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Achim Stieber
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1 Übersicht über die Vorlesung OE 3.1 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien III.1 Epitaxie III.2 Halbleiterquantenstrukturen IV. Halbleiterleuchtdioden V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

2 III. Herstellungstechnologien OE 3.2 Moderne LEDs haben einen relativ komplexen Aufbau aus einer Abfolge von massgeschneiderten Halbleiterschichten Abb. III.1: Schema einer blauen LED (Quelle IAF, FhG Freiburg)

3 Halbleiterheterostrukturen OE 3.3 Eine wichtige Anwendung moderner Epitaxieverfahren ist die Herstellung von Halbleiterheterostrukturen. Warum Heterostrukturen? 1. Einfangen von Elektronen und Löchern durch geeignete Potentialfolgen Abb. III.3: Schema der Schichten einer LED Abb. III.2: Energiebanddiagramm einer Heterostrukturdiode

Rekombinationswahrscheinlichkeit zu erhöhen Abb. III.

4 OE 3.4 Carrier escape and carrier overflow in LEDs Ladungsträger müssen eingesperrt werden, um die Rekombinationswahrscheinlichkeit zu erhöhen Abb. III.4: Energiebanddiagramme von effizienten LEDs (Quelle: E.F. Schubert) (MQW: Multi-Quantum Well)

5 Halbleiterheterostrukturen OE 3.5 Warum Heterostrukturen? Abb. III.5: Schema zur Totalreflektion in einer LED 2. Einfangen des Lichts in Wellenleiterstrukturen durch interne Totalreflektion GaAs/AlGaAsλ/4-stacks Abb. III.6: eines oberfllächenemittieren den Halbleiterlasers (VCSEL, vertical cavity surface emitting laser) 3. Erforderliche Transparenz im künstlichen Kristall 4. wavefunction engineering Quelle:

Substraten (Wafern) epitaktisches Wachstum Epitaxie: darauf anordnen

6 Epitaxie von Halbleiterkristallschichten OE 3.6 Wachstum erfolgt in dünnen Schichten als hochkristalline Struktur auf Substraten (Wafern) epitaktisches Wachstum Epitaxie: darauf anordnen (griech.) geringe Defektdichte Heterostrukturen möglich Strukturierung möglich Abb. III.7 : Schemen zur Epitaxie

7 OE 3.7 Abb. III.8: Energiebandlücken in verschiedenen Halbleitern

8 Halbleiterheterostrukturen OE 3.8 Abb. III.9: Bandlücken von verschiedenen III-V-Halbleitern Abb. III.10: Schema zur Heteroepitaxie Ga 0.47 In 0.53 As Kristallwachstum funktioniert nur für angepasste Gitterkonstanten Wichtige Materialsysteme: Al x Ga 1-x As Ga x In 1-x As Ga x In 1-x As y P 1-y Al x Ga 1-x In y P 1-y

9 Halbleiterheterostrukturen OE 3.9 Halbleiterlegierungen erlauben das Durchstimmen der Bandlücke Im Bereich x>0.4 (Bereich 2) wird das Material zu einem indirekten Halbleiter. Abb. III.11: Bandlücken von AlGaAs für verschiedene Legierungen

Halbleiterheterostrukturen OE 3.10 Für die Wirkungsweise des Bauelementes ist die Abfolge der Energieniveaus entscheidend Typ I Typ II Abb. III.

10 Halbleiterheterostrukturen OE 3.10 Für die Wirkungsweise des Bauelementes ist die Abfolge der Energieniveaus entscheidend Typ I Typ II Abb. III.12: Verschiedenen Möglichkeiten des Bandkantenversatzes in Halbleiterheterostrukturen Typ I: hohe Rekombinationswahrscheinlichkeit, gut für LEDs Typ II: Dissoziation von e-h-paaren, gut z.b. für Photodiode

11 OE 3.11 Abb. III.13: Schemen zu AlGaInP-LEDs

12 Methoden der Epitaxie: LPE OE ) Flüssigphasenepitaxie (liquid phase epitaxy, LPE) Abb. III.14 : Schema zur Flüssigphasenepitaxie 1. Substrat wird an gesättigter Schmelze vorbeigezogen 2. Abscheidung auf kühlerem Substrat Vorteile: schnelles Wachstum, kostengünstig Nachteile: keine sehr präzise Schichtdickenkontrolle (>10 nm)

Methoden der Epitaxie: MBE OE 3.13 2.) Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) Abb. III.

