14. Ders. Yarıiletkenler Yapılar

Transkript

1 14. Ders Yarıiletkenler Yapılar c c f v v 1

2 Bu bölümü bitirdiğinizde, Pn eklemlerinin yapısı, Pn eklemlerin VI eğrileri, Homo ve heteroyapıları, Kuantum yapılar, Optoelektronik malzemeler ve üretim teknikleri konularında bilgi sahibi olacaksınız. 2

3 Ondördüncü Ders: İçerik Yarıiletken klemler Homo klemler Hetero klemler pn klemlerin IV Grafikleri Kuantum Yapılar Optoelektronik Malzemeler Optoelektronik Üretim Teknolojisi 3

4 Yarıiletken klemler Yarıiletkenlerden yararlanma bunları farklı tipte katkılayarak (n veya ptipte) bir araya getirerek eklemler oluşturmak ile gerçekleştirilir. İki farklı eklemlerden bahsedebiliriz: i) Aynı Tür klemler (Homojunction): Aynı tür yarıiletkenden oluşturulmuş n ve ptipi yarıiletkeni birleştirerek oluşturulan eklemler (örneğin Si:Si, Ge:Ge) n p Bu tür eklemlerin üretimi kolay ve maliyeti ucuzdur, fakat çok verimli devre elemanları üretilemez. Si Si n p f f f ii) Farklı Tür klemler (Heterojuction): Farklı tür yarıiletkenleri birleştirerek oluşturulan eklemler (örneğin Si:Ge, GaAs:GaAlAs) Bu tür eklemlerin üretimi zor ve maliyetlidir, ancak çok verimli ve hızlı elektronik ve optoelektronik devre elemanları yapmak mümkündür. Si n GaAs n Ge p GaAlAs p f klemin enerji grafiği f n p 4 klemin enerji grafiği f

5 lektron Deşik (hole) Atom Aynı Türden klemler (Homojunction) i) Aynı Tür klemler (Homojunction): Silikondan yapılmış ntipi ve ptipi katkılanmış yarıiletken malzemeyi düşünelim Malzemeler aynı olduğu için n ve p tarafının yasak bant aralığı aynıdır. n tarafta, iletim bandında serbest hareket eden elektronlar, p tarafta da değerlik bandında serbest hareket eden elektronlar (deşikler) bulunur. Her iki tarafta da net yük yoğunluğu sıfırdır. n ve p tipi yarıiletkenin birleştirmeden önce ntipi ptipi =0 Boşluk q φ q χ q φ q χ c f v f q φ (iş fonksiyonu): Bir elektronu Fermi seviyesinden ( f ) boşluğa (=0) götürmek için gereken enerji 5 qχ (elektron affinity): Bir elektronu iletim bandından ( c ) boşluğa (=0) götürmek için gereken enerji

6 d d 1 2 lektron Deşik (hole) Atom 2εVo N D = ( ) q N A( N A N D ) 2εVo N A = ( ) q ND ( N A N D ) Aynı Türden klemler2 1/ 2 1/ 2 Birleştirmeden sonra d = d1 d2 V b c v V b : Yapısal (Builtin) potansiyel d : Tüketim (depletion) bölgesi 2εV 1 1 o d = d1 d2 = ( ) q N A N D pn yarıiletkenler birleştirildikten hemen sonra (eklemi oluşunca), p ve n tarafındaki yük yoğunlukları farklı olduğundan ( f seviyesi farklı) yük dağılımı denge durumuna ulaşıncaya kadar (Fermi seviyesi eşitleninceye kadar) n tarafındaki elektronlar p tarafına geçerek buradaki deşiklerle birleşir. n (p) tarafından ayrılan elektronlar (deşikler) arkalarında pozitif (negatif) hareketsiz iyonlar bırakır. Hareketli yüklerden arınan bu bölgede (tüketim bölgesi) oluşan yapısal elektrik alan daha fazla elektronların n (p) tarafından p (n) tarafına geçmesini engeller ve denge durumu oluşur. pn eklemlerini, neredeyse bütün elektronik ve optoelektronik uygulamalarda kullanışlı kılan eklem bölgesinde oluşan bu yapısal elektrik alandır ve devre elemanlarının çalışmasını anlamada büyük önem taşır. 6 1/ 2

