Πανεπιστήμιο Κρήτης, Τμήμα Φυσικής και ΙΗΔΛ, ΙΤΕ Ομάδα Μικρο & Νανο Ηλεκτρονικής (ΟΜΝΗ) Ηράκλειο, Κρήτη Ημιαγωγοί: Το υλικό των «ηλεκτρονικών» που πλέον φωτίζει τις νύχτες μας Αλέξανδρος Γεωργακίλας ΘΕΜΑΤΑ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ 20 ΝΟΕΜΒΡΙΟΥ 2018, ΗΡΑΚΛΕΙΟ-ΚΡΗΤΗ
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Ερευνητική Ομάδα ΜΙΚΡΟ & NANO ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Αναλύοντας μια Λάμπα LED ΤΟ ΒΡΑΒΕΙΟ NOBEL ΦΥΣΙΚΗΣ 2014 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥΣ ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ / Η ΕΠΑΦΗ pn Κατανόηση του βραβείου Νόμπελ ΕΠΙΤΑΞΙΑΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ με ΜΟΡΙΑΚΕΣ ΔΕΣΜΕΣ (ΜΒΕ) Δική μας έρευνα στους ημιαγωγούς ΙΙΙ-ΝΙΤΡΙΔΙΑ (ΙΙΙ-Ν)
ΟΜΑΔΑ ΜΙΚΡΟ & NANO ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ (OMNH) Εργαστήριο στον 1 ο όροφο, Τμήμα Φυσικής ΠΚ Τμήμα Φυσικής Τομέας Εφαρμοσμένης Φυσικής Α. Γεωργακίλας Ε. Ηλιόπουλος Ζ. Χατζόπουλος ~ 40 μέλη συνολικά MRG ΠΜΣ Φωτονικής και Νανοηλεκτρονικής ΙΤΕ Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ Η. Απεραθίτης Γ. Δεληγεώργης Κ. Ζεκεντές Γ. Κωνσταντινίδης ΠΚ Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών Ν. Πελεκάνος Π. Σαββίδης
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
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 2011-2012 Χ. Μουρίκης, Κ. Φιλιππάκης, Β. Τσαφάς, Μ. Βασιλείου, Κ. Παλτόγλου και Α. Παπαδογιάννη
Φωτισμός Στερεάς Κατάστασης Φάσμα εκπομπής της λάμπας 5000 4000 Emission 3000 2000 1000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 (nm) 8 πλακίδια συναρμολογημένων (packaged) ψηφίδων (chips) LED με επικάλυψη από κίτρινους φωσφόρους LED: Light Emitting Diode /Δίοδος Εκπομπής Φωτός
Τμήματα λάμπας LED λευκού φωτός
Εκπομπή φωτός από ημιαγωγό κάθε πλακίδιο έχει 2 ψηφίδες LED ημιαγωγού GaN/InGaN Επαφές ψηφίδας
Αντίσταση ασφαλείας Κύκλωμα διπλής όψεως
Γιατί Λευκό Φως από Λάμπες LED From Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2014, The Royal Swedish Academy of Sciences
NOBEL ΦΥΣΙΚΗΣ 2014 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/ 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".
ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥΣ ΚΑΙ ΤΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥΣ
TI EINAI OI ΗΜΙΑΓΩΓΟI ; Μέταλλα Ημιαγωγοί Μονωτές ρ (Ω.cm) : ~10-6 10-4 10 4 10 9 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
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 και κράματα τους, όπως Hg x Cd 1-x Te
ΤΙ ΚΟΙΝΟ ΕΧΟΥΝ; Στον κρύσταλλο του ημιαγωγού Si, Ge και C δομής αδάμαντος, 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 τετραεδρικός δεσμός 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 Τα 2e ανά δεσμό προέρχονται από τα 3/5 ή 2/6 ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων Οι δεσμοί έχουν εν μέρει ιοντικό χαρακτήρα
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,
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
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 10-19 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
Ενέργεια ηλεκτρονίου Διάγραμμα Ενεργειακών Ζωνών Οι καταστάσεις των ηλεκτρονίων αντιστοιχούν σε ζεύγη τιμών Ε-k, όπου Ε η ενέργεια ηλεκτρονίου και k το κυματάνυσμα (η ορμή ελεύθερου ηλεκτρονίου είναι p k ) 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 Διάγραμμα Ενεργειακών Ζωνών (ΔΕΖ) σε ισορροπία θα είναι ΖΑ Eg ΖΣ E C E V σε πιο σύντομη απλοποιημένη μορφή Eg E C E V Κατεύθυνση x
Φορείς ρεύματος σε Ενδογενή Ημιαγωγό Θερμική γένεση ζευγών ελεύθερου ηλεκτρονίου (e) και οπής (h) από διασπάσεις ομοιοπολικών δεσμών / μεταβάσεις e από καταστάσεις της Ζ.Σ. σε καταστάσεις της Ζ.Α. Τ= 0 Κ Τ > 0 Κ ελεύθερα ηλεκτρόνια e h Eg E C E V οπές Ηλεκτρόνια σε καταστάσεις της ΖΑ Ελεύθερα e. Έχουν φορτίο q e και ενεργό μάζα m n * Καταστάσεις της Ζ.Σ. μη κατειλημμένες από ηλεκτρόνιο Οπές. Έχουν φορτίο +q e και ενεργό μάζα m p *
Συγκεντρώσεις φορέων σε ενδογενή ημιαγωγό Συγκέντρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων: n (αριθμός e ανά cm 3 ) Συγκέντρωση οπών: p (αριθμός h ανά cm 3 ) Σε ενδογενή (καθαρό) ημιαγωγό n = p = n i (T) δημιουργούνται ζεύγη e-h ελεύθερα ηλεκτρόνια Eg E C οπές Για τον ημιαγωγό Si Συγκέντρωση ατόμων Si στον κρύσταλλο Si: N Si 5 x 10 22 cm -3 Σε 300Κ n i 10 10 cm -3 1 ανά 10 13 δεσμούς θα έχει διασπαστεί 1 διασπασμένος ανά 10 δεσμούς σε λειωμένο Si E V
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
E C E V Ρεύματα ολίσθησης / ειδική αντίσταση e J Ε I S nq e n pq p 1 q( n n p p ) E E n( p) n( p )Ε h e e h 1 V l 1/ q( n n p p) I E h dv dx h Δυναμική Ενέργεια ηλεκτρονίου q V - V q : φορτίο ηλεκτρονίου, 1.6 x 10-19 Cb n, p : συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων, οπών n, p : ευκινησίες ηλεκτρονίων, οπών (cm 2 /Vs) S : επιφάνεια διατομής δείγματος l : μήκος δείγματος V : εφαρμοζόμενη διαφορά δυναμικού ρ = ειδική αντίσταση ( cm) +
ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΕΠΑΦΗ pn
Σχηματισμός επαφής pn ΤΥΠΟΥ-P p n ΤΥΠΟΥ-Ν n p Δ.Ε.Ζ. σε Θ.Ι. της επαφής pn h e E C E i E F E V Τα πολλά ηλεκτρόνια της πλευράς-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.
