Πωςπροέκυψαν "λάµπες" φωτισµούαπό ηµιαγωγό" -ΝόµπελΦυσικής 2014"

Transcript

1 Πανεπιστήµιο Κρήτης, Τµήµα Φυσικής και ΙΗ Λ, ΙΤΕ Οµάδα Μικρο & Νανο Ηλεκτρονικής (ΟΜΝΗ) Ηράκλειο, Κρήτη Πωςπροέκυψαν "λάµπες" φωτισµούαπό ηµιαγωγό" -ΝόµπελΦυσικής 2014" Αλέξανδρος Γεωργακίλας ΘΕΜΑΤΑ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ 2 ΕΚΕΜΒΡΙΟΥ 2014, ΗΡΑΚΛΕΙΟ-ΚΡΗΤΗ

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥΣ ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΙΑΤΑΞΕΙΣ / Η ΕΠΑΦΗ pn ΕΠΙΤΑΞΙΑΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΙΙ-V / ΤΑ ΝΙΤΡΙ ΙΑ (ΙΙΙ-Ν) ΚΑΤΑΝΟΩΝΤΑΣ ΤΟ ΒΡΑΒΕΙΟ NOBEL ΦΥΣΙΚΗΣ 2014 Η ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΟΜΑ Α ΜΙΚΡΟ & NANO ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΚΡΗΤΗΣ ΚΑΙ ΙΤΕ

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥΣ ΚΑΙ ΤΙΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥΣ

4 TI EINAI OIΗΜΙΑΓΩΓΟI ; 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 γιαοπές Συνδυάζοντας υλικά µε διαφορετική αγωγιµότητα κατασκευάζουµε ηµιαγωγικές διατάξεις, τη βάση της ευφυΐας των ηλεκτρονικών

5 ΟΙ ΚΥΡΙΟΙ 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 καικράµατατους, όπως Hg x Cd 1-x Te

6 ΤΙΚΟΙΝΟΕΧΟΥΝ; 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

7 Η ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΟΜΗ Με στοιχειώδη µονάδα τον τετραεδρικό δεσµό, οι κρύσταλλοι των III-V ηµιαγωγών έχουν κυβική ή εξαγωνική δοµή Ga N οµήσφαλερίτη: GaAs, InP, InSb, CdTe, οµήαδάµαντα: Si, Ge, C(διαµάντι) οµή Βουρτζίτη: GaN, AlN, InN, ZnO,

8 OI ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΖΩΝΕΣ ΣΤΑ ΣΤΕΡΕΑ Οι διακριτές ενεργειακές στάθµες των ατόµων γίνονται ενεργειακές ζώνες στους κρυστάλλουςτωνστερεών. Οι εν. ζώνες αποτελούνται από ενεργειακές καταστάσεις 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 ΑπόΒ. G. Streetman, Solid State Electronic Devices, Prentice Hall

9 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) ΣεΤ=0ΚηΖΣείναιπλήρωςκατειληµµένηκαιηΖΑ εντελώςάδεια από ηλεκτρόνια Toενεργειακόχάσµα (Eg)στουςηµιαγωγούςείναιτάξης 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

10 ιάγραµµα Ενεργειακών Ζωνών Οι ενεργειακές καταστάσεις αντιστοιχούν σε ζεύγη τιµών Ε-k, όπου Ε η ενέργεια ηλεκτρονίου και k το κυµατάνυσµα (η ορµή ελεύθερου ηλεκτρονίου είναι p= hk ) Για την περιγραφή των µικροηλεκτρονικών διατάξεων συνήθως αρκεί να δειχθεί η µεταβολή της ενέργειας ηλεκτρονίων σε κάποια διεύθυνση Σε οποιαδήποτε διεύθυνση ενός οµοιογενή κρυστάλλου ηµιαγωγού το ιάγραµµα Ενεργειακών Ζωνών ( ΕΖ) σε ισορροπία θα είναι Ενέργεια ηλεκτρονίου ΖΑ Eg ΖΣ E C E V Κατεύθυνση x σε πιο σύντοµη απλοποιηµένη µορφή Eg E C E V

