2 Heterostrukturen II III IV V VI. Nomenklatur von zusammengesetzten Halbleitern: Nach der Ordnungszahl. y z

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1 2 Heterostrukturen Nomenklatur von zusammengesetzten Halbleitern: Nach der Ordnungszahl II III IV V VI AxBC y z

2 2 Heterostrukturen Gitterkonstante / nm Epitaktisches Wachstum von Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften Einfachster Ansatz: Wenn die Gitterkonstanten zueinander passen, gibt es einen Sprung im Verlauf des Leitungsund Valenzbandes Bandlückenenergie / ev AlAs GaP GaAs 0.58 InP 0.6 AlSb GaSb InAs Wellenlänge / µ m m* / m In-Konzentration

3 2 Heterostrukturen Leitungsbandkante Leitungsbandoffset Bandlücke Valenzbandoffset Eg = EL + EV Valenzbandkante

4 2 Heterostrukturen Typ I Typ II Offsets und Bandlücken bestimmen Potenzialverlauf für Elektronen und Löcher

5 2 Heterostrukturen Erinnerung: Woher kommen die Bänder in Halbleitern? Unendlich periodische Anordnung von Gitteratomrümpfen und deren Coulomb-WW Tamm-Zustand Vorsicht: Heterostrukturen sind nicht unendlich periodisch, Brechung der Symmetrie erzeugt zusätzliche Zustände am Rand eines Halbleiters (Tamm- Zustände)

6 2 Heterostrukturen Vorsicht: Bei Heterostrukturen können sich Potentialwände ergeben, die indirekt durchlässig sind!

7 2.1 Heterostrukturen (2D) Warum 2D Heterostrukturen, welche Materialien? Elektrische Eigenschaften 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 Optische Eigenschaften Passende Wahl der Bandlücke, der Absorptions- und Emissionseigenschaften Essentiell: Effiziente Kombination aus elektrischen und optoelektronischen Eigenschaften

8 2.1 Heterostrukturen (2D) 2D Heterostrukturen: Quantisierung in einer Richtung und freie Bewegung in die anderen Richtungen

9 2.1 Heterostrukturen (2D) Mehr als nur binäre Heterostrukturen Definition eines Potentalverlaufs Einfangen der Ladungsträger Definition eines Brechzahlverlaufs Formen einer optischen Mode Separate confinement heterostructure Graded index SCH

10 2.1 Heterostrukturen (2D) Kostenaspekt der Materialwahl Material Kosten pro mm 2 Si CMOS $0.01 SiGe epitaxy $0.60 GaAs epitaxy $2.00 InP epitaxy $10.00 Tokyo real estate $0.01

11 Beweglichkeiten der Materialien 2.1 Heterostrukturen (2D) GaAs/AlGaAs µ(300k)=10000 cm²/vs µ(10k) = cm²/vs Mittlere freie Weglänge: 100µm!

12 Beispiel: Hochbewegliches InAs/AlSb/GaSb (für 750GHz-Oszillatoren) 2.1 Heterostrukturen (2D) Woher kommen die Ladungsträger? -Oberfläche GaSb -Grenzfläche InSb; AlSb -Antisites -Tamm-Zustände -Dotierung mit Te oder Se Was passiert bei Beleuchtung? Te, Se Sb -Antisite Al Oberflächen- Donatoren Grenzflächen- Zustände

13 2.1 Heterostrukturen (2D) Persistente Fotoleitung in AlSb/GaSb/InAs kritischer Strom / A µ nm 1,3 µm 632 nm 1,3 µm Optisch bistabil einstellbare Ladungsträgerdichte

14 Optische Eigenschaften durch Kombination von Bandlücke und eingebauten Störstellen: GaAs leuchtet auch bei 1,3µm 2.1 Heterostrukturen (2D)

15 2.1 Heterostrukturen (2D) Verspannung Erweiterte Möglichkeiten Materialkomposition Bandverläufe Effektiven Massen (lateral) a 0 a 1 e=(a -a )/a E biaxial =E +E uniaxial hydrostatisch Einfluß auf die Bandlückenenergie e E g hydrostatisch uniaxial hh lh

16 2.1 Heterostrukturen (2D) Freiheitsgrad bei Verspannung eingeschränkt durch kritische Schichtdicke Keine dicken Proben mit hoher optischer Absorption realisierbar