Η επαφή pn είναι Δίοδος Ι ΤΥΠΟΥ-P ΤΥΠΟΥ-Ν p n n p +V A Μεγάλο ρεύμα ορθής πόλωσης (V A 0) I qv A kt I0 ( e 1) Μικρό ρεύμα κόρου ανάστροφης πόλωσης (V A < 0) Ορθή Πόλωση: V Α 0 μειώνει κατά qv A τον φραγμό δυναμικού για διάχυση των φορέων πλειονότητας προς την απέναντι πλευρά εκθετική αύξηση ρεύματος με V A Ανάστροφη Πόλωση: V Α < 0 αυξάνει κατά qv A τον φραγμό δυναμικού για διάχυση των φορέων πλειονότητας προς την απέναντι πλευρά μικρό ανάστροφο ρεύμα Ι 0
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 επαφή pn είναι ο ηλεκτρικός τρόπος (ηλεκτρική ένεση) για να παρέχονται ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές, σε LED και διόδους LASER e E C E V E Fp h Eg qv A E C E Fn h E V
Δίοδοι εκπομπής φωτός LED : Light Emitting Diode LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser Diode (LD)
Οι σύγχρονοι Δίοδοι Λέιζερ Οι δίοδοι λέιζερ είναι ειδικά κατασκευασμένες δίοδοι επαφών pn Με στρώματα μεγαλύτερου ενεργειακού χάσματος (μικρότερου δείκτη διάθλασης), π.χ. AlGaAs, σχηματίζεται ένας κυματοδηγός 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) 250 200 150 100 50 2QW AlGaAs/GaAs LDs 170 m 220 m 300 m 340 m 480 m 1065 m 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Current Density (KA/cm 2 )
ΚΑΤΑΝΟΗΣΗ ΤΟΥ ΒΡΑΒΕΙΟΥ ΝΟΜΠΕΛ Επίτευξη τύπου-p GaN
Amano, Akasaki 1989 Τύπου-p GaN με εμπλουτισμό Mg και LEEBI
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
Amano, Akasaki 1989 Πρώτο pn LED
Nakamura 1991 Ενεργοποίηση Mg με Θερμική Ανόπτηση
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
Nakamura 1992 Εξήγηση εμπλουτισμού με Mg 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 600-700 C Συμπέρασμα: Άτομα Η που προέρχονται από την NH 3 απενεργοποιούν τους Αποδέκτες Mg
Nakamura 1994 Μπλέ LED υψηλής φωτεινότητας LED διπλής ετεροεπαφής InGaN/AlGaN Εικόνα από Popular Science Background, Nobel Prize in Physics 2014, The Royal Swedish Academy of Sciences
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.
Παράδειγμα μετατροπής με φωσφόρους Εικόνα από:
Επίταξη με Μοριακές Δέσμες Molecular Beam Epitaxy (ΜΒΕ)
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
Επίταξη με Μοριακές Δέσμες (ΜΒΕ)
ΕΠΙΤΑΞΙΑΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ Η Επίταξη με Μοριακές Δέσμες (ΜΒΕ) επιτρέπει την ελεγχόμενη εναπόθεση έως και κλάσματος ενός ατομικού επιπέδου Επιταξιακά στρώματα GaN τύπου-n Υπόστρωμα AlN Ga Al N Si
Κρύσταλλοι και δισκία-υποστρώματα Τμήματα Κρυστάλλων (ingots) Δισκία (wafers) - υποστρώματα Ημιαγωγών Αρχικά δισκία ημιαγωγών Δισκίο 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.
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
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 12 1.67eV AlGaAs 1 2 3 GaAs 'Ενταση PL (a.u.) 8 4 1.63eV 3 1.59eV 2 1 Eνέργεια (ev) Οι επανασυνδέσεις σε κρύσταλλο GaAs δίνουν φωτόνια h E g =1.42 ev
Έρευνα σε ημιαγωγούς ΙΙΙ-Νιτρίδια
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
Why AlN barrier GaN ΗΕΜΤ P SP P SP P PZ AlN + + + + + + + + + e e e e e e e e e e e +σ 2DEG GaN Strained AlN provides maximum = P at the heterojunction and largest E C 2DEG N S up to 6 x 10 13 cm -2 Very thin AlN ultra-shallow 2DEG channel short channel transistors Ga-face polarity [0001] A. Adikimenakis et al at MNE 2008; Microel. Eng. 86, 1071 (2009)