11 ΦορείςΗλεκτρικούΦορτίου /Ρεύµα Ηλεκτρόνια της ΖΑ ή ελεύθερα ηλεκτρόνια (e). Έχουν φορτίο q και ενεργόµάζα m n * Οπές (holes) τηςζσ (καταστάσειςµηκατειληµµένεςαπόηλεκτρόνιο). Έχουνφορτίο +qκαιενεργόµάζα m p * Σε ένα καθαρό κρύσταλλο ηµιαγωγού τα ελεύθερα ηλεκτρόνια (e) και οι οπές (h) δηµιουργούνται από θερµική γένεση ζευγών e-h Οισυγκεντρώσεις n (αριθµός eανά cm 3 ) και p (αριθµός hανά cm 3 ) είναι ίσεςκαιεξαρτώνταιαπότηνθερµοκρασία,δηλ. n = p = n i (T) ελεύθερα ηλεκτρόνια Eg E C E V οπές

12 ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΙΑ ΕΣΜΩΝ ΚΑΙ ΦΟΡΕΩΝ (ΕΝ ΟΓΕΝΗ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥ) H διάσπαση οµοιοπολικών δεσµών προσθέτει ζευγάρια ελεύθερων ηλεκτρονίων (e) και οπών (h) σε ένα ενδογενή (καθαρό) ηµιαγωγό Τ= 0 Κ Τ > 0 Κ ελεύθερα ηλεκτρόνια e h Eg E C E V οπές -

13 Οιπροσµίξειςεµπλουτισµού (doping) ΟΤΕΣ (Donors) Άτοµα µε 1 περισσότερο ηλεκτρόνιο σθένους από το άτοµο του ηµιαγωγού που αντικαθιστούν Ελευθερώνουνέναηλεκτρόνιο (e) στον κρύσταλλο του ηµιαγωγού (φορέας για ρεύµα) ΑΠΟ ΕΚΤΕΣ (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) +e Α - h Εάν N D = άτοµαδοτών/cm 3 n=n D, p=n i2 /N D Ηµιαγωγός ΤΥΠΟΥ-N Εάν N A = άτοµααποδεκτών/cm 3 p=n A, n=n i2 /N A Ηµιαγωγός ΤΥΠΟΥ-P

14 ΕΞΩΓΕΝΕΙΣ / Εµπλουτισµένοι Ηµιαγωγοί Τύπου-n είναι ο ηµιαγωγός που έχει προσµίξεις οτών, 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 οτών E A E V E V n > n i > p (περισσότερα e) Ηµιαγωγός ΤΥΠΟΥ-N οπές p > n i > n (περισσότερεςοπές) Ηµιαγωγός ΤΥΠΟΥ-P Οι εκάστοτε φορείς µειονότητας προέρχονται από θερµική γένεση

15 E C E V Ρεύµατα ολίσθησης / ειδική αντίσταση I J = = S Ε nqυ n + pqυ p υ = 1 = q( nµ n+ pµ p ) E = E= ρ n ( p) µ n( p) Ε e h e e e h 1 V ρ l 1/ ρ = q ( nµ n+ pµ p ) I E = h dv dx h υναµική Ενέργεια ηλεκτρονίου= q V - V q :φορτίοηλεκτρονίου, 1.6 x Cb n, p :συγκεντρώσειςηλεκτρονίων, οπών µ n,µ p :ευκινησίεςηλεκτρονίων, οπών (cm 2 /Vs) S :επιφάνειαδιατοµήςδείγµατος l :µήκοςδείγµατος V :εφαρµοζόµενηδιαφοράδυναµικού ρ = ειδική αντίσταση (Ω cm) +

16 ΚΑΤΑΝΟΜΗ Fermi-Dirac f 1 = / 1 ( E) ( ) + e 1 f ( E ) E E e F KT ( E) KT E F f(e) :Πιθανότηταναείναι κατειληµµένη από ένα ηλεκτρόνιο µία κατάσταση ενέργειας Ε, σε συνθήκες Θερµοδυναµικής Ισορροπίας (Θ.Ι.) 1-f(E) : Πιθανότητα να είναι κενή η κατάσταση οπή Ε F : στάθµη Fermi K = 8.62 x 10-5 ev/k (σταθερά Boltzmann) f ( E) e ( E E F )/ KT T = θερµοκρασίασε Kelvin (K)