7 n V p klemlerin IV ğrileri Denge durumuna ulaşıldıktan sonra yapısal elektrik alan daha fazla elektronların (deşiklerin) n(p) tarafından p(n) tarafına geçmesini engeller. Dış uyarının olmadığı (karanlıkta ve uçlar arasında bir gerilim olmadığı zaman V=0) denge durumunda bir pn eklemi üzerinden geçen net akım sıfırdır; kuantum mekaniksel olarak potansiyel engelini geçerek karşıya geçen yüklerin oluşturduğu akım (I dif ), tüketim bölgesinde oluşan elektron ve deşik çiftlerinin oluşturuduğu akım (I drift ) ile dengelenir. Bir pn ekleminin uçlarına uygulanan gerilim ile yapısal elektrik alanın (ve tüketim bölgesinin genişliği) büyüklüğü değiştirilerek eklem üzerinden geçen akım değiştirilebilir. IV ifadesi: I k =Karanlık akım I qv kt I( V ) = I ( e 1) şeklinde verilir. Bu ifadede V, pn eklemi arasındaki gerilim, q elektron yükü, k Boltzmann sabiti, T ise sıcaklıktır. I i = i i = 0 net i drift drift i dif dif k I k pn ekleminin uçları arasına uygulanan pozitif gerilim ile (ileri besleme) eklem üzerinden geçen akım üstel olarak artar. Negatif gerilim altında (ters besleme) ise akım önce gerilimden bağımsız 7 küçük bir değer alır (karanlık akım), daha büyük gerilimlerde ise üstel olarak artar. V qv kt I( V ) = I ( e 1) k

8 IV ğrileri1: İleri Besleme İleri beslemede (n taraf negatif, p taraf pozitif dış gerilim uygulandığında) pn eklem uçları arasına uygulanan gerilimden kaynaklanan elektrik alan, yapısal alan ile zıt yönde olduğu için eklem bölgesindeki elektrik alan azalır (tüketim bölgesi daralır). Bu durumda yüklerin potansiyel engelini yenerek karşı tarafa geçmeleri üstel olarak artar ve devrede dolanan akım üstel olarak artar (i dif ). n p V A n d p qv kt I ( V ) = I ( e 1) k I V ileri besleme V= V V b c v f i i = i i = i dif net drift dif dif 8

9 IV ğrileri2: Ters Besleme Ters beslemede (n tarafına pozitif, p tarafına negatif dış gerilim uygulandığında) pn eklem uçları arasına uygulanan gerilimden kaynaklanan elektrik alan, yapısal alan ile aynı yönde olduğu için eklem bölgesindeki elektrik alan daha da büyür (tüketim bölgesi (d) genişler). Bu durumda yüklerin karşı tarafa geçmeleri daha da zorlaşır (i dif =0). Ancak tüketim bölgesinde oluşan elektron ve deşik çiftlerinden kaynaklanan (i drift ) yapısal alandan dolayı yeniden birleşemeden n ve p tarafına geçerek karanlık akımı (I k ) oluşturur. n p V A n Ters besleme d p I ( V ) = I ( e qv kt 1) I k k I V Ters besleme V= V V b i drift c v f i = i 0 = i net drift drift ikaranlık I k =karanlık akım Dp Dn Ik = qa( pn np ) Lp Ln A=eklem kesit alanı D n, D p =n(p) difüzyon katsayısı L n, L p =n(p) difüzyon uzunluğu p n, n p =p(n) yoğunluğu 9

10 IV ğrileri3: Zener Bölgesi Bir pn eklem uçları arasına uygulanan ters gerilim kırılma gerilimi olarak bilinen (V b ) gerilimin üstüne çıktığında eklem üzerinden geçen akımda üstel bir artış gözlenir. Bu artış ntarafın iletim bandının ptarafındaki değerlik bandının altına inmesinden kaynaklanmaktadır. n p V n A Ters besleme d p qv kt I ( V ) = I ( e 1) I e k k qv kt I V b V b V c Ters besleme V= V v f i drift i = i i = i net drift dif dif 10