17 2.1 Heterostrukturen (2D) Abwechslung bei der Verspannung: Materialsystem (GaIn)As/Ga(Pas) Bandlückenenergie[eV] GaP GaAs AlAs InAs Gitterkonstante [nm] Wellenlänge [ mm] Symmetrische Verspannung Leitungsband Kritische Schichtdicke gilt nur für Einzelschicht Absorptionskante unter der des GaAs-Substrats

18 2.1 Heterostrukturen (2D) Weitere symmetrisch verspannte Systeme Bandlückenenergie [ev] Beweglichkeit [c m/vs] 2 Gitterkonstante [nm] GaP GaAs AlAs Barriere Topf InAs In-Konzentration InP Well enlänge [ mm] eff ekti v e Mass e [ mo] Verringerung der effektiven Massen, höhere Beweglichkeiten

19 2.1 Heterostrukturen (2D) Wichtiges System für billige Hochfrequenz- Elektronik: SiGe/Si SiGe Si

20 2.1 Heterostrukturen (2D) Problem mit Versetzungen, die Beweglichkeit verringern SiGe Si

21 Resultierender Potenzialverlauf (Typ II) bildet 2DEG 2.1 Heterostrukturen (2D)

22 Übersicht: Zoo der Hochfrequenz- Strukturen 2.1 Heterostrukturen (2D)

23 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen Überblick niederdimensionale Systeme 3D 2D 1D 0D für (fast) nichts gut Quantenwell, Laser 2DEG, hochbeweglicher Transport Quantendraht, Leitfähigkeitsquantisierung Laser SET Laser

24 2.1 Heterostrukturen (1D) Realisierungen a-c: Ausschneiden aus einem 2D-System 1D Heterostrukturen: Quantisierung in zwei Richtungen und freie Bewegung in eine Richtungen

25 2.1 Heterostrukturen (1D) Elektrischer Transport: Elektronen laufen im Gänsemarsch durch die Probe 2 Jeder einzelne Kanal hat eine konstante quantisierte Leitfähigkeit Problem: Wie ist der Übergang zwischen unterschiedlich dimensionalen Systemen?

26 2.1 Heterostrukturen (1D) Realisierung d: Brechen und nochmal von der anderen Seite Epitaxie machen

27 2.1 Heterostrukturen (1D) Realisierung e: Furche ätzen und geschicktes Überwachsen Ätzen und Wachstumsdynamik sind anisotrop

28 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen (0D) Grundidee: Erzeugung von künstlichen Atomen

29 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen (0D) Realisierung a: Selbstorganisiertes Wachstum Aufwachsen gitterfehlangepasster Materialien Weiterwachsen über die kritische Schichtdicke hinaus Ausbildung von Quantendots Stranski-Krastanow

30 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen (0D) Probleme: Größe der Dots ungleichmäßig Position der Dots undefiniert Dichte inhomogen Gemitteltes Spektrum zeigt keine scharfen Linien wie beim Atom

31 Spektren von QDs in Abhängigkeit von der Spotgröße 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen (0D)

32 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen (0D) Realisierung b: Ätzen und Überwachsen (wie 1D)

33 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen (0D) Realisierung c: Indirekte Definition des Dots (Stressordot) Verspannung induziert einen QD in einer anderen Ebene in einem QW

34 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen (0D) Richtiges Design Verspannungseffekte Durchmischung der Zusammensetzung Definition der Form Reduzierung auf homogene Eigenschaften Analyse der erzielten Strukturen und Optimierung ist komplex

35 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen Erinnerung an die wahren optischen Eigenschaften in Halbleitern: Das Exziton Falsch, aber anschaulich

36 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen Wannier-Exziton (groß gegen den Gitterabstand, beweglich im Halbleiter) Bindungsenergie Hohe Oszillatorstärke 2 E B = 2µa n B a B = 4πε µ e µ = m e + m h Reduzierte Masse Vgl. H-Atom Beispiel GaAs: E B =4 mev a B =12nm

37 Spektrum von GaAs (3D) 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen Exciton direkt bei Zimmertemperatur in GaAs nicht sichtbar

38 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen Exzitonbindungsenergie in verschiedenen Halbleitern (3D)