17 ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΙΣ ΦΟΡΕΩΝ ΣΕ Θ.Ι. E C E F E n= άνω όριο Z. A. g c E c ( E) f( E) de E V Ενδογενής p = E E v g v κάτω όριο Ζ. Σ. ( E) [ 1 f( E) ] de E C E F E V Τύπου-n Οι συγκεντρώσεις των ηλεκτρονίων n και των οπών p είναι ανάλογες της θέσης της στάθµης-fermi E F µέσα στο ενεργειακό χάσµα του ηµιαγωγού E C E F E V Τύπου-p g(e).f(e) g(e).[1-f(e)] Οι συγκεντρώσεις των ηλεκτρονίων n και των οπών p πέφτουν εκθετικά καθώς αποµακρυνόµαστε από την άκρη των ζωνών Ε ΚΤ ~ e

18 .Ε.Ζ. ηµιαγωγών διαφορετικού τύπου ιαγράµµατα Ενεργειακών Ζωνών (.Ε.Ζ.) σε Θ.Ι. Ηµιαγωγός τύπου-p Ηµιαγωγός τύπου-n E C E C E F E i E V E i E F E V Σεµη-εκφυλισµένουςηµιαγωγούς,ηστάθµη Fermi (E F ) ευρίσκεται Σετύπου-Ν: στοπάνωµισότουενεργειακούχάσµατος (µεταξύ E C και E i ) Σετύπου-P: στοκάτωµισότουενεργειακούχάσµατος (µεταξύ E i και E V )

19 ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΙΑΤΑΞΕΙΣ ΕΠΑΦΗ pn

20 . Ε. Ζωνώνµιας ιάταξηςσεθ.ι. Στην περίπτωση µιας ηµιαγωγικής διάταξης έχουµε µεταβολή των συγκεντρώσεων προσµίξεων του ηµιαγωγού ή και του είδους υλικού σε κάποια διεύθυνση (π.χ. επαφή µετάλλου / ηµιαγωγού) Όταν η ηµιαγωγική διάταξη είναι σε Θερµοδυναµική Ισορροπία (Θ.Ι.) η στάθµη Fermi θα είναι αµετάβλητη µε την θέση Ο σχεδιασµός του ιαγράµµατος Ενεργειακών Ζωνών (.Ε.Ζ.) της ηµιαγωγικής διάταξης κατά την κατεύθυνση x, δίνει σηµαντική πληροφορία για την φυσική λειτουργία της: - Ύπαρξη ηλεκτρικού πεδίου - Ύπαρξη φορτίων - Μεταβολή του ηλεκτρικού δυναµικού - Μεταβολή της ενέργειας των φορέων

21 Σχηµατισµόςεπαφής pn ΤΥΠΟΥ-P p >> n ΤΥΠΟΥ-Ν n >> p.ε.ζ. σε Θ.Ι. της επαφής pn h e E C E i E F E V Ταπολλάηλεκτρόνιατηςπλευράς-n έχουν να ξεπεράσουν ένα ενεργειακό «εµπόδιο» (φραγµό δυναµικού) για να µετακινηθούν προς την πλευρά-p. Αντίστοιχα ισχύουν για µετακίνηση των πολλών οπών της πλευράς-p προς την πλευρά-n.

22 Η επαφή pn σε Θερµοδυναµική Ισορροπία Για κάθε είδος φορέων: Tα ρεύµατα διάχυσης φορέων πλειονότητας προς τηναπέναντιπλευρά, αντισταθµίζονται από αντίθετα ρεύµατα ολίσθησης φορέων µειονότητας J N diffusion + J N drift = 0 J P diffusion + J P drift = 0 Από G. W. Neudeck, The PN Junction Diode, Addison-Wesley Ηεφαρµογήτάσης V A αυξάνει ή µειώνει εκθετικά τις συνιστώσες ρευµάτων διάχυσης

23 Ηεπαφή pnσεορθή πόλωση (V A >0) Μεγάλο ρεύµα ορθής πόλωσης (V A > 0) ~ qv A kt e V Α > 0µειώνει qv A τονφραγµό δυναµικού για διάχυση των φορέων πλειονότητας προς την απέναντι πλευρά εκθετική αύξησηρεύµατοςµε V A Από G. W. Neudeck, The PN Junction Diode, Addison-Wesley

