικό πεδίο κατάρρευσης (μεγάλο Εg) Υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, πάνω από 600 C (μεγάλο Εg) Πυροηλεκτρικές και πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Ισχυρή αντίσταση στη χημική διάβρωση Βιοσυμβατότητα Επιτρέπουν μοναδικές εφαρμογές ηλεκτρονικής, οπτοηλεκτρονικής και αισθητήρων Συμβατικοί III-V

43 NOBEL ΦΥΣΙΚΗΣ Isamu Akasaki Meijo University, Nagoya University, Nagoya, Japan Prize share: 1/3 Hiroshi Amano Nagoya University, Nagoya, Japan Prize share: 1/3 Shuji Nakamura University of California, Santa Barbara, CA, USA Prize share: 1/3 The Nobel Prize in Physics 2014 was awarded jointly to Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura "for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources".

44 Επίταξη με MOCVD/ MOVPE/ OMVPE Από I. Akasaki and H. Amano, Jpn. J. Appl. Phys. 36(1997)5395 Συνολική χημ. αντίδραση για επίταξη III-V ημιαγωγού MR 3 a metal alkyl XH a hydride where RH CH 3, C 2 H 5 3,... MX 3RH Επιταξιακή ανάπτυξη GaN III-Νιτριδίων: Ga x CH3 3 NH3 GaN 3CH4 CH3 1 x Ga CH3 NH3 Al xga1 x N 3CH4 Al 3 3

45 Τρόποι ανάπτυξης στην ετεροεπίταξη Στην ετεροεπίταξη υλικού με διαφορετικό πλέγμα από το υπόστρωμα προκαλείται ελαστική παραμόρφωση και συσσωρεύεται ελαστική ενέργεια στο επιταξιακό στρώμα ευνοείται ο σχηματισμός τρισδιάστατων νησίδων (τρόποι ανάπτυξης 3D: Volmer-Weber ή Stranski-Krastanov) αντί επίπεδων στρωμάτων, σχηματιζόμενων από διαδοχικά ατομικά επίπεδα (τρόπος ανάπτυξης 2D: Frank-van der Merwe)

46 Amano & Akasaki 1986 LT AlN buffer Most cited 1367

47 Αρχικό στρώμα AlN σε χαμηλή Τ Οι H. Amano και I. Akasaki αντιμετώπισαν την δυσκολία να αναπτυχθούν επίπεδα στρώματα GaN πάνω στα πολύ διαφορετικά υποστρώματα σαπφείρου, Al 2 O 3 (0001). Το πρόβλημα περιορίστηκε ξεκινώντας την επιταξιακή ανάπτυξη πάνω στο Al 2 O 3 (0001) με ένα στρώμα AlN αναπτυγμένο σε χαμηλότερη θερμοκρασία από την κανονική. Στη συνέχεια αναπτυσσόταν ένα παχύ στρώμα GaN πάνω στο AlN Με αυτό τον τρόπο τελικά σχηματίζονταν επίπεδα στρώματα GaN, όπως χρειάζεται για σχηματισμό ετεροδομών για χρήσιμες διατάξεις (όπως LEDs), τα οποία επιπλέον είχαν και βελτιωμένη κρυσταλλική ποιότητα. Δηλαδή τα κρυσταλλικά επίπεδα ήταν καλύτερα προσανατολισμένα μεταξύ τους σε όλη την έκταση των στρωμάτων GaN (μειωμένη κρυσταλλική μωσαϊκότητα)

48 Amano & Akasaki 1986 AlN buffer Μειωμένη κρυσταλλική μωσαϊκότητα GaN XRD (0006) RC FWHM 2.7 αντί 12 (arc min)

49 Amano, Akasaki Growth mechanism with AlN buffer

50 Amano, Akasaki Growth mechanism with AlN buffer Αρχική ανάπτυξη 50nm AlN buffer σε 600 C, έπειτα ανάπτυξη GaN σε 1030 C