39 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen Richtige Beschreibung von Excitonen Was ist größer, das Exziton oder die Quantenstruktur? Beispiel GaAs (bulk): a B =12nm E B =4 mev GaAs 2D: ~15meV GaAs 1D: ~30meV

40 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen Vergleich der Zustandsdichten Gemessenes Spektrum ergibt sich aus: Theoretischen Zustandsdichten mit Quantisierungseffekten Homogener Linienbreite Exzitonen Inhomogener Linienbreite Messverfahren

41 QD-Laser 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen

42 Wie aktuell ist das Thema? 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen

43 Historie der Schwellströme 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen

44 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen 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

45 Wie kann man mehr Leistung pro Volumen bei QD-Lasern erreichen? 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen

46 2.1 Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen Stapeln, weitere Dots wachsen an der gleichen Stelle Übergitter-Struktur mit identischen Dots

47 2.2 Silizium-Laser Indirekter Halbleiter Übergang geht nur indirekt mit einem Phonon

48 2.2 Silizium-Laser Erinnerung Impuls-Orts-Unschärfe: Dotierung, Störstelle x k x > 2

49 2.2 Silizium-Laser Bisherige Ansätze Probleme: Integration in Si- Standard-Prozesse Elektrisches Pumpen

50 2.2 Silizium-Laser Optische gepumpte Si-Nanokristalle Zeigen Gain Unklar: Rolle der Grenzflächenzustände und Aufweichen der Impulserhaltung wegen geringer Dimension

51 2.2 Silizium-Laser Silizium ist billig und vielversprechend - nächster Schritt: Plastik

52 2.3 Halbleiter-Übergitter Halbleiter ist ein Gitter, was ist ein Übergitter?

53 Elektrisches Feld hebt Kopplung auf 2.3 Halbleiter-Übergitter

54 Wannier-Stark-Leiter 2.3 Halbleiter-Übergitter

55 2.3 Halbleiter-Übergitter 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)

56 Übergitter als Oszillator, vgl. Gunn-Effekt (keine Bloch-Oszillationen) 2.3 Halbleiter-Übergitter

57 2.3 Halbleiter-Übergitter Wo ist THz-Strahlung? Sichtbar Radiowellen Mikrowellen THz Infrarot Ultraviolett Röntgen Frequenz (Hz) Anwendungen: Biologie Astonomie Sicherheit

58 2.3 Halbleiter-Übergitter Wie macht man sonst noch THz-Strahlung? Optischer Puls oder 2modiger Laser (Mischen)

59 Anwendungen 2.4 Quanten-Kaskaden Kaskaden-Laser Charakteristisches Spektrum für jedes Molekül (Fingerprint)

60 2.4 Quanten-Kaskaden Kaskaden-Laser Regime bei Potenzialtöpfen im elektrischen Feld (Eigentlich falsch) 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)

61 2.4 Quanten-Kaskaden Kaskaden-Laser Ga 0.38 In 0.62 As Al 0.6 In 0.4 As Schichtaufbau eines QC-Lasers (Wellenlänge 4,65µm)

62 Potenzialverlauf eines QC- Lasers (Wellenlänge 4,65µm) 2.4 Quanten-Kaskaden Kaskaden-Laser 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 τ 32 = 2,6 ps τ 21 = 0,6 ps

63 2.4 Quanten-Kaskaden Kaskaden-Laser Übergitter QC-Laser für mehr als 10µm Wellenlänge Übergänge und Transport findet mit Minibändern statt

64 Potenzialverlauf eines QC-Lasers für Emission von zwei Wellenlängen gleichzeitig Zustände 3,4 müssen dicht nebeneinander liegen (weniger als die LO-Phononen- Energie) 2.4 Quanten-Kaskaden Kaskaden-Laser

65 2.4 Quanten-Kaskaden Kaskaden-Laser 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.

66 2.4 Quanten-Kaskaden Kaskaden-Laser 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)

67 2.4 Quanten-Kaskaden Kaskaden-Laser Sichtbar Radiowellen Mikrowellen THz Infrarot Ultraviolett Röntgen Frequenz (Hz) Spektralbereich für QC-Laser Anwendungen Gasanalyse (ppbv) mit differentiellen Messvervahren Optische Nachrichtentechnik (Freistrahl) wegen geringer Streuung Hochfrequent aktiv modulierte Laser (THz) wegen angepassten Lebensdauern