24 Ανάστροφη πόλωση (V A <0) της pn Μικρό ρεύµα ανάστροφης πόλωσης (V A < 0) Από G. W. Neudeck, The PN Junction Diode, Addison-Wesley V Α < 0 αυξάνει qv A τονφραγµό δυναµικού για διάχυση των φορέων πλειονότητας προς την απέναντι πλευρά αποµένειτοανάστροφο (-Ι 0 ) ρεύµα ολίσθησης φορέων µειονότητας

25 Το κύκλωµα ρεύµατος στη δίοδο επαφής pn Από G. W. Neudeck, The PN Junction Diode, Addison-Wesley

26 Εκποµπήφωτόςαπόηµιαγωγούς Φωτόνια ενέργειας hν ν Eg εκπέµπονται από επανασυνδέσεις ηλεκτρονίωντηςζακαιοπώντηςζσ ελεύθερα ηλεκτρόνια hν ν Eg Eg οπές Ηεφαρµογήτάσηςορθήςπόλωσης (V A > 0)στηνεπαφή pnείναιοηλεκτρικός τρόπος (ηλεκτρική ένεση) για να παρέχονται ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές, σε LED και διόδους LASER e E C E V E Fp hν ν Eg qv A E C E Fn h E V

27 Οισύγχρονοι ίοδοιλέιζερ Οι δίοδοι λέιζερ είναι ειδικά κατασκευασµένες δίοδοι επαφών pn Με στρώµατα µεγαλύτερου ενεργειακού χάσµατος (µικρότερου δείκτη διάθλασης),π.χ. AlGaAs, σχηµατίζεταιέναςκυµατοδηγός 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 εξέρχεται η δέσµη του λέιζερ p+ p AlGaAs QWs n AlGaAs Υπόστρωµα n + GaAs Power (mw) QW AlGaAs/GaAs LDs 170 µm 220 µm 300 µm 340 µm 480 µm 1065 µm Current Density (KA/cm 2 )

28 Γιατί οι ηµιαγωγοί III-V εκπέµπουν «φως» Εκπέµπουν «φως» λόγω άµεσου ενεργειακού χάσµατος Ge Si GaAs Figure after Chelikowsky and Cohen, ref. 17 in Physics of Semiconductor devices, S. M. Sze, John Wiley & Sons, 1981

29 ίοδοιεκποµπήςφωτός LED : Light Emitting Diode LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

30 ΕΠΙΤΑΞΙΑΚΗΑΝΑΠΤΥΞΗ

31 Ηµιαγωγικέςετεροδοµές-νανοδοµές Τα σύγχρονα υλικά αποτελούνται από πολυστρωµατικές δοµές που συνδυάζουν διαφορετικούς ηµιαγωγούς, σε επαφή µεταξύ τους Αναπτύσσονται µε τεχνικές επιταξιακής ανάπτυξης (επίταξης), όπως οι Επίταξη µε Μοριακές έσµες (MBE) Εναπόθεση από Χηµικούς Ατµούς µε Μεταλλοργανικά Αέρια (MOCVDήMOVPE)

32 ΕΠΙΤΑΞΙΑΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ Επίταξη: Αναπτύσσονται κρυσταλλικά στρώµατα πάνω σε κρυσταλλικό υπόστρωµα Η Επίταξη µε Μοριακές έσµες (ΜΒΕ) επιτρέπει την ελεγχόµενη εναπόθεση κλάσµατος ενός ατοµικού επιπέδου Επιταξιακά στρώµατα GaNτύπου-n Υπόστρωµα AlN Ga Al N Si

33 ΕπίταξηµεΜοριακές έσµες (ΜΒΕ)

34 Κρύσταλλοι και δισκία-υποστρώµατα Τµήµατα Κρυστάλλων (ingots) ισκία (wafers) -υποστρώµατα Ηµιαγωγών Αρχικά δισκία ηµιαγωγών ισκίο µετά την κατασκευή διατάξεων ή κυκλωµάτων Από µεγάλους κρυστάλλους µε κυλινδρικό σχήµα κόβονται τα δισκία (wafers) που είναι τα υποστρώµατα της επιταξιακής ανάπτυξης. Στην επιφάνεια τους κατασκευάζονται οι ηµιαγωγικές διατάξεις ή τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα.

