Yarıiletken Yapılar HSarı 1

Transkript

1 Yarıiletken Yapılar 2008 HSarı 1

2 Ders İçeriği Yarıiletken klemler» Homo eklemler» Hetero eklemler Optoelektronik Malzemeler Optoelektronik Üretim teknolojisi 2008 HSarı 2

3 Kaynaklar: 1) Solid State lectronics Devices, B. G. Streetmann, Prentice Hall, ) The Physics of Semiconductors with applications to Optoelectronic Devices Kevin F. Brennan, Cambridge University Press, ) Quantum Semiconductor Structures, Fundamentals and Applications, C. Weisbuch, Borge Vinter, Academic Press Inc ) 5) HSarı 3

4 Yarıiletken klemler Yarıieltkenlerden yararlanma bunlardan farklı tip katkılanmış olanlarını biraraya getirerek eklemler oluşturmak ile gerçekleştirilir İki farklı eklemlerden bahsedebiliriz: i) Aynı tür eklemler (Homojunction): Aynı tür yarıiletkenden oluşturulmuş n ve ptipi yarıiletkeni birleştirerek oluşturulan eklemler (örneğin Si:Si, Ge:Ge) n p Si Si n p ii) Farklı tür eklemler (Heterojuction): Farklı tür yarıiletkenleri birleştirerek oluşturulan eklemler (örneğin Si:Ge, GaAs:) Si Ge n p n GaAs p 2008 HSarı n p 4

5 Aynı Türden klemler (Homojunction) Silikondan yapılmış ntipi ve ptipi katkılanmış yarıiletken malzemeyi düşünelim Malzemeler aynı olduğu için (silikon) n ve p tipi malzemenin bant aralığı da aynı olacaktır ntipi ptipi lektron Deşik (hole) Atom qφ qχ qφ qχ =0 Boşluk f f qφ (iş fonksiyonu): Bir elektronu Fermi seviyesinden ( f ) boşluğa (=0) götürmek için gereken enerji qχ (elektron affinity): Bir elektronu iletim bandından ( ) boşluğa (=0) götürmek için gereken enerji 2008 HSarı 5

6 Yarıiletken klemler lektron Deşik (hole) Atom ntip ptip f f d 2 d 1 2εVo N A = ( ) q ND ( N A ND ) 2εVo N D = ( ) q N A( N A N D ) 1/ 2 1/ 2 d Buildin Potansiyel V b d: deplition bölgesi I V b V n p A f 2008 HSarı 2εV o d = d d = ( ) 1 d2 q N A N D 1/ 2

7 IV ğrileri V n p I qv kt I( V ) = I ( e 1) k I I k =karanlık akım Dp Dn Ik = qa( pn np ) L L p n I k V 2008 HSarı 7

8 n p V A d qv kt I( V ) = I ( e 1) I k V b V f Ters besleme V= V Ters besleme d n p V A I V b V f İleri besleme V= V 2008 HSarı İleri besleme 8

9 Farklı Türden klemlerhetero Yapılar Farklı yarıiletkenden yapılmış ntipi ve ptipi katkılanmış yarıiletken malzemeyi düşünelim Malzemeler farklı olduğu için bant aralıkları da farklı olacaktır Si: ntip Ge: ptip lektron Deşik (hole) Atom qφ qφ =0 Boşluk f g =1,2 ev g =0,6 ev f 2008 HSarı 9

10 Hetero Yapılar Si: ntip Ge: ptip lektron Deşik (hole) Atom φ φ =0 Boşluk f g =1,2 ev g =0,6 ev f f f 2008 HSarı 10 Üçgen Kuantum Çukuru

11 Hetero YapılarÜstünlükleri Denge durumu (V=0) x z n p f f y F 2008 HSarı 11

12 Farklı Türden klemlerüstünlükleri v y = yüksek devingenlik x y x=l y z F V 0 yük modülasyonu V 0 yüksek devingenlik L lektronlar, yüklü iyonlardan ayrılarak devingenliklerinin daha büyük olduğu bölgede hareket ederler Kuantum çukur içersindeki elektron yoğunluğu dış elektrik alan ile değiştirilebilir (yük modülasyonu) Kuantum çukurunun genişliği (zdoğrultusu) elektronların de Broglie dalgaboyu mertebesinde olduğu için kuantum etkileri görünür Yükler, uzayın belli bir bölgesine sınırlandırıldığı için elektrondeşik birleşmesi çok verimlidir Farklı malzemeler kullanıldığı için (farklı kırılma indisli malzemeler) fotonlar belli bölgede sınırlandırıldığı için optik verim artar Kuantum çukurunun genişliği ayarlanarak (katkı atom konsantrasyonu) enerji seviyeleri ayarlanabilir 2008 HSarı 12