11 MetalYarıiletken klemler pn eklemlerinin birçok kullanışlı özelliği sadece metalyarıiletken eklem yapılarak da oluşturulabilir. Metal, aşırı katkılanmış n tipi malzeme olarak düşünülebilir. lektron Deşik (hole) Atom Metal pveya ntipi yarıiletken metalyarıiletken eklemde tüketim bölgesinin tümü yarıiletken tarafında bulunur. V b c v d = d 2 11

12 i Işık Altında pn klemi pn eklemi hv > g enerjili düzgün bir ışıkla aydınlatılırsa (g op ) tüketim bölgesinde elektron ve deşik çiftleri oluşur. Bu durumda pn ekleminin IV grafigi: I n Φ (foton/s) net L p n d = i ( φ) i drift L p g op L n V o d i dif i drift dif i p L n k p << i op A c f v ( φ) I = I I qv / kt k ( e 1) op g op = optik güç (ed çifti/cm 3 s) = yapısal elektrik alan L p = deşik difüzyon uzunluğu L n = elektron difüzyon uzunluğu pn eklemi üzerine düşen hv> g enerjili fotonlar tüketim bölgesinde ve ayrıca n ve p bölgelerinde elektrondeşik çifti oluşturur. Tüketim bölgsinde oluşan ed çiftleri yapısal alandan dolayı yeniden birleşmeye fırsat bulamadan n ve p tarafına geçerler ve akıma katkıda bulunurlar. n ve p tarafında, difüzyon uzunluğu içinde oluşan e ve d nin de yeniden birleşmeden tüketim bölgesine kadar giderek akıma katkıda bulunma şansları vardır. Ancak difüzyon mesafesinin dışında yaratılan ed çifti tüketim bölgesine gidene kadar de ile birleşerek kaybolur ve akıma katkıda bulunamaz. Dolayısı ile sadece tüketim bölgesine ve difüzyon uzunluğu içinde yaratılan fotonlar algılanır. g op =0 Işık altında g 1 g2 g 3 g 3 > g 2 > g 1 > g op =0 I = I I qv / kt k ( e 1) 12 V op I = qag ( d L L ) op op n p g op =0 karanlık I = I e qv / kt th( 1) I V

13 Farklı Türden klemlerhetero Yapılar ii) Farkı Tür klemler (Heterojunction): Farklı yarıiletkenden yapılmış ntipi ve ptipi katkılanmış yarıiletken malzemeyi düşünelim Malzemeler farklı olduğu için bant aralıkları da farklı olacaktır. lektron Deşik (hole) Si: ntip Ge: ptip Atom qφ qφ =0 Boşluk c f g =1,87 ev v g =1,43 ev f 13

14 lektron Deşik (hole) Atom Hetero Yapılar1 GaAlAs: ntip GaAs: ptip birleştirmeden önce φ φ =0 Boşluk c f g =1,87 ev g =1,43 ev v f birleştirmeden sonra c f c f v v 14 Üçgen Kuantum Kuyusu

15 Hetero Yapılar2 Farklı yasak bant aralığına sahip malzemelerin oluşturduğu arayüzde, bant (iletim ve değerlik bandı) kesiklilik göstereceğinden kuantum etkilerin görülebileceği kuantum kuyuları oluşur. GaAlAs GaAs x n p z c f c f v v y x=l n p x z 2 Boyutlu lektron gazı (2BG) v y = yüksek devingenlik y L F 15

16 Hetero YapılarUygulama Alanları Farklı türden yarıiletkenler ile yapılan eklemler sayesinde kuantum etkilerin görülebileceği düşük boyutlara inmek mümkün. Verimli ve hızlı devre elemanlarının yapılabildiği heteroyapılar elektronikte ve optoelektronikte oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. lektronikte: Hızlı transistörlerin yapımında Modulation Doped Field ffect Transistor(MODFT veya HMT) Hetorojunction Bipolar Transistör (HBT) Optoelektronikte: Kuantum kuyulu lazerlerde Verimli güneş pillerinde Işığın modülasyonunda Dalga kılavuzlarında DBR ayna yapımında 16