AlN/GaN/AlN double heterostructure Realization by growth on AlN buffer or substrate Formation of back-barrier. Bottom interface with negative polarization charge Increased variability of 2DEG density and V th Improved 2DEG channel confinement, reduction of buffer leakage, increased buffer breakdown strength
Metal-face (0001) GaN heterostructures on polycrystalline diamond XRD (0001) orientation GaN grains KOH etching Ga-face polarity GaN Intensity (cps) 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 Al holder GaN(0002) C(111) Al holder GaN(0004) C(220) Al holder C(311) Al holder 40 60 80 100 120 2theta (deg) A. Georgakilas, K. Aretouli, K. Tsagaraki, Patent PCT/EP2013/058560 GaN(0006) I DS (ma/mm) AlN/GaN HEMT: Max Gm: 85 ms/mm V th = -1.8 V Leakage I G < 100 μa/mm 400 V GS =4V step=1v 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 V DS (Volt) 1 nm GaN 4 nm AlN 1 μm GaN AlN nucleation Poly-Diamond
Demonstration of InN-on-GaN MIS-HFET 10 nm SiNx Insulating SiNx layers Full Ns modulation in 2nm InN channel Transistor performance limited by low mobility, high sheet resistance and V ds 2.5-3 V due to early channel breakdown
Measurement of InN drift velocity Sample: 500nm InN film, Processed devices: 2-terminal resistors with different L, drift velocity determined as v d =I/(qN d hw), h = 500 nm, L=4-16 mm Linear I-V up-to E knee ~20 kv/cm Evolves with time and break-down at E > 20kV/cm, 100 A/mm Very promising v d > 2.5 x 10 7 cm/s, approx. 2 x times higher than GaN. Still, no saturation reached! Interband emission started at 8 kv/cm Threading dislocation density should be decreased
GaN Nanowires Bottom-up: Spontaneous and selective growth by (PAMBE) under N-rich conditions on bare & patterned Si (111) substrates S. Eftychis et al, J. Cryst. Growth. 442, 8 (2016) J. E. Kruse et al, J. Appl. Phys. 119, 224305 (2016) Top-down: Formation by RIE and wet etching of GaN films G. Doundoulakis et al, in EUROMAT 2017
Characterization of spontaneous NWs I-V measurements on each NW for different contact distances: 120, 420, 720, 1020, 1320 & 1620 nm Determination of apparent NW resistivity according to Fermi level pining at lateral sides band bending full NW depletion up to D crit Conduction in D eff = D NW D crit D crit =80 nm ρ NW = 0.04-0.08 Ωcm, estimated N D 5x10 17 cm -3 NW Diameter = 95 nm
Fabrication of vertical GaN NW FETs Several NWs connected in parallel under the same drain contact Lg = 300nm Cr Schottky barrier Gate contact Si 3 N 4 coated Gate metal Bare GaN for Drain contact metallization
Acknowledged research projects Current research is supported partially through projects of IESL: (a) European Research Infrastructure NFFA-Europe (grant n. 654360), (b) Hellenic Rsearch Infrastructure INNOVATION-EL (MIS 5002772) and (c) AENAO (MIS 5002556) and the Greece-Germany collaboration project IKYDA ULTIMAT. GaN nanowire research has been initiated in NanoWIRE project MIS 377284 of the ESPA Thalis Program (2012-2015) AlN barrier and InN channel HEMT research has been supported by the NITROHEMT project 1935 of the ESPA ARISTEIA program (2012-2015) GaN-on-diamond work was carried out in the project MORGaN, NMP Large scale integrating project, Grant agreement no: 214610 (2008 2011) AlN/GaN HEMT research started in project ULTRAGAN, IST STREP Contract no. FP6-006903 (2005-2008)