51 Akasaki & Amano 1987, in Crete Τα LED ήταν επαφής Μετάλλου-Ημιαγωγού με πολύ μικρή απόδοση συγκριτικά με τη συνέχεια Οι I. Akasaki kai H. Amano συμμετείχαν στο συνέδριο GaAs και III-V ημιαγωγών που οργάνωσε το Σεπτέμβριο 1987 ο καθηγητής Άρης Χρήστου στην Αγία Πελαγία. Την εποχή εκείνη δεν δινόταν πολλή προσοχή στα III-Νιτρίδια Στο ίδιο συνέδριο παρόντες ήταν και οι Leo Esaki (Nobel prize 1973) και Herbert Kroemer (Nobel prize 2000)

52 Nakamura 1991 GaN LT buffer

53 Nakamura 1991 two flow MOCVD

54 Αρχικό στρώμα GaN σε χαμηλή Τ Ο S. Nakamura αντιμετώπισε τη δυσκολία ανάπτυξης συνεχών επίπεδων (2D) στρωμάτων GaN πάνω στα υποστρώματα σαπφείρου, υιοθετώντας μια διαδικασία επίταξης βασισμένη στην αρχική εναπόθεση ενός στρώματος GaN σε χαμηλή θερμοκρασία πάνω στο υπόστρωμα Al 2 O 3 (0001) Επίσης σχεδίασε ένα νέο αντιδραστήρα MOCVD που συνδύαζε 2 κάθετες κατευθύνσεις ροής των αερίων για να επαυξήσει την ομοιομορφία της κατανομής των ατόμων του ημιαγωγού πάνω στο υπόστρωμα και να επιτύχει την ανάπτυξη επίπεδων και συμπαγών στρωμάτων GaN (αντί νησίδων GaN).

55 Nakamura 1991 LT GaN buffer Επίτευξη συμπαγών λεπτών υμενίων (film) GaN με ομαλή επιφάνεια και βελτιωμένες ηλεκτρικές ιδιότητες (αύξηση ευκινησίας, μείωση συγκέντρωσης e)

56 Amano, Akasaki 1989 LEEBI Mg P-type

57 Amano, Akasaki 1989 LEEBI p-type

58 Επίτευξη GaN τύπου-p με LEEBI Η σημαντική ανακάλυψη των H. Amano και I. Akasaki που οδήγησε στο βραβείο Nobel ήταν η επίτευξη οπών και o σχηματισμός GaN τύπου-p. Τα στρώματα GaN είχαν προσμίξεις 2-σθενών ατόμων μαγνησίου Mg (αντικαθιστούν 3-σθενή άτομα Ga) για Αποδέκτες, αλλά τα στρώματα GaN δεν είχαν οπές και συμπεριφέρονταν σαν μονωτές. Οι H. Amano και I. Akasaki ανακάλυψαν ότι στρώματα GaN με προσμίξεις Mg αποκτούσαν οπές και αγωγιμότητα τύπου-p, όταν βομβαρδίζονταν με δέσμη ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας (το ονόμασαν LEEBI), όπως τα 10 KeV. Τέτοιες ενέργεις χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρονικά μικροσκόπια σάρρωσης (SEM) για παρατήρηση επιφανειών. Με αυτό τον τρόπο μπόρεσαν να έχουν τα πρώτα στρώματα GaN τύπουp, έφτιαξαν διόδους επαφής pn και έδειξαν την λειτουργία τους σαν LED ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ: GaN ΤΥΠΟΥ-P ΔΕΝ ΗΤΑΝ ΦΥΣΙΚΑ ΑΔΥΝΑΤΟ

59 Amano, Akasaki 1989 First pn LED

60 Nakamura 1991 Mg activation

61 Nakamura 1991 Mg activation

62 Nakamura: GaN τύπου-p με Ανόπτηση Η μέθοδος LEEBI δεν ήταν πολύ πρακτική και δεν θα μπορούσε να στηρίξει τη βιομηχανική παραγωγή GaN LEDs Το μέλλον τoυ GaN και των λοιπών III-Νιτριδίων καθόρισε η ανακάλυψη του S. Nakamura που σύντομα ακολούθησε Ανακάλυψε ότι θέρμανση-ανόπτηση (annealing) στρωμάτων GaN με προσμίξεις Mg, σε T > 700 C και περιβάλλον αερίου Ν 2 ή σε κενό, έδινε GaN με οπές και αγωγιμότητα τύπου-p Με νέα πειράματα διαπίστωσε ότι άτομα H ενσωματώνονται στον κρύσταλλο GaΝ, προσδενόμενα με τα άτομα Mg, κατά την ανάπτυξη με ΜOCVD κι απενεργοποιούν τους Αποδέκτες Mg Τα H προέρχονται από την διάσπαση, πάνω στο υπόστρωμα, της αερίου αμμωνίας (NH 3 ) που χρησιμοποιείται για πηγή ατόμων N για την ανάπτυξη GaN

63 Nakamura 1992 Mg doping explanation

64 Nakamura 1992 Mg doping explanation Αρχικά τα στρώματα GaN:Mg ήταν μονωτικά με ρ 10 6 Ω.cm Μετά από ανόπτηση σε περιβάλλον N 2 μετατράπηκαν σε αγώγιμα τύπουp με ρ 2 Ω.cm Νέα ανόπτηση σε περιβάλλον N 2 τα διατήρησε τύπου-p με ρ 2 Ω.cm Αλλά νέα ανόπτηση σε περιβάλλον NH 3 τα μετέτρεψε πάλι σε μονωτικά με ρ 10 6 Ω.cm, όταν η θερμοκρασία έφθασε C Συμπέρασμα: Άτομα Η που προέρχονται από την NH 3 απενεργοποιούν τους Αποδέκτες Mg

65 Nakamura 1994 High brightness blue LED a light source that uniformly radiates one candela in all directions has a total luminous flux of 1 cd 4π sr = 4π cd sr lumens

66 Ανάπτυξη των μπλε LEDs Η ανόπτηση ήταν ένας πρακτικός τρόπος επίτευξης GaN τύπου-p και σχηματισμού διόδων επαφής pn Πολύ σύντομα ο S. Nakamura δημοσιοποίησε τα πρώτα σημαντικά αποτελέσματα, δείχνοντας την επίτευξη LEDs με εκπομπή στην φασματική περιοχή του μπλε χρώματος, με πολύ υψηλή λαμπρότητα Η ετεροδομή των LED περιλάμβανε στρώματα GaN, AlGaN και InGaN, όπως φαίνεται στην επόμενη διαφάνεια. Τα ηλεκτρόνια και οι οπές επανασυνδέονταν, εκπέμποντας φωτόνια με ενέργεια στην περιοχή του μπλε, μέσα σε ένα λεπτό στρώμα InGaN που περιβάλλετο από δύο στρώματα AlGaN (διπλή ετεροπαφή InGaN/AlGaN) Ακολούθησαν LED πράσινου χρώματος με υψηλή λαμπρότητα, Δίοδοι Λέιζερ (LDs) στο μπλε-ιώδες και συνεχή βελτίωση των LED μπλεπράσινου και των LD μπλε-ιώδους

67 Nakamura 1994 High brightness blue LED LED διπλής ετεροεπαφής InGaN/AlGaN Εικόνα από Popular Science Background, Nobel Prize in Physics 2014, The Royal Swedish Academy of Sciences

68 Εκπομπή λευκού φωτός από LED Τα LED εκπέμπουν ακτινοβολία με ενέργεια φωτονίων περίπου ίση με το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού (hν Εg), επομένως δεν μπορούν να εκπέμψουν το ευρύ φάσμα του λευκού φωτούς Δύο δρόμοι υπάρχουν για την παραγωγή λευκού φωτός με LED : 1) Ανάμειξη ακτινοβολιών από LED διαφορετικών χρωμάτων, όπως τα βασικά κόκκινο, πράσινο και μπλε (RGB), που θα πρέπει να συναρμολογούνται μαζί πάνω στην ίδια βάση 2) Χρήση LED μπλε χρώματος και μετατροπή μέρους της ακτινοβολίας σε φωτόνια μικρότερης ενέργειας με κατάλληλους φωσφόρους, όπως οι φώσφοροι με ευρύ φάσμα εκπομπής στην περιοχή του κίτρινου Η 2 η μέθοδος έχει χρησιμοποιηθεί έως σήμερα στην παραγωγή λαμπών λευκού φωτός με LED. Η έρευνα προσπαθεί να βελτιώσει τους φωσφόρους και την τοποθέτηση τους στα packages των LED για μέγιστη απόδοση και σταθερότητα στο χρόνο.

69 Παράδειγμα μετατροπής με φωσφόρους Εικόνα από:

70 Εξέλιξη ενεργειακής απόδοσης των LEDs Εικόνα από Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2014, The Royal Swedish Academy of Sciences

71 Ενεργειακή απόδοση πηγών φωτός Από Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2014, The Royal Swedish Academy of Sciences

72 Επίλογος Οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται από την δυνατότητα ρύθμισης των ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους Οι επαφές pn είναι οι διατάξεις που επιτρέπουν τη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε ακτινοβολία Τεχνικές επιταξιακής ανάπτυξης χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη των σύγχρονων ημιαγωγικών υλικών που αποτελούνται από πολυστρωματικές δομές διαφορετικών υλικών (ετεροδομές) Η αντιμετώπιση προβλημάτων της ετεροεπιταξιακής ανάπτυξης GaN και η επίλυση του προβλήματος επίτευξης υλικού με αγωγιμότητα τύπου-p, επέτρεψε να κατασκευαστούν μπλε LED υψηλής λαμπρότητας, οδηγώντας στην απονομή του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής 2014 Με τη χρήση φωσφόρων που μετατρέπουν μέρος της μπλε ακτινοβολίας σε φωτόνια μικρότερης ενέργειας (μεγαλύτερα μήκη κύματος), έχουμε σήμερα τις «λάμπες» LED εκπομπής λευκού φωτός Οι λάμπες LED μειώνουν σημαντικά την καταναλισκόμενη ηλεκτρική ενέργεια για φωτισμό

73 Ερωτήσεις Ι Ποιοι είναι οι δύο τύποι αγωγιμότητας ενός ημιαγωγού, πως επιλέγονται και τι είδους φορείς ηλεκτρικού ρεύματος υπάρχουν σε κάθε περίπτωση ; Αναφέρατε τι είναι μια ημιαγωγική διάταξη που καλείται δίοδος επαφής pn. Τι λειτουργία προσφέρει στην εκπομπή ακτινοβολίας το γεγονός ότι ένα LED είναι δίοδος επαφής pn ; Εξηγείστε τη σχέση ενεργειακού χάσματος (Eg) του ημιαγωγού και ενέργειας φωτονίων που εκπέμπει ένα LED. Πόσα ev πρέπει να είναι το Eg για να εκπέμπεται ακτινοβολία μπλε χρώματος ; Υπάρχει ημιαγωγός που εκπέμπει λευκό φώς ; Αν όχι, εξηγείστε πως μετατρέπονται σε LED λευκού φωτός τα LED μπλε φωτός. Για ποια ανακάλυψη βραβεύθηκαν με Νόμπελ Φυσικής το 2014 οι I. Akasaki, H. Amano και S. Nakamura ; Τι είναι η επιταξιακή ανάπτυξη ; Αναφέρατε το είδος υποστρώματος κι ένα είδος επιταξιακού στρώματος που μελέτησαν οι τρείς βραβευθέντες με Νόμπελ Φυσικής το 2014.

74 Ερωτήσεις ΙΙ Τι ήταν η μέθοδος Low Energy Electron Beam Irradiation για την επίτευξη GaN τύπου-p και τον σχηματισμό των πρώτων επαφών pn και ποιοι την ανακάλυψαν ; Ποια πρακτική μέθοδος επίτευξης GaN τύπου-p ανακαλύφθηκε τελικά και από ποιόν ; Εξηγείστε τη φυσική αιτία που οι προσμίξεις Αποδεκτών Mg δεν έδιναν οπές στον κρύσταλλο GaN.