17 Düşük Boyutlu Sistemlerin Üstünlükleri Kuantum kuyusunun genişliği elektronların de Broglie dalgaboyu mertebesinde olduğu için kuantum etkileri görülür. Kuantum etkiler saysinde verim, bantgenişliğinde iyileşmele olur. Taşıyıcıları (elektron ve deşik) uzayın belli noktasında hapsetmek taşıyıcıların dalga fonksiyonlarının örtüşmesini arttırır. Bu örtüşme, ed çiftlerinin verimli bir şekilde birleşmesini başka bir ifade ile yayınlanan ışığın kuantum verimliliğinin artmasını sağlar. Durum yoğunluğunun kesikli olması taşıyıcıların bant içinde ısıl enerjilerinin genişlemesini engellediğinden bant genişliği azalır, tek renkliliğe daha çok yaklaşılır. Kuantum kuyusunun genişliği ayarlanarak (katkı atom konsantrasyonu) enerji seviyeleri, dolayısı ile yayınlanacak ışığın frekansı ayarlanabilir. Farklı malzemeler kullanıldığı için (farklı kırılma indisleri) fotonlar uzayın belli bir bölgesinde hapsedilir, optik verim artar. Yukarıdaki durumların sonucu olarak, ışık üretiminde kullanılan düşük boyutlu sistemler eşik akımın düşmesine ve yüksek kuantum verimliliğine yol açar. Ayrıca bu yapıların: Kuantum kuyu içersindeki elektron yoğunluğu dış elektrik alan ile değiştirilebilir (yük modülasyonu) lektronlar, () yüklü iyonlardan ayrılarak devingenliklerinin daha büyük olduğu bölgede hareket ederler (hızlı elektronik) özelliklerinden dolayı hızlı elektronik uygulamalarında kullanılır. 17

18 Yüksek Devingenlik Geniş yasak bantlı malzemedeki elektronların, iyonlardan ayrılarak kuantum kuyusunda birikmesi (2 Boyutlu lektron Gazı2BG) iyon etkileşmesini azaltacağından bu bölgede düşük sıcaklıklarda yüksek elektron devingenliğinin oluşmasına neden olur. Devingenlik (cm 2 /Vs) 10 6 Piezoelektrik (akustik fonon) 10 5 GaAs İyonlaşmış katkı atomları (saçılma) T (K) Devingenlik (cm 2 /Vs) 10 6 Piezoelektrik (akustik fonon) GaAs/GaAlAs 10 5 Fonon etkileşimi (kristal titreşimi) T (K) Fonon etkileşimi (kristal titreşimi)

19 Yük ModülasyonuTers Besleme pn eklemine uygulanan negatif gerilim ile (ters besleme) arayüzdeki kuantum enerji seviyelerini dolduran elektonların kesikli enerji seviyelerini boşaltması sağlanabilir. Ters besleme V < 0 V x n p z x y F F y z 19

20 Yük Modülasyonuİleri Besleme pn eklemine uygulanan pozitif gerilim ile (ileri besleme) n tarafındaki elektronların potansiyel engeli aşarak arayüzde oluşan kuantum kuyusundaki kesikli enerji seviyelerini doldurması sağlanabilir. İleri besleme V > 0 V x y n p z F y x z F V > 0 20

21 Yük ModülasyonuHızlı lektronik Yük modülasyonunun bir uygulaması hızlı transistörlerdir. Farklı malzemeden yapılmış bir pn yapıya z doğrultusunda uygulanan gerilim ile arayüzdeki (2BG) taşıyıcıların yoğunluğu değiştirilebilir. ğer bu yapıda y doğrultusunda kontaklar yapılırsa 2BG içindeki devingenlikleri çok yüksek elektronlar ile iletim sağlanır. V m V d I Yüksek devingenli elektronların hareketi V F F I x n p y z 21

22 Kuantum Kuyusu1 GaAs yarıiletkenine Al ekleyerek GaAlAs yarıiletkeni oluşturulabilir. GaAlAs nin yasak bant aralığı ( g ) içindeki Al atomlarının yüzdesine bağlı olarak GaAs nin bant aralığı olan g =1,42 ev ile AlAs nin bant aralığı olan g =2,2 ev arasındaki değerleri alabilir. Ga x Al (1x) As GaAs Ga x Al (1x) As =0 Boşluk f c v f c Kuantum Kuyusu g g GaAlAs GaAs v GaAlAs 22

