45 18:50 (4 hod.): 22.9., 29.9

nano

TECHNOLOGIE

E. Hulicius: 12NT (Polovodičové) nanotechnologie, FJFI, Cukrovarnická 10, zasedačka v budově A, 2014, pondělí 15:30/45 – 18:50 (4 hod.): 22.9., 29.9., 20.10. a 1.12.- exkurse, viz www.fzu.cz/~hulicius F. Novotný: Kvant. tečky : 6.10. a 13.10. a pak někdy na FJFI. Exkurse 4 hoď.:1.12.- od 15:30/45 do laboