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2 Heterostrukturen2 Heterostrukturen

II III IV V VINomenklatur von zusammengesetzten Halbleitern:Nach der Ordnungszahl

x y zA B C

GaAsInP

AlAs0.5

0.60.580.560.54

0 10.5

Gitterkonstante / nm

In-Konzentration

Epitaktisches Wachstum von Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften

Einfachster Ansatz:Wenn die Gitterkonstanten zueinander passen, gibt es einen Sprung im Verlauf des Leitungs-und Valenzbandes

Leitungsbandkante

Leitungsbandoffset

Valenzbandoffset

Valenzbandkante

g L VE E E∆ = ∆ + ∆

Bandlücke

Typ I Typ II

Offsets und Bandlücken bestimmen Potenzialverlauf für Elektronen und Löcher

Erinnerung: Woher kommen die Bänder in Halbleitern?

Unendlich periodische Anordnung von Gitteratomrümpfen und deren Coulomb-WW

Vorsicht: Heterostrukturen sind nicht unendlich periodisch, Brechung der Symmetrie erzeugt zusätzliche Zustände am Rand eines Halbleiters (Tamm-Zustände)

Tamm-Zustand

2 Heterostrukturen2 HeterostrukturenVorsicht:Bei Heterostrukturen können sich Potentialwände ergeben, die indirekt durchlässig sind!

2.1 Heterostrukturen (2D)2.1 Heterostrukturen (2D)

Warum 2D Heterostrukturen, welche Materialien?

Elektrische Eigenschaften Optische Eigenschaften

Passende Wahl der Bandlücke,der Absorptions- undEmissionseigenschaften

Si 0,26mo

Ge 0,041mo

InP 0,08mo

GaAs 0,063mo

InAs 0,023mo

InSb 0,014mo

GaN 0,20 mo

Hohe Beweglichkeiten,hohe Schaltgeschwindigkeiten

Essentiell: Effiziente Kombination aus elektrischen und optoelektronischen Eigenschaften

2D Heterostrukturen: Quantisierung in einer Richtung und freie Bewegung in die anderen Richtungen

Mehr als nur binäre Heterostrukturen•Definition eines Potentalverlaufs – Einfangen der Ladungsträger•Definition eines Brechzahlverlaufs – Formen einer optischen Mode

Separate confinement heterostructure

Graded index SCH

Kostenaspekt der Materialwahl

MaterialMaterial Kosten pro mm2Kosten pro mm2

Si CMOS Si CMOS $0.01$0.01SiGe epitaxy SiGe epitaxy $0.60$0.60GaAs epitaxy GaAs epitaxy $2.00$2.00InP epitaxy InP epitaxy $10.00$10.00Tokyo real estate Tokyo real estate $0.01$0.01

2.1 Heterostrukturen (2D)2.1 Heterostrukturen (2D)Beweglichkeiten der Materialien

µ(300K)=10000 cm²/Vsµ(10K) =10000000 cm²/VsGaAs/AlGaAs Mittlere freie Weglänge: 100µm!

Sb -AntisiteAl

Oberflächen-Donatoren

Grenzflächen-Zustände Se

Beispiel: Hochbewegliches InAs/AlSb/GaSb(für 750GHz-Oszillatoren)

Woher kommen die Ladungsträger?-Oberfläche GaSb-Grenzfläche InSb; AlSb-Antisites-Tamm-Zustände-Dotierung mit Te oder Se

Was passiert bei Beleuchtung?

Persistente Fotoleitung in AlSb/GaSb/InAskr

192021222324

632 nm1,3µm 1,3µm632 nm

Optisch bistabil einstellbare Ladungsträgerdichte

Optische Eigenschaften durch Kombination von Bandlücke und eingebauten Störstellen:

GaAs leuchtet auch bei 1,3µm

e=(a -a )/a

Verspannung

Ebiaxial

=E +Euniaxial hydrostatisch

Erweiterte Möglichkeiten•Materialkomposition•Bandverläufe•Effektiven Massen (lateral)

Einfluß auf die Bandlückenenergie

Eg uniaxialhydrostatisch

Freiheitsgrad bei Verspannung eingeschränkt durch kritische Schichtdicke

Keine dicken Proben mit hoher optischer Absorption realisierbar

2.1 Heterostrukturen (2D)2.1 Heterostrukturen (2D)0.52.5

l ück

1.5Abwechslung bei der Verspannung:Materialsystem (GaIn)As/Ga(Pas)

00.54 0.60.580.56

Gitterkonstante [nm]

Symmetrische Verspannung

Leitungs-band

Kritische Schichtdicke gilt nur für Einzelschicht

Absorptionskante unter der des GaAs-Substrats

2.1 Heterostrukturen (2D)2.1 Heterostrukturen (2D)Gitterkonstante [nm]Weitere symmetrisch

verspannte Systeme0.54 0.56 0.58 0.6

TopfBarriere

0 10.5

In-Konzentration

0.52.5

InP 0.81.5

0.0520

10 0.03

Verringerung der effektiven Massen, höhere Beweglichkeiten

Wichtiges System fürbillige Hochfrequenz-Elektronik:SiGe/Si

Problem mit Versetzungen, die Beweglichkeit verringern

Resultierender Potenzialverlauf (Typ II) bildet 2DEG

Übersicht:Zoo der Hochfrequenz-Strukturen

2.1 Halbleiter2.1 Halbleiter--HeterostrukturenHeterostrukturen

Überblick niederdimensionale Systeme

3D für (fast) nichts gut

2D Quantenwell, Laser2DEG, hochbeweglicher Transport

1D Quantendraht, LeitfähigkeitsquantisierungLaser

0D SETLaser

2.1 Heterostrukturen (1D)2.1 Heterostrukturen (1D)Realisierungen a-c: Ausschneiden aus einem 2D-System

1D Heterostrukturen: Quantisierung in zwei Richtungen und freie Bewegung in eine Richtungen

2.1 Heterostrukturen (1D)2.1 Heterostrukturen (1D)Elektrischer Transport:Elektronen laufen im Gänsemarsch durch die Probe

Jeder einzelne Kanal hat eine konstante quantisierte Leitfähigkeit

Problem: Wie ist der Übergang zwischen unterschiedlich dimensionalen Systemen?

2.1 Heterostrukturen (1D)2.1 Heterostrukturen (1D)Realisierung d: Brechen und nochmal von der anderen Seite Epitaxie machen

2.1 Heterostrukturen (1D)2.1 Heterostrukturen (1D)Realisierung e: Furche ätzen und geschicktes ÜberwachsenÄtzen und Wachstumsdynamik sind anisotrop

2.1 Halbleiter2.1 Halbleiter--Heterostrukturen (0D)Heterostrukturen (0D)

Grundidee: Erzeugung von künstlichen Atomen

Realisierung a: Selbstorganisiertes Wachstum

•Aufwachsen gitterfehlangepasster Materialien•Weiterwachsen über die kritische Schichtdicke hinaus•Ausbildung von Quantendots

Stranski-Krastanow

Probleme:•Größe der Dots ungleichmäßig•Position der Dots undefiniert•Dichte inhomogen

Gemitteltes Spektrumzeigt keine scharfenLinien wie beim Atom

Spektren von QDsin Abhängigkeit vonder Spotgröße

Realisierung b: Ätzen und Überwachsen (wie 1D)

Realisierung c: Indirekte Definition des Dots (Stressordot)

Verspannung induziert einen QD in einer anderen Ebene in einem QW

Richtiges Design•Verspannungseffekte•Durchmischung der Zusammensetzung•Definition der Form•Reduzierung auf homogene Eigenschaften

Analyse der erzielten Strukturen und Optimierung ist komplex

Erinnerung an die wahren optischen Eigenschaften in Halbleitern: Das Exziton

Wannier-Exziton (groß gegen den Gitterabstand, beweglich im Halbleiter)

BindungsenergieHohe Oszillatorstärke 2

Ea nµ

πεµ

= 1 1 1e hm mµ− − −= +

Reduzierte Masse

Beispiel GaAs:EB=4 meVaB=12nm

Vgl. H-Atom

2.1 Halbleiter2.1 Halbleiter--HeterostrukturenHeterostrukturenSpektrum von GaAs (3D)

Exciton direkt bei Zimmertemperatur in GaAs nicht sichtbar

Exzitonbindungsenergie in verschiedenen Halbleitern (3D)

Richtige Beschreibung von Excitonen

Was ist größer, das Exziton oder die Quantenstruktur?

Beispiel GaAs (bulk):aB=12nmEB=4 meV

GaAs 2D: ~15meV

GaAs 1D: ~30meV

Vergleich der Zustandsdichten

Gemessenes Spektrum ergibt sich aus:•Theoretischen Zustandsdichten mit Quantisierungseffekten•Homogener Linienbreite•Exzitonen•Inhomogener Linienbreite•Messverfahren

QD-Laser

Wie aktuell ist das Thema?

Historie der Schwellströme

Zustandsdichten von 0D Strukturen sind vorteilhaft für Laser:•Scharfe Übergänge•Geringe Temperaturabhängigkeit des Schwellstroms•Weniger Chirp bei direkter Modulation•Weniger Probleme bei ungewünschtem Feedback•Wenn man nur wenige Photonen braucht

0D Strukturen haben:•Wenig Ausgangsleistung pro Volumen•Geringe Ausgangsleistung bei geringem Schwellstrom

Wie kann man mehr Leistung pro Volumen bei QD-Lasern erreichen?