Σύνοψη Ι Λάμπες LED γενικού φωτισμού για περιορισμένη κατανάλωση ενέργειας Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2014 στους εφευρέτες των μπλε LED, από τα οποία παράγονται οι λάμπες LED λευκού φωτός Οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται από την δυνατότητα ρύθμισης των ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους, μέσω εμπλουτισμού με άτομα προσμίξεων Σε ενδογενή (καθαρό) ημιαγωγό οι συγκεντρώσεις ελεύθερων ηλεκτρονίων (n) και οπών (p) είναι ίσες και εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, δηλαδή n=p=n i (Τ) Οι προσμίξεις εμπλουτισμού είναι άτομα με 1 επιπλέον (Δότες) ή 1 λιγότερο (Αποδέκτες) ηλεκτρόνιο σθένους συγκριτικά με το άτομο του ημιαγωγού που αντικαθιστούν Οι προσμίξεις Δοτών αυξάνουν την συγκέντρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων n>>p και ο ημιαγωγός έχει αγωγιμότητα τύπου-n Οι προσμίξεις Αποδεκτών αυξάνουν την συγκέντρωση οπών p>>n και ο ημιαγωγός έχει αγωγιμότητα τύπου-p
Σύνοψη ΙΙ Επαφές pn είναι οι διατάξεις που επιτρέπουν τη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε οπτική ακτινοβολία Τα LED και οι Δίοδοι Λέιζερ είναι επαφές pn Οι εφευρέτες των μπλε LED έλυσαν το πρόβλημα επίτευξης GaN τύπουp, αντιμετωπίζοντας την απενεργοποίηση των αποδεκτών Mg από προσδεδεμένα άτομα H Με τη χρήση φωσφόρων που μετατρέπουν μέρος της μπλε ακτινοβολίας σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, έχουμε τις «λάμπες» LED εκπομπής λευκού φωτός Τεχνικές επιταξιακής ανάπτυξης χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη των σύγχρονων ημιαγωγικών υλικών που αποτελούνται από πολυστρωματικές δομές διαφορετικών υλικών (ετεροδομές) Συμμετέχουμε στην έρευνα της Επίταξης με Μοριακές Δέσμες (ΜΒΕ) για την ανάπτυξη υλικών και διατάξεων νανοηλεκτρονικής (ΗΕΜΤ και νανονήματα) των ημιαγωγών ΙΙΙ-Νιτριδίων
Ερωτήσεις Ι Ποια είναι τα δύο είδη φορέων ηλεκτρικού φορτίου για διέλευση ρεύματος στους ημιαγωγούς; Αναφέρατε τη βασική διαφορά τους. Σε ένα καθαρό ημιαγωγό είναι μεγαλύτερη η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων ή των οπών ; Ποιος ημιαγωγός αποκαλείται τύπου-n και ποιος τύπου-p ; Τι είδος προσμίξεων εμπλουτισμού δίνουν ημιαγωγό τύπου-n και τι είδος προσμίξεων εμπλουτισμού δίνουν ημιαγωγό τύπου-p ; Τι είδος πρόσμιξης θα είναι τα άτομα Si (4e σθένους) που καταλαμβάνουν θέσεις ατόμων Ga στον κρύσταλλο GaN και τι θα ίσχυε αν καταλάμβαναν θέσεις Ν; Πως εκπέμπονται φωτόνια στους ημιαγωγούς και από τι εξαρτάται η ενέργεια τους ; Πως μια επαφή pn μετατρέπει το διερχόμενο ρεύμα σε εκπομπή φωτονίων ; Για να εκπέμπει φως ένα pn LED πρέπει να εφαρμοσθεί συνεχής τάση με συγκεκριμένη πολικότητα μεταξύ των δύο πλευρών (p και n); Αν ναι, σε ποια πλευρά θα εφαρμόζεται υψηλότερο το δυναμικό ;
Ερωτήσεις ΙΙ Σε ποια περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος θα εκπέμπει ακτινοβολία ένα LED ημιαγωγού με ενεργειακό χάσμα 5 ev; Υπάρχει ημιαγωγός που εκπέμπει λευκό φώς ; Εξηγείστε πως μετατρέπονται σε πηγές λευκού φωτός τα LED μπλε φωτός. Για ποια ανακάλυψη βραβεύθηκαν με Νόμπελ Φυσικής το 2014 οι I. Akasaki, H. Amano και S. Nakamura ; Τι ήταν η μέθοδος Low Energy Electron Beam Irradiation για την επίτευξη GaN τύπου-p με προσμίξεις Mg και τον σχηματισμό των πρώτων επαφών pn ; Με ποιά μέθοδο ο S. Nakamura αντιμετώπισε αποτελεσματικά το πρόβλημα επίτευξης GaN τύπου-p με προσμίξεις Mg; Εξηγείστε τη φυσική αιτία που οι προσμίξεις Αποδεκτών Mg δεν έδιναν οπές στον κρύσταλλο GaN. Τι είναι και σε τι χρησιμεύει η επιταξιακή ανάπτυξη ; Τι είναι τα νανονήματα ημιαγωγών και σε ποιό είδος διατάξεων νανοηλεκτρονικής υπάρχει ενδιαφέρον για χρήση τους ;