Кафедра микро- и наноэлектроники, СГПб. ЭТУ «ЛЭТИ» Курс: Технология полупроводниковых гетероструктур (V курс, II 1 семестр) Иванов Сергей Викторович (р. 292 -7124, моб. +7 -921 -943 -6355, ivan@beam. ioffe. ru) гл. н. с. , д. ф. -м. н. , ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, профессор СГПб. ЭТУ «ЛЭТИ» , АУ РАН 1983, ЛЭТИ, ФЭТ, кафедра оптоэлектроники при ФТИ им. А. Ф. Иоффе 1989, к. ф. -м. н. , Исследование процессов роста методом молекулярнопучковой эпитаксии эпитаксиальных слоев (Al, Ga)As и гетероструктур низкопороговых инжекционных лазеров (специальность 01. 04. 10 – физика полупроводников и диэлектриков) 2000, д. ф. -м. н. , Полупроводниковые квантово-размерные гетероструктуры на основе широкозонных соединений А 2 В 6 (основы технологии получения методом молекулярно-пучковой эпитаксии и исследование свойств) (специальность 01. 04. 10) Группа молекулярно-пучковой эпитаксии: широкозонные А 2 В 6/Al. Ga. As (In. As), узкозонные А 3 В 5, А 3 -нитриды, полумагнитные гетероструктуры http: //www. ioffe. ru/qslab/beam С. В. Иванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ»
2 Основными целями курса являются: Ø Овладение физическими закономерностями, определяющими свойства многокомпонентных полупроводниковых соединений А 3 В 5 и А 2 В 6 и многослойных квантоворазмерных гетероструктур на их основе, применяемых в приборах и устройствах опто- и микроэлектроники, во взаимосвязи с технологическими методами и условиями их получения. Ø Формирование навыков проектирования технологического процесса получения полупроводниковых гетероструктур на примере молекулярно-пучковой и газофазной эпитаксий, используя весь спектр известных полупроводниковых соединений А 3 В 5 и А 2 В 6 Обратная связь: экзамен • Экскурсия в ФТИ и ознакомление с технологическим и экспериментальным оборудованием, методикой эксперимента, направлениями исследований С. В. Иванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ»
3 Технология полупроводниковых наногетероструктур Полупроводниковые соединения Бинарные соединения А 3 В 5 и А 2 В 6 Полупроводниковые технологии Получение монокристаллов Изовалентные твердые растворы Газофазная эпитаксия Многокомпонентные твердые растворы Молекулярнопучковая эпитаксия Термодинамическая модель твердых растворов, явления несмешиваемости, спинодальный распад Методы исследования гетероструктур Контактные явления в гетероструктурах Зонные диаграммы p-n и гетеропереходов Гетеропереходы I и II рода и их химическая специфика Квантовые ямы, сверхрешетки, лазеры с раздельным ограничением, транзисторы - НЕМТ Квантовые нити, квантовые точки, п/п приборы с КТ Многослойные гетероструктуры, наноструктуры Квантоворазмерные гетероструктуры Низкоразмерные наноструктуры Псевдоморфизм, пластическая релаксация, дефекты в ГС С. В. Иванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ»
4 Литература по курсу Основная литература 1. Ж. И. Алферов. История и будущее п. п. гетероструктур - ФТП, 32, 3(1998). 2. Х. Кейси, М. Паниш. Лазеры на гетероструктурах - М. , Мир, 1981. (2 тома). 3. Molecular Beam Epitaxy: From research to mass production. Henini M, editor. Elsevier Inc. , 2013 Chapter 27: S. V. Ivanov, S. V. Sorokin, I. V. Sedova, Molecular beam epitaxy of wide-gap II–VI laser heterostructures. 4. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы. /Под ред. В. В. Лучинина, Ю. М. Таирова, М. : ФИЗМАТЛИТ, 2006 5. В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева, Материалы и элементы электронной техники. В 2 -х т. Т. 1. Проводники, полупроводники, диэлектрики. М. : Академия, 2006. 440 с. 6. В. В. Кузнецов, П. П. Москвин, В. С. Сорокин. Неравновесные явления при жидкостной гетероэпитаксии полупроводниковых твердых растворов - М. : Металлургия, 1991. 7. Л. Ченг, К. Плуг. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. - Пер. с англ. , под ред. Ж. И. Алферова, Ю. В. Шмарцева- М. : Мир, 1989. 8. М. Херман. Полупроводниковые сверхрешетки. - М. : Мир 1989. 9. Нанотехнологии в электронике. /Под ред. Ю. А. Чаплыгина, М. : Техносфера, 2005 10. А. И. Лебедев, Физика полупроводниковых приборов. / М. : ФИЗМАТЛИТ, 2008 11. Р. Э. Ньюнхем, Свойства материалов. Анизотропия, симметрия, структура. / пер. с англ. А. А. Чумичкиной, М. -Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика» , Институт компьютерных исследований, 2007. (Robert. E. Newnham, Pen. State University) 12. Y. Hasegawa, A. Yoshikawa, Wide-Gap Semiconductor Compounds, Springer, 2007. С. В. Иванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ»
5 С. В. Иванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ»
Дополнительная литература n n n n 6 А. А. Барыбин, В. Г. Сидоров. Физико-технологические основы электроники. – СПб. : «Лань» . 2001. 272 с. Ж. И. Алферов. Физика и жизнь. – СПб. : Наука, 2000, 255 с. M. A. Herman, H. Sitter. Molecular beam epitaxy. Springer, Berlin, 1989. С. G. Van de Walle, Band lineups and deformation potentials in the model-solid theory, Physical Review B 39 (3), 1871 -1882 (1989 -II) I. Vurgaftman, J. R. Meyer, L. R. Ram-Mohan, Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys, Journal of Applied Physics 89(11), 5815 -5875 (2001) S. Ivanov, P. Kop’ev, Type-II (Al. Ga)Sb/In. As Quantum well structures and superlattices for opto- and microelectronics grown by molecular beam epitaxy”, in "Antimonide-related strained-layer heterostructures, ed. by M. O. Manasreh, Ch. 4, vol. 3 in Ser. "Optoelectronic properties of semiconductors and superlattices", (Gordon & Breach Science Publishers, 1997), pp. 95 -170. A. A. Toropov, O. G. Lyublinskaya, V. A. Solov’ev, S. V. Ivanov, Sb-based nanostructures for mid-IR optoelectronics // Chapter in III-V Semiconductor Heterostructures: Physics and Devices, edited by W. Z. Cai, Publisher Research Signpost, (Kerala, 2003), pp. 169 -199. S. V. Ivanov, P. S. Kop'ev and N. N. Ledentsov, Thermodynamic analysis of segregation effects in MBE of AIII-BV compounds, Journal of Crystal Growth 111, 151 -161 (1991) S. V. Ivanov, S. V. Sorokin, P. S. Kop'ev, J. R. Kim, H. D. Jung, H. S. Park, Composition, stoichiometry and growth rate control in MBE of Zn. Se based ternary and quaternary alloys, Journal of Crystal Growth 159, 16 -20 (1996) Ю. В. Трушин. Физическое материаловедение. - СПб, "Наука", 2000 D. Bimberg, M. Grundmann, N. Ledentsov, Quantum Dot Heterostructures, John Wiley & Sons, 1999, p. 279 Справочник по электротехническим материалам Т. З. - Под редакцией Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева - Л. Энергоатомиздат, 1988. С. С. Стрельченко, В. В. Лебедев. Соединения А 3 В 5. Справочник. -М. : Металлургия, 1984. С. В. Иванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ»
Полупроводник и п/п гетероструктура 7 Полупроводник – это вещество, в котором концентрация свободных носителей заряда, … может зависеть от внешних воздействий: температуры, освещения, давления и т. д. (др. отличие от металла – зависимость проводимости от температуры). П/п – это вещество, обладающее … оптической прозрачностью в каком-либо диапазоне оптического спектра (отличие от диэлектрика количественное). Полупроводники бывают … собственные и примесные: донорные (n) и акцепорные (p). Гетероструктура – в широком понимании – … гетерогенная структура, образованная из нескольких фаз (распл. -кристалл, термопара, мет-п/п) П/п гетероструктура … образуется двумя монокристаллическими п/п фазами, обладающими различными ширинами запрещенной зоны – Eg. Различие Eg приводит к появлению разрывов зоны проводимости (ЗП) и валентной зоны (ВЗ) – важнейших параметров ГС, определяющих ее специфические особенности (протекание тока, излучательную рекомбинацию и др. ). Основная задача – научиться ими управлять. Идеальный гетеропереход - гетеропереход, в котором … отсутствуют поверхностные (интерфейсные) состояния. Здесь важны не только атомная чистота и структурное совершенство обоих п/п материалов, но и близость периодов кристаллической решетки – a, и коэффициентов термического расширения – a. T. Количественное различие в a – … рассогласование периодов кристаллической решетки – (a-a 0)/a 0 (в %) С. В. Иванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ»
8 Создать п/п прибор на основе идеальной гетероструктуры – сложная физико-технологическая задача, которая заключается в: Øвыборе п/п соединения (или системы соединений) для активной области с требуемыми оптическими и электронными характеристиками (Еg, эфф. масса носителей – m* и т. д. ), Øвыборе монокристаллической подложки (материал, тип проводимости) Øподборе комплиментарных п/п соединений: v обеспечивающих необходимые профили сопряжения зон (ВЗ и ЗП) и легирования, определяемые физикой функционирования прибора, v имеющих близкие a и a. T с выбранной подложкой, Øсоздании условий технологического процесса, при которых рост эпитаксиальной пленки происходит на атомно-чистой и бездефектной поверхности с по-монослойным (желательно) контролем осаждения каждого соединения требуемой толщины и состава. Единственный гетеропереход, близкий к идеальному – Al. Ga. As/Ga. As Жизнь устроена сложнее! Мы будем изучать, как достигать поставленные цели в далеко не идеальных условиях. С. В. Иванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ»
История открытия полупроводников и п/п гетероструктур 9 1830 -1833 гг – первые полупроводники Ag 2 S, Se – Фарадей 1876 г – первые ГС Se/Cd. Se – Адамс Ней 1811 г – открытие Si (аморфный) 1886 г – открытие Ge – Винклер (предсказан Менделеевым в 1871 г) 1922 г – открытие трехэлектродного п/п прибора н основе Zn. S (цинкит) для усиления эл. cигналов, эффект электролюминесцентного свечения полупроводника ("свет Лосева" - Lossew Licht) - Олег Владимирович Лосев (Н. Новгород) приглашен Иоффе в ФТИ (1929 -1933 гг. ) ум. 1942 г 1932 г – исследования собственной и примесной проводимости п/п – Жузе и Курчатов (ФТИ) 1932 г – теория выпрямления тока на контакте металл-п/п – Иоффе и Френкель (ФТИ) 1939 г – диффузионная теория выпрямляющего p-n перехода – Давыдов 1931, 1936 – предсказание существования экситонных эффектов в п/п- Френкель (ФТИ), впоследствии экспериментально обнаружены Гроссом в 1951 г на Cu 2 O (ФТИ) Ge – основной п/п, на котором сделаны основополагающие открытия п/п электроники, перенесенные в середине 50 -х годов на более широкозонный монокристаллический Si 1948 г – Ge выпрямитель – Бардин, Браттейн 1949 г – п/п транзистр (Ge) и теория p-n перехода – Шокли, Бардин, Браттейн 1950 г – предсказание и первое экспериментальное доказательство полупроводниковых свойств А 3 В 5 (In. Sb) – Горюнова и Регель (ФТИ) 1952 -53 гг – теоретическое обоснование и синтез большинства А 3 В 5 – Велькер (Siemens) 1954 г – первая р-n структура на А 3 В 5 – Велькер 1956 г – первая р-n структура на Ga. As – Царенков и Наследов (ФТИ) 1958 г – открытие туннельного эффекта, туннельный p-n диод – Есаки (Sony) 1950 г – анализ ВАХ изотипных и анизотипных гетеропереходов (теория) – Губанов (ФТИ) 1962 г – стимулированное излучение в Ga. As p-n диоде – Рогачев, Царенков (ФТИ), Холл (Gen. El) 1963 г – концепция лазеров на двойной ГС – Алферов, Казаринов и др. (ФТИ), Кремер 1967 г – первый ДГС лазер на Ga. As. P (77 К) методом ГФЭ – Алферов и др. (ФТИ) 1968 -1969 гг – прорыв в создании Al. Ga. As/Ga. As гетероструктур методом ЖФЭ, первый 300 К ДГСИванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- Рупрехт и Вудолл (IBM) лазер, светодиоды, солнечные элементы – Алферов и др. (ФТИ), и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ» С. В.