Stapeln,weitere Dots wachsen an der gleichen Stelle

Übergitter-Struktur mit identischen Dots

2.2 Silizium2.2 Silizium--LaserLaser

Indirekter Halbleiter

Übergang geht nur indirekt mit einem Phonon

2.2 Silizium2.2 Silizium--LaserLaserErinnerung Impuls-Orts-Unschärfe: Dotierung, Störstelle

2xx k∆ ⋅∆ >

2.2 Silizium2.2 Silizium--LaserLaserBisherige Ansätze

Probleme:•Integration in Si-Standard-Prozesse•Elektrisches Pumpen

Optische gepumpte Si-NanokristalleZeigen Gain

Unklar: Rolle der Grenzflächenzustände und Aufweichen der Impulserhaltung wegen geringer Dimension

Silizium ist billig und vielversprechend - nächster Schritt: Plastik

2.3 Halbleiter2.3 Halbleiter--ÜbergitterÜbergitter

Halbleiter ist ein Gitter, was ist ein Übergitter?

Elektrisches Feld hebt Kopplung auf

Wannier-Stark-Leiter

Wie groß muss das elektrische Feld sein, um das Miniband zu zerstören?

Elektronen wandern durch die Struktur und machen energetische Sprünge von eFd unter Abgabe von Photonen bzw. Hochfrequenz (THz-Bereich)

Übergitter als Oszillator, vgl. Gunn-Effekt (keine Bloch-Oszillationen)

Wo ist THz-Strahlung?

InfrarotMikrowellen Ultraviolett Röntgen

Sichtbar

Frequenz (Hz)

“THz”Radiowellen

Anwendungen:•Biologie•Astonomie•Sicherheit

Wie macht man sonst noch THz-Strahlung?

Optischer Puls oder 2modiger Laser (Mischen)

2.4 Quanten2.4 Quanten--KaskadenKaskaden--LaserLaser

Charakteristisches Spektrum für jedes Molekül (Fingerprint)

Anwendungen

(Eigentlich falsch)Regime bei Potenzialtöpfen im elektrischen Feld

•Verkipptes Miniband in Übergittern bei schwachen Feldern•Wannier-Stark-Lokalisierung in Übergittern bei starken elektrischen Feldern•Resonantes Tunneln mit Relaxation•Anregung in ungebundene Zustände (sweep-out)

Ga0.38In0.62As

Al0.6In0.4As

Schichtaufbau eines QC-Lasers (Wellenlänge 4,65µm)

32 2,6psτ =

21 0,6psτ =

Potenzialverlauf eines QC-Lasers (Wellenlänge 4,65µm)

Die Elektronen•laufen durch das Miniband im Injektor (viele eng nebeneinander liegende Zustände)•tunneln resonant in den angeregten Zustand der aktiven Zone•relaxieren unter Abgabe eines Photons•relaxieren unter Abgabe eines Phonons•tunneln ins Miniband des nächsten Injektors

Übergitter QC-Laser für mehr als 10µm Wellenlänge

Übergänge und Transport findet mit Minibändern statt

2.4 Quanten2.4 Quanten--KaskadenKaskaden--LaserLaserPotenzialverlauf eines QC-Lasers für Emission von zwei Wellenlängen gleichzeitig

Zustände 3,4 müssen dicht nebeneinander liegen (weniger als die LO-Phononen-Energie)

Potenzialverlauf eines QC-Lasers aus SiGe

Der Transport läuft über das Valenzband.Das Design wird erschwert durch LH und HH-Zustände.Das Wachstum von definierten Schichten ist schwierig wegen Gitterfehlanpassung.

Probleme eines QC-Lasers

•Besetzungsinversion heißt auch Ansammlung von Ladungen und damit Verzerrung des Potenzialverlaufs•Übergangsenergien und –raten sind thermisch verbreitert und temperaturabhängig (erst seit 2002 bei Raumtemperatur funktionierende cw-Laser)•Epitaxie muss extrem genaue Schichtfolgen liefern, damit die Übergangsenergien, Tunnelzeiten und Relaxationszeiten stimmen

Vorteile eines QC-Lasers

•Emission ist intrinsisch extrem schmalbandig (Intrabandübergang)•Hohe Leistungen möglich (Kaskade)

InfrarotMikrowellen Ultraviolett Röntgen

Sichtbar

Frequenz (Hz)

“THz”Radiowellen

Spektralbereich für QC-Laser

Anwendungen

•Gasanalyse (ppbv) – mit differentiellen Messvervahren•Optische Nachrichtentechnik (Freistrahl) – wegen geringer Streuung•Hochfrequent aktiv modulierte Laser (THz) – wegen angepassten Lebensdauern

ABC - KIT - LTI

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