13 Yüksek Devingenlik 10 6 Piezoelektrik (akustik fonon) Devingenlik (cm 2 /Vs) Devingenlik (cm 2 /Vs) T (K) Fonon etkileşimi (kristal titreşimi) İyonlaşmış katkı atomları (saçılma) 10 5 GaAs T (K) Fonon etkileşimi (kristal titreşimi) 10 6 Piezoelektrik (akustik fonon) GaAs/ HSarı 13

14 Yük Modülasyonu V Ters besleme V < 0 I n p z x y z F F 2008 HSarı 14

15 Yük modülasyonu V İleri besleme V > 0 I n p z x z F y F 2008 HSarı V > 0 15

16 Yük modülasyonu Vm V d I V > 0 V y x z F I n p F 2008 HSarı 16

17 Kuantum Çukuru GaAs yarıiletkenine Al ekleyerek yarıiletkeni oluşturulabilir. nin band aralığı ( g ) içindeki Al atomlarının yüzdesine bağlı olarak GaAs nin band aralığı olan g =1,42 ev ile AlAs nin band aralığı olan g =2,2 ev arasındaki değerleri alabilir Ga x Al (1x) As GaAs Ga x Al (1x) As =0 Boşluk f f Kuantum Çukuru g g 2008 HSarı 17 GaAs

18 Kuantum Çukuru V= lektron için Schrödinger Denklemi 2 d ψ dx ( x) 2m e 2 2 [ ] V ( x) ψ ( x) = 0 ħ 3 n=3 L λ e x d 2 ψ ( x ) 2 m ψ x 2 2 dx k = Dalga fonksiyonu ( ) = 0 ħ 2m e ħ ψ(x)= 0 ( ) 2 sin( nπ ψ ) n x = x L L (V= ) 0 < x < L (V= 0) 0 < x < L n=1, 2, L L λ e n=2 n=1 x nerji n = 2 2 π ħ 2m L e 2 n 2 n=1, 2, 3... T=0 K T=0 K Ödev1: potansiyel Ödev2: üçgen kuantum çukurunun sonlu çukuru olduğu durumda olduğu durumda enerji enerji değerleri nasıl değerleri nasıl olur? 2008 HSarı olur? 18

19 Düşük Boyutlu Sistemler Yasak bant g (Al)= ev y x z nerji ( g ) GaAs g =1.43eV L x Ly g (Al)= ev L z x 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 çukurları) 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 y >> λ e L y >> λ L y λ e e 2008 HSarı 19 L z >> λ e L z >> λ e L z λ e L z λ e

20 YığınsalKuantumluluğa Karşı L x x z y Yığınsal (bulk) Yapı L x >> λ e Kuantum Çukuru L x λ e L x L x GaAs x GaAs x g() g() g() e 2 e 1 g() enerji g(gaas) GaAs e 2 2 ħ k = = 2m e C h ω 2 2 ħ k = = 2m ( ) g ω = = ħ ħ h GaAs 2008 HSarı g n n frekans frekans 20 C V V e n g(gaas) 1 h 2 h 2 ħ nπ = g 2me Lx 2 h n 2 ħ nπ = 2mh Lx e h ( ) ω = ħ 2 ω n=1, 2, 3..

21 Hetero YapılarUygulama Alanları Farklı türden yarıiletkenler ile yapılan eklemler sayesinde düşük kuantum boyutlara inmek mümkün. Farklı türden yarıiletkenler ile yapılan eklemler 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 çukurlu lazerlerin yapımında Verimli güneş pillerinde Işığın modülasyonunda Dalga klavuzlarında DBR ayna yapımında 2008 HSarı 21

22 Optoelektronik malzemeler 2008 HSarı 22

23 Optoelektronik Malzemeler1 Işık üretimi için dolaysız (direk) bant aralığına sahip yarıiletkenler kullanılmalıdır Genellikle bileşik yarıiletkenler dolaysız bant aralığına sahip oldukları için optoelektronik teknolojisinde çok yaygın olarak kullanılır (GaAs, ) Verimli ışık aletlerinin yapılabilmesi için kristal kusurlarının en az olması gerekir g k Bant aralığının, istenilen dalgaboyunda ışık elde edecek (algılayacak) şekilde ayarlanabilmesi arzulanır Bileşik yarıiletkenlerde atom konsantrasyonu değiştirilerek bant aralığı (g) değiştirilebilir. Böylece istenilen bant aralığına sahip yarıiletken malzemeler elde edilebilir. Buna bant aralığı mühendisliği (Band Gap ngineering) denir Benzer şekilde kırılma indisi de konsantrasyona bağlı olarak değişir (Selmineer Denklemi) Örneğin: Al x Ga 1x As komposizyona bağlı bant aralığı ( g )( 293 o K sıcaklıkta), x =0 ile 0.44 aralığında g (x) = g (GaAs) (1.429eV)x (0.14eV)x 2 x > 0.44 için AlGaAs indirek bant aralığına sahip olmaktadır kırılma indisi de konsantrasyona bağlıdır (Selmineer Denklemi) B n λ 2 2 ( x) = A( x) D( x) 2 o λo C( x) 2008 HSarı Selmineer Denklemi 23

24 g () g (GaAs) g (GaAs) g () d (nm) GaAs ngaas n n () n (GaAs) d 2008 HSarı 24

25 film (AlAs) Altaş (GaAs) Optoelektronik Malzemeler3 Farklı türden bileşik yarıiletkenleri büyütmek için uygun bir alttaşın bulunması gerekmektedir a b Alttaşın ve üzerinde büyütülecek filmin kristal örgü sabitleri arasındaki fark çok küçük olmalıdır b a a < %1 Örgü sabitleri arasındaki fark ne kadar büyük olursa alttaş üzerinde büyütülecek filmin kalınlığı da o kadar çok azalır t d 2008 HSarı 25

26 Optoelektronik Malzemeler4 Bileşik Yarıiletkenlerde kristal sabiti ve enerji 2008 HSarı 26

27 Tek Atomlu Yarıiletkenler Optoelektronik Malzemeler5 III IV V VI VII silikon (Si), germanyum (Ge), karbon (C)! II Işık Kaynakları I II V V Işık Algılayıcıları I Güneş pilleri Dolaylı Bant yapısı (Si) Bileşik Yarıiletkenler IIIV İkili (Ternary) => GaAs, AlAs, InAs, InP Üçlü (Quaternary) => Ga x Al (1x) As, In x Al (1x) As V I I Işık Kaynakları V IIVI Işık Algılayıcıları Güneş pilleri İkili (Ternary) => HgTe, CdTe I Üçlü (Quaternary) => Cd x Hg (1x) Te 2008 HSarı Dolaysız (direk) Bant yapısı (GaAs) 27

28 Optoelektronik Malzemeler 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) λ 2 o λo C( x) B 2008 HSarı 28

29 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 2008 HSarı 29

30 Optoelektronik Yapılar Bileşik yarıiletken yapılar MB, MOCVD gibi tekniklerle üretilir g (InP) g (In 0,53 Ga 0,47 As) g () g (GaAs) g () g (GaAs) In 0,53 Ga 0,47 As ninp ninp GaAs ngaas GaAs GaAs GaAs ngaas Basit Heteroyapılar Kuantum Çukurları Çoklu Kuantum Çukurları 2008 HSarı 30

31 Hetero Yapılar In 0,53 Ga 0,47 As ninp ninp g (InP) g (In 0,53 Ga 0,47 As) Basit Heteroyapılar f f Üçgen Kuantum Çukuru 2008 HSarı 31

32 Kuantum Çukurlar Düşük bant aralığına sahip (örneğin GaAs), yüksek bant aralığına sahip başka bir malzeme ile (örneğin ) sandiviç yapıda büyütüldüğü takdirde düşük bant aralığına sahip malzemenin iletim bandı elektronlar için, değerlik bandı ise deşikler için kuantum çukuru oluşturur. d kalınlığı eksiton yarıçapı mertebesinde d (nm) GaAs ngaas g () g (GaAs) Kuantum Çukurları d (nm) 2008 HSarı 32

33 Çoklu Kuantum Çukurlar Çoklu kuantum çukurlarda kuantum çukurları arasındaki mesafe yakın olduğu için kuantum çukurları etkileşerek taşıyıcılar çukurlar arasında tünelleme ile geçebilmektedir GaAs GaAs GaAs ngaas g () g (GaAs) Çoklu Kuantum Çukurları Her bir katmanın kalınlığı kullanılan ışığın belli dalgaboylarına göre ayarlanarak DBR aynaları yapılabilir HSarı 33

34 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) 2008 HSarı 34

35 Molekül Demeti Yöntemi (MB) Çok yüksek vakum (< mbar) altında gerçekleştirilen epitaksiyel büyütme yöntemidir Genellikle IIIV bileşik yarıiletken yapılar (, InAlAs vs) büyütülmektedir shutter elektron tabancası In Al 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) 2008 HSarı 35

36 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 2008 HSarı 36 psi

37 Yarıiletken TeknolojisiLazer Fabrikasyonu Optoelektronik devre elemanları daha çok heteroyapılar ile yapıldığı için bunların imal edilmesi daha karmaşıktır Optoelektronik devre elemanları daha çok birleşik yarıiletkenlerden (hetoroyapılar) yapıldığı için MB, MOCVD gibi pahalı teknikler kullanılır Alttaş n GaAs pitaksiyel büyütme Oksit Tabaka GaAs ngaas processing GaAs ngaas 2008 HSarı 37