23 Kuantum Kuyusu2 V= lektron için Schrödinger Denklemi 2 d ψ dx ( x) 2m e 2 2 [ ] V ( x) ψ ( x) = 0 h 3 n=3 ψ(x)= 0 (V= ) 0 < x < L L λ e x d 2 ψ ( x ) 2 m ψ x 2 2 dx k = Dalga fonksiyonu ( ) = 0 h 2m e h ( ) 2 sin( nπ ψ ) n x = x L L (V= 0) 0 < x < L n=1, 2, L L λ e n=2 n=1 x nerji n = 2 2 π h 2m L e 2 n 2 n=1, 2, 3... T=0 K T=0 K 23

24 Düşük Boyutlu Sistemler GaAlAs Yasak bant c g (Al)= ev v y x z v c nerji ( g ) GaAs c v g =1.43eV L x Ly GaAlAs c g (Al)= ev L z x v L x L x L x L x L y L y Ly L y L z L z L z L z 3 Boyutlu yapı (3B) Yığınsal (bulk) yapılar 2 Boyutlu yapı (2B) (kuantum kuyuları) 1 Boyutlu yapı (1B) (kuantum teller) 0 Boyutlu yapı (0B) (kuantum noktalar) L x >> λ e L x λ e L x λ e L x λ e L y >> λ e L z >> λ e L y >> λ e L z >> λ e L y >> λ e L z λ e L y λ e L z λ e 24

25 Durum Yoğunluğu Düşük boyutlara inince durum yoğunluğu farklılık gösterir: Üç boyutta (3D) durum yoğunluğu (Yığınsal) * 3/ 2 3B 1 2m D ( ) = 2 2 o 2π h ( ) 1/ 2 ρ 3Β () ρ 3Β () α 1/2 o İki boyutta (2D) durum yoğunluğu (Kuantum Kuyusu) m ( ) ( ) * 2B D = 2 σ n πh n ρ 2Β () Bir boyutta (1D) durum yoğunluğu (Kuantum Teli) D * ( ) = m πh n 2 σ( n) 1B 1 1/ ρ 1Β () Sıfır boyutta (0D) durum yoğunluğu (Kuantum Noktası) 0 B D ( ) = 2 δ( ) n n 1 2 ρ 0Β ()

26 Yığınsal (Bulk)Kuantumluluğa Karşı L x x z y Yığınsal (bulk) Yapı L x >> λ e Kuantum Kuyusu L x λ e L x L x GaAlAs GaAs GaAlAs x GaAlAs GaAs GaAlAs x g(gaalas) c g(gaalas) g(gaalas) e 2 e 1 c g(gaalas) nerji g(gaas) GaAlAs GaAs GaAlAs e 2 2 h k = = 2m e Frekans C h ω v 2 2 h k = = 2m ( ) g ω = = h h h C V V e n 1 h 2 h v GaAlAs GaAs GaAlAs 2 h nπ = 2me Lx Frekans g(gaas) 2 h n 2 h nπ = 2mh Lx e h ( g n n ) ω = h 2 ω n=1, 2,

27 Yarıiletken klemlerin Optoelektronik Uygulamaları1 Yarıiletkenlerin optoelektronikte kullanılması farklı katkılanma ve eklemler yapılarak mümkündür. I I. Bölge (V>0, I >0 ): LD ve Lazerler V g op = 0 g op 0 V<0, I <0 V>0, I >0 III. Bölge (V<0, I <0 ): Dedektörler Akım gerilimden bağımsız, optik şiddet ile orantılı I V>0, I <0 V n p V IV. Bölge (V>0, I <0 ): Güneş Pilleri n p A A V n p A 27

28 Yarıiletken klemlerin Optoelektronik Uygulamaları2 Yarıiletkenlerin optoelektronikte kullanılması farklı katkılanma ve eklemler yapılarak mümkündür. klemlerde kullanılan malzemenin bant yapısı doğrudandolaylı (ışık algılayıcıışık yayıcı) Malzemenin yasak bant aralığı (yayılan veya algılanan ışığın frekansı) Katkılama oranı (tüketim bölgesinin genişliğid) Boyut kuantalanması (verimli optoelektronik devre elemanları) I Direk bant aralığı Aşırı katkılama V>0, I >0 d n p V Bant aralığı Katkılama V<0, I <0 V Geniş eklem yüzeyi V>0, I <0 I 28