35 ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΥΝΑΜΙΚΟΥ 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

36 Σχεδιασµός ηλεκτρικών-οπτικών ιδιοτήτων Οι ηµιαγωγικές ετεροδοµές παρουσιάζουν νέες ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες σε σχέση µε τους ηµιαγωγούς που τις αποτελούν Παράδειγµα: σε δοµές κβαντικών πηγαδιών (QW) GaAs/AlGaAs, οι επανασυνδέσεις ηλεκτρονίων-οπών γίνονται στα λεπτά στρώµατα GaAs κι όχι τα παχύτερα στρώµατα AlGaAs. Επιπλέον, η ενέργεια των φωτονίων εξαρτάται από το πάχος των στρωµάτων GaAs (πλάτος του QW) 100Å 70Å 30Å eV AlGaAs GaAs 'Ενταση PL (a.u.) eV eV 2 1 Eνέργεια (ev) Οιεπανασυνδέσειςσεκρύσταλλο GaAsδίνουνφωτόνια hν E g =1.42 ev

37 ΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ III-ΝΙΤΡΙ ΙΑ

38 ΟιηµιαγωγοίΙΙΙ-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

39 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, πάνωαπό 600 C (µεγάλο Εg) Πυροηλεκτρικές και πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Ισχυρή αντίσταση στη χηµική διάβρωση Βιοσυµβατότητα Επιτρέπουν µοναδικές εφαρµογέςηλεκτρονικής, οπτοηλεκτρονικής και αισθητήρων Συµβατικοί III-V

40 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".

41 Amano & Akasaki 1986 LT AlN buffer

42 Amano & Akasaki 1986 AlN buffer

43 Amano, Akasaki Growth mechanism with AlN buffer

44 Amano, Akasaki Growth mechanism with AlN buffer 50nm AlN buffer layer growth at 600 C, then GaN growth at 1030 C

45 Nakamura 1991 GaN LT buffer

46 Nakamura 1991 two flow MOCVD

47 Nakamura 1991 LT GaN buffer Επίτευξη συµπαγών λεπτών υµενίων (film) GaN µε οµαλή επιφάνεια καιβελτιωµένεςηλεκτρικέςιδιότητες (αύξησηµ n, µείωση n)

48 Amano, Akasaki 1989 LEEBI Mg P-type

49 Amano, Akasaki 1989 LEEBI p-type

50 Amano, Akasaki 1989 First pn LED

51 Nakamura 1991 Mg activation

52 Nakamura 1991 Mg activation

53 Nakamura 1992 Mg doping explanation

54 Nakamura 1992 Mg doping explanation

55 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

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

57 White LEDs using phosphors / example

58 Phosphors for white LEDs

59 Phosphor converted LED

60 Evolution of commercial LEDs Εικόνααπό Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2014, The Royal Swedish Academy of Sciences

61 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΑΠΟ ΟΣΗ Εικόνααπό Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2014, The Royal Swedish Academy of Sciences

62 ΑΝΑΛΥΟΝΤΑΣΜΙΑΛΑΜΠΑ LED Ανάλυση λάµπας LED στο εργαστήριο µικροηλεκτρονικής από φοιτητές του µαθήµατος «Εισαγωγή στη Φυσική Ηµιαγωγικών ιατάξεων» το ακαδηµαϊκό έτος

63 ΦωτισµόςΣτερεάςΚατάστασης Emission λ(nm) Λευκή λάµπα LED που µελετήθηκε από φοιτητές του µαθήµατος «Εισαγωγή στη Φυσική Ηµιαγωγικών ιατάξεων» το

64 Ηλευκήλάµπα LED

65 1 πλακίδιο = 2 ψηφίδες LED Επαφές ψηφίδας

66 Αντίσταση ασφαλείας Κύκλωµα διπλής όψεως

67 ΕΡΕΥΝΑ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ ΣΤΗΝ ΚΡΗΤΗ ΟΜΑ ΑΜΙΚΡΟ & NANO ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ (OMNH)