13 Methoden der Epitaxie: MBE OE ) Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) Abb. III.15 : Schema zur Molekularstrahlepitaxie 1. Verdampfung aus fester Quelle im Ultrahochvakuum (10-10 mbar)

14 Methoden der Epitaxie: MBE OE 3.14 Abb. III.16 : Schema zum Atomeinbau bei der MBE 2. Adsorption, Dissoziation (As 2 ), Diffusion auf Substrat (ggf. Desorption) 3. Wachstum einer kristallinen Schicht

15 Methoden der Epitaxie: MBE OE 3.15 Abb. III.15 : Schema einer MBE-Anlage

16 Methoden der Epitaxie: MBE OE 3.16 Vorteile: Niedrige Wachstumstemperaturen Sehr dünne Schichten möglich sehr scharfe Übergänge (Monolagen) in-situ Kontrolle mit Elektronenstrahlen Nachteile: aufwändige Vakuumtechnik dadurch sehr geringer Durchsatz Abb. III.16 : MBE-Anlage wichtig insbesondere für die Forschung aber nicht nur

17 OE 3.17 Abb.III.17:

18 Methoden der Epitaxie: MOVPE OE 3.18 MOVPE: Metal organic vapor phase epitaxy oder auch MOCVD: Metal organic chemical vapor depostion Abb. III.18 : Schema einer MOCVD-Anlage

19 OE 3.19 MOCVD Abb. III.19 : Schema einer MOCVD-Anlage 1. Precursor-Moleküle werden mit Trägergas zum geheizten Substrat transportiert 2. thermische Zersetzung auf dem Substrat Quelle: N. Stath 3. epitaktisches Wachstum

20 OE 3.20 Abb. III.20: MOCVD-Reaktor Quelle: N. Stath, Osram OS

21 Methoden der Epitaxie: MOVPE OE 3.21 Vorteile: Sehr flexibel, sehr breites Spektrum an Verbindungen Sehr dünne Schichten, scharfe Übergänge Produktion im Großmaßstab möglich Nachteile: Teure, z.t. gefährliche Quellen (Precursor) Anwendungen: Bauelemente mit geringen Schichtdicken, präzisen Grenzflächen und verschiedenen Dotierungen dominante Form der Herstellung von Halbleiterheterostrukturen Leuchtdioden, Halbleiterlaser, Solarzellen,

Epitaxieanlagenbau: Aixtron OE 3.22 Abb. III.

22 Jahresergebnis Aixtron in % 2002 2003 2004

22 Epitaxieanlagenbau: Aixtron OE 3.22 Abb. III.21: Bild eines AIXTRON-Reaktors Fa. AIXTRON, Aachen ist Weltmarktführer bei MOVPE- Anlagen Abb III.22 Jahresergebnis Aixtron in % Abb.III. 23: Aktienkurs Aixtron Abb. III.24: Mitarbeiterzahl Universität Aixtron Karlsruhe (TH)

23 Übersicht über die Vorlesung OE 3.23 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien III.1 Epitaxie III.2 Halbleiterquantenstrukturen IV. Halbleiterleuchtdioden V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

24 III.3.2 Halbleiterquantenstrukturen OE 3.24 Bei Verkleinerung der Struktur (d 10nm) schlägt wieder die Quantenmechanik zu Keine freie Bewegung in z-richtung, keine Ausbildung von Blochwellen z Stattdessen lokalisierte Wellenfunktionen wie in der Atomphysik Abb. III.26: Potentialtöpfe in Halbleiterheterostrukturen Ausbildung von Quantentrögen (Quantum wells)

25 Das Elektron im Quantum Well OE 3.25 zeitunabhängige Schrödingergleichung: V(z) 0 L Gute Näherung: Potentialbarriere ist unendlich hoch Wellenfunktion muss an den Rändern verschwinden z Abb. III.27: Schema zum unendlich hohen Potentialtopf Lösungen: Wellenfunktionen Energien

26 Das Elektron im Quantum Well OE 3.26 Abb. III.28: Energieniveaus und Wellenfunktionen im Potentialtopf 1 jkxx jky y Ψ QW ( r ) = umk,, (, )e e Ψ ( ) x k x y y n z V Blochwelle in x,y-richtung Stehende, lokalisierte Welle in z-richtung

27 Optische Übergänge in Quantum Wells OE 3.27 n=1 n=2 Konsequenzen der Quantisierung: - Verschiebung der Bandlücke zu höheren Energien - Veränderte Übergangsmatrixelemente Veränderte Zustandsdichte Abb. III.29: Optische Übergänge im Potentialtopf Abb. III.30: Energieabhängigkeit der Zustandsdichte für verschiedene Dimensionen des Halbleiters Veränderte Absorptions-/Emissionsspektren

OE 3.28 3D 2D 1D 0D: 3-dimensionale Quantisierung

28 OE D 2D 1D 0D: 3-dimensionale Quantisierung und schliesslich zum 0D-Fall: Stranski-Krastanov-Wachstum von Quantenpunkten Abb. III.31: Schema zum Wachstum von Quantenpunkten Quelle: J. Reithmaier, U Würzburg

29 Kristallwachstum OE 3.29 Abb. III.32: Verschiedene Wachstumsmodi beim Kristallwachstum Quelle: Universität H. Schweizer, Karlsruhe U (TH) Stuttgart

30 OE 3.30 Emissionseigenschaften von Quantenpunkten Abb. III.33: Optische Eigenschaften von Quantenpunkten Quelle: J. Reithmaier, U Würzburg

31 OE 3.31 Abb. III.34:

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