29 Optoelektronik Malzemeler1 Optoelektronik teknolojisinde kullanılacak malzemeler, elektronik teknolojisine özgü kriterleri sağlamalarını yanısıra bazı optik kriterleri de sağlamaları gerekir. Işık üretiminde kullanılacan bir devre elemanının yapımında kullanılacak bu kriterden biri malzemenin dolaylı bant aralığına sahip olmasıdır. (k) g k Doğrudan bant aralıklı malzeme Dolaylı bant aralıklı malzemelerde iletim bandındaki elektronlar değerlik bandına doğrudan geçiş yapabildikleri için (fononlara ihtiyaç duymadan) geçiş ve dolayısı ile foton üretimi çok verimli olur. Bileşik yarıiletkenler doğrudan bant aralığına sahip oldukları için optoelektronik teknolojisinde çok yaygın olarak kullanılır (GaAs, GaAlAs). Verimli ışık aygıtlarının yapılabilmesi için kristal kusurlarının en az olması gerekir. Bant aralığının, istenilen dalgaboyunda ışık elde edecek (algılayacak) şekilde 29 ayarlanabilmesi arzulanır.

30 Optoelektronik Malzemeler1 Bileşik yarıiletkenlerin sahip olduğu doğrudan bant yapısnın yanısıra bileşikteki atomların konsantrasyonu değiştirilerek bant aralığı ( g ) da istenilen şekilde değiştirilebilir. Bu sayede doğada olmayan istenilen bant aralığına sahip yarıiletken malzemeler elde edilebilir ve düşük boyutlu kuantum yapılar üretilebilir. Bileşik yarıiletkenlerde kırılma indisi de konsantrasyona bağlı olarak değişir (Selmineer Denklemi). Bu sayede çok verimli optoelektronik devre elemanları üretilebilir. Bantaralığı (ev) Yasak bant enerjisi AlAs g =3,018 ev AlAs g =2,168 ev GaAs g =1,9 ev dolaylı doğrudan GaAs g =1,424 ev Τ=300 Κ GaAs Al yüzdesi AlAs Kırılma indisi GaAs Kırılma indis Al x Ga 1x As hν=1,38 ev Al yüzdesi AlAs 30

31 Farklı yasak bant aralığına sahip yarıiletken malzemeler kullanılarak oluşturulan düşük boyutlu kuantum yapılarda verim, hem elektronların (bant aralığının farklı oluşundan) hem de fotonlar (farklı kırılma indisinden) kuantum kuyusu hapsedildiklerinden dolayı artar. n (GaAlAs) n (GaAs) g (GaAlAs) g (GaAs) n GaAlAs GaAs d (nm) g (GaAlAs) g (GaAs) GaAlAs c v x GaAlAs nın yasak bant enerjisi artan Al yüzdesi ile arttığı için kuantum kuyusu oluşturulabilir. Kuantum kuyusu (GaAs) elektronlar ve deşikleri kuyuda tuttuğundan ed birleşmesi çok verimli olur. GaAlAs nın kırılma indisi artan Al yüzdesi ile azaldığı için oluşturulan kuantum kuyusu (GaAs) kırılma indisi kuantum engelinin (GaAlAs) kırılma indisinden daha büyük olduğu için (tam iç yansıma) fotonlar kuantum kuyusu hapsedildiğinden foton alanı artar ve lazer olayı için gereken foton alaın oluşturulur. Bantaralığı (ev) Kırılma indisi GaAs g AlAs =3,018 ev g AlAs =2,168 ev g GaAs =1,9 ev doğrudan dolaylı GaAs g =1,424 ev Τ=300 Κ hν=1,38 ev Al yüzdesi AlAs

32 Optoelektronik Malzemeler3 Farklı türden bileşik yarıiletkenleri büyütmek için uygun bir alttaşın bulunması gerekmektedir. film (AlAs) b Alttaşın ve üzerinde büyütülecek filmin kristal örgü sabitleri arasındaki fark çok küçük olmalıdır. Altaş (GaAs) a b a a < %1 Kristal örgü sabiti (nm) 0,62 0,60 0,58 0,60 0,64 0 InAs GaAs 0,2 Al x In 1x As InP Al x Ga 1x As In x Ga 1x As InAs AlAs Ga x In 1x P GaP 0,4 0,6 0,8 1,0 x Örgü sabitleri arasındaki fark ne kadar büyük olursa alttaş üzerinde büyütülecek filmin kalınlığı da o kadar çok azalır. t c d v 32