68 ΟΜΑ ΑΜΙΚΡΟ & NANO ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ (OMNH) Ένα εργαστήριο στο Τµήµα Φυσικής ΠΚ Τµήµα Φυσικής Τοµέας Εφαρµοσµένης Φυσικής Α. Γεωργακίλας Ζ. Χατζόπουλος Ε. Ηλιόπουλος ~ 40 µέλη συνολικά MRG ΠΜΣ Μικροηλεκτρονικής Οπτοηλεκτρονικής ΙΤΕ Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής οµής και Λέιζερ Κ. Ζεκεντές Γ. Κωνσταντινίδης Η. Απεραθίτης ΠΚ Τµήµα Επιστήµης και Τεχνολογίας Υλικών Ν. Πελεκάνος Π. Σαββίδης

69 Microelectronics Research Group (MRG) III-V GaAs GaN Molecular Beam Epitaxy 200m 2 class-1000 Clean Rooms SiC Device Processing RIE PECVD DUV lithography E-beam lithography E-beam Evaporator Material Characterization AFM HR-XRD PL, µ-pl, ultrafast, etc. DLTS Hall FE-SEM Device Characterization I-V, C-V L-I RF ~20GHz

70 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 των προβληµάτων της ετεροεπιταξιακής ανάπτυξης GaN και η επίλυση του προβλήµατος δηµιουργίας υλικού τύπου-p, επέτρεψε να κατασκευαστούν µπλέ LED υψηλής λαµπρότητας, οδηγώντας στην απονοµή του Βραβείου Νόµπελ Φυσικής 2014 Με τη χρήση φοσφόρων που µετατρέπουν µέρος της µπλε ακτινοβολίας σε µεγαλύτερα µήκη κύµατος, έχουµε τις «λάµπες» LED εκποµπής λευκού φωτός

71 ΕρωτήσειςΙ Τι γνωρίζετε για την αγωγιµότητα των ηµιαγωγών και τις διαφορές της από τα µέταλλα και τους µονωτές ; Όλαταδείγµατατουηµιαγωγού Si θαέχουντηνίδιαειδικήαντίσταση;ανόχι, από τι καθορίζεται και σε ποια περιοχή τιµών µπορεί να κυµαίνεται. Τι λέµε τύπου-p και τύπου-n ηµιαγωγό και πως επιτυγχάνονται; Τι είναι η ηµιαγωγική διάταξη που καλείται επαφή pn ; Τι πολικότητα τάσης µεταξύ της πλευράς-p και της πλευράς-n πρέπει να εφαρµοσθεί για να περάσει µεγάλο ρεύµα µέσω της επαφής pn ; Εξηγείστε την σχέση ενεργειακού χάσµατος και ενέργειας φωτονίων που εκπέµπει ένα LED. Πόσα ev πρέπει να είναι το Eg για να εκπέµπεται ακτινοβολία µπλε χρώµατος ; Εξηγείστε γιατί ένα LED είναι επαφή pn. Υπάρχει ηµιαγωγός που εκπέµπει λευκό φώς ; Αν όχι, εξηγείστε πως κατασκευάζονται τα LED λευκού φωτός ;

72 ΕρωτήσειςΙΙ Ποιοί είναι οι ηµιαγωγοί ΙΙΙ-Νιτρίδια ; Σε τι διαφέρουν ως προς τους άλλους III- V ηµιαγωγούς (ενώσεις As, P, Sb) όσον αφορά τις τιµές ενεργειακού χάσµατος ; Σε ποιούς επιστήµονες απονεµήθηκε το βραβείο Νόµπελ Φυσικής το 2014 και για ποιοθέµα ; Τι είναι η επιταξιακή ανάπτυξη ; Εξηγείστε αν τα ηµιαγωγικά υλικά των βραβευθέντων αναπτύχθηκαν µε επιταξιακή ανάπτυξη, αναφέροντας το είδος υποστρώµατος και την επιταξιακή τεχνική. Με ποιούς τρόπους βελτίωσαν την κρυσταλλική ποιότητα των επιταξιακών στρωµάτων GaN οι βραβευθέντες ; 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 Mg δεν έδιναν οπές στον κρύσταλλο GaN.