История открытия полупроводников и п/п гетероструктур (продолжение) 10 1970 г – первый непрерывный Al. Ga. As/Ga. As гетеролазер при 300 К – Алферов и др. (ФТИ), Хаяси и Паниш (Bell Lab) c отставанием в один месяц. 70 -е гг – развитие полупроводниковой опто-и микроэлектроники на гетероструктурах (СД, лазеры, ФД, гетеробиполярные транзисторы). 1970 -71 г – идея использования 4 -х компонентных твердых растворов для независимого изменения Eg и a – Алферов и др. (ФТИ), Антипас (США) 1974 -76 г – практическая реализация лазеров на основе In. Ga. As. P на 1. 55 мкм для кварцевых ВОЛС - Мильвидский, Елисеев, Долгинов (ГИРЕДМЕТ), лазеров видимого диапазона 0. 68 мкм – Алферов и др. (ФТИ) 1980 -е – концепция гетеропереходов II рода – Кремер, Грифитс 1986 г – первый инжекционный ИК лазер на гетеропереходе II рода – Баранов и др. (ФТИ) 1970 г – идея полупроводниковых сверхрешеток – структур с одномерным периодическим потенциалом – “man-made crystal” – Езаки, Тсу (IBM) 1971 г – получение Ga. As. P/Ga. As 20 нм CР методом ГФЭ – Алферов и др. (ФТИ), Мэтьюз, Блэксли (IBM) 1971 г – теория резонансного тунеллирования в СР при прохождении тока, идея стимулированного излучения – каскадного лазера – Казаринов, Сурис (ФТИ), реализован Капассо и др. (Bell) только в 1994 г Основные эпитаксиальные технологии с МС контролем состава, легирования и толщины 1968 г – идеи МОС ГФЭ – Манасеви 1971 г – идея молекулярно-пучковой эпитаксии – Чо (Bell) Начало эры квантоворазмерных полупроводниковых гетероструктур С. В. Иванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ»
11 С. В. Иванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ»
Фундаментальные физические явления, открытые на классических гетероструктурах 12 (а) – Односторонняя инжекция. – Сверхинжекция (b) – Диффузия во встроенном квазиэлектрическом поле (c) – Электронное ограничение – Оптическое ограничение (d) – Эффект широкозонного окна (e) – Диагональное туннелирование через гетерограницу (f) – Диагональные оптические переходы на гетерогранице 2 рода С. В. Иванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ»
13 Современная установка молекулярно-пучковой эпитаксии Compact 21 T, RIBER, Франция С. В. Иванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ»
Вклад полупроводниковых гетероструктур в развитие опто- и микроэлектроники 14 ØНизкопороговые полупроводниковые лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре, лазеры с распределенной обратной связью и с распределенными брэгговскими зеркалами, поверхностно-излучающие лазеры, инфракрасные лазеры на гетероструктурах II-го рода. ØВысокоэффективные светоизлучающие диоды. ØСолнечные элементы и фотодетекторы, основанные на эффекте широкозонного окна. ØПолупроводниковая интегральная оптика, основанная на полупроводниковых РОС и РБЗ лазерах. ØГетеробиполярные транзисторы с широкозонным эмиттером. ØТранзисторы, тиристоры, динисторы с передачей светового сигнала. ØМощные диоды и тиристоры. ØПреобразователи света из инфракрасного в видимый диапазон. ØЭффективные холодные катоды. Все основные достижения по созданию ГС получены на соединениях А 3 В 5 и лишь с конца 80 -х годов на соединениях А 2 В 6 С. В. Иванов, С. В. Сорокин, «Полупроводниковые гетероструктуры» , кафедра микро- и наноэлектроники, СПб. ЭТУ «ЛЭТИ»
Скачать презентацию Кафедра микро- и наноэлектроники СГПб ЭТУ ЛЭТИ Курс
Иванов I - Введение.ppt