33 Optoelektronik Malzemeler4 Bileşik yarıiletkenlerde örgü sabiti ve yasak bant enerjisi 33

34 Optoelektronik Malzemeler5 Yarıiletken malzemeler (tek atomlu ve bileşik yarıiletkenler) yasak bant özelliklerine göre optoelektronik teknolojisinda farklı devre elemanlarının yapımında kullanılır. Tek Atomlu Yarıiletkenler silikon (Si), germanyum (Ge) Bileşik Yarıiletkenler IIIV İkili (Ternary) => GaAs, AlAs, InAs, InP Üçlü (Quaternary) => Ga x Al (1x) As, In x Al (1x) As IIVI İkili (Ternary) => HgTe, CdTe Üçlü (Quaternary) => Cd x Hg (1x) Te II Işık Kaynakları II Işık Kaynakları V V V V Işık Algılayıcıları I Güneş pilleri Işık Algılayıcıları I Güneş pilleri Dolaylı Bant yapısı (Si) Doğrudan (direk) Bant yapısı (GaAs) 34

35 Optoelektronik MalzemelerGaAlAs Bant enerjisi Al x Ga 1x As için bant aralığı (293 o K) g (x) = g (GaAs) (1.429eV)x (0.14eV)x 2 x > 0.44, için AlGaAs indirek bant aralığına sahiptir. n Kırılma indisi 2 2 ( x) = A( x) D( x) 2 o λo C( x) B λ Bantaralığı (ev) AlAs g =3,018 ev AlAs g =2,168 ev GaAs g =1,9 ev 2.0 dolaylı doğrudan 1.5 GaAs g =1,424 ev Τ=300 Κ GaAs Al yüzdesi AlAs Kırılma indisi hν=1,38 ev GaAs Al yüzdesi AlAs 35

36 Optoelektronik MalzemelerInGaAs In x Ga 1x As için bant aralığı (300 o K) g (x) = 1.425eV (1.501eV)x (0.436eV)*x 2 Bütün x değerleri için InGaAs direk bant aralığına sahiptir. Kristal örgü sabiti (nm) 0,62 0,60 0,58 0,60 InAs GaAs Al x In 1x As In x Ga 1x As InAs 0,64 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 x 36

37 Optoelektronik Yapılar Bileşik yarıiletken yapılar MB, MOCVD gibi tekniklerle üretilir. c g (InP) g (In 0,53 Ga 0,47 As) g (GaAlAs) g (GaAs) c g (GaAlAs) g (GaAs) v v GaAlAs GaAs GaAlAs In 0,53 Ga 0,47 As ninp ninp Basit Heteroyapılar Farklı bant aralıklı malzemeler (örneğin InP and InGaAs) bir araya getirilerek kuantum yapılar elde edilir. GaAlAs GaAs GaAlAs ngaas Kuantum Kuyuları Düşük bant aralığına sahip (örneğin GaAs), yüksek bant aralığına sahip başka bir malzeme ile (örneğin GaAlAs) sandviç yapıda büyütüldüğü takdirde düşük bant aralığına sahip malzemenin iletim bandı elektronlar için, değerlik bandı ise deşikler için kuantum kuyusu oluşturur. GaAs GaAlAs GaAs GaAlAs ngaas Çoklu Kuantum Kuyuları Çoklu kuantum kuyular üst üste büyütülebilir. Kuantum kuyuları arasındaki mesafe yakın olduğu durumda (süper örgü) kuantum kuyuları etkileşerek taşıyıcılar kuyular arasında tünelleme ile geçebilmektedir. 37

38 Optoelektronik Malzeme Üretim Teknikleri Optoelektronik malzemeler (heteroyapılar) çoğunlukla epitaksi kristal büyütme teknikleri ile üretilirler pitaksi, kelime anlamı ile alttaşın kristal yapı ve doğrultusunu koruyarak yapılan büyütme işlemine denir (100) Yaygın optoelektronik malzeme üretim teknikleri: Sıvı Fazı pitaksi (Liquid Phase pitaxy, LP) Buhar Fazı pitaksi (Vapor Phase pitaxy, VP) Organik Metal Kimyasal Faz ptaksi (Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOVP) Organik Metal Kimyasal Buhar pitaksi (Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) Moleküler Demet pitaksi (Molecular Beam pitaxy, MB) 38

39 Molekül Demeti Yöntemi (MB) Çok yüksek vakum (< mbar) altında gerçekleştirilen epitaksiyel büyütme yöntemidir Genellikle IIIV bileşik yarıiletken yapılar (GaAlAs, InAlAs vs) büyütülmektedir. In Al shutter elektron tabancası büyütme odası transfer (tampon) vakum bölgesi örnek girişi As Si alttaş örnek hazırlama odası örnek transfer çubuğu Ga yüksek vakum pompaları kaynaklar fosforlu ekran yüksek vakum pompaları karakterizasyon odası Üstünlükleri: Atomik mertebede kalınlık kontrolü, Saflık derecesi çok iyi olan malzemeler üretilebilir, Büyütme sırasında çok iyi katkılanma kontrolü sağlanabilir, Lazer, dedektör ve modülatör gibi heteroyapılar için ideal. Olumsuzlukları: Kristal büyütme hızı yavaş < 1 µm/sa Seri üretime uygun değil, Oldukça pahalı (Million Buck pitaxy), 39

40 Yarıiletken TeknolojisiDiyot Fabrikasyonu Al Metali SiO 2 nsi 1 nsi 5 nsi 9 Fotoresist (PR) SiO 2 yi aşındıracak kimyasal işlem Al nsi 2 nsi 6 nsi 10 Maske 3 nsi nsi 7 UV ışık 4 Boron Difüzyonu 8 nsi 11 nsi nsi psi 40

41 Yarıiletken TeknolojisiLazer Fabrikasyonu Optoelektronik devre elemanları daha çok birleşik yarıiletkenlerden (hetoroyapılar) yapıldığı için MB, MOCVD gibi pahalı teknikler kullanılır, bu üretim teknikleri daha karmaşık ve yüksek maliyetlidir. Aşağıda basit bir yarıiletken lazerin yapım aşamaları gösterilmektedir: Alttaş n GaAs pitaksiyel büyütme Oksit Tabaka GaAlAs GaAs GaAlAs ngaas processing GaAlAs GaAs GaAlAs ngaas 41

42 Özet Yarıiletkenlerin kullanışlığı farklı şekilde katkılandırılıp yapılar oluşturmaları ile sağlanır. Aynı yarıiletken farklı taşıyıcılarla katkılanarak pn yapılar (homo) oluşturulabileceği gibi farklı malzemeler de farklı türden katkılanarak elektronik ve optoelektronik yapılar (hetero) oluşturulabilir. Farklı yarıiletken malzemelerin bir araya getirilmesi ile oluşturulan ve kuantum etkilerin olduğu yapılar göz çok verimli ve hızlı elektronik ve optoelektronik devrelerin yapımında kullanılır. Yarıiletken yapıların IV grafiğinin bilinmesi uygulama açısından önemlidir. lektronik/optoelektronik devre elemanlarının çalışma ilkesi yarıiletken yapılardan elektron geçiş mekanizmasına dayanmaktadır. 42

43 UADMK Açık Lisans Bilgisi Bu ders malzemesi öğrenme ve öğretme yapanlar tarafından açık lisans kapsamında ücretsiz olarak kullanılabilir. Açık lisans bilgisi bölümü yani bu bölümdeki, bilgilerde değiştirme ve silme yapılmadan kullanım ve geliştirme gerçekleştirilmelidir. İçerikte geliştirme değiştirme yapıldığı takdirde katkılar bölümüne sadece ekleme yapılabilir. Açık lisans kapsamındaki malzemeler doğrudan ya da türevleri kullanılarak gelir getirici faaliyetlerde bulunulamaz. Belirtilen kapsam dışındaki kullanım açık lisans tanımına aykırı olduğundan kullanım yasadışı olarak kabul edilir, ilgili açık lisans sahiplerinin ve kamunun tazminat hakkı doğması söz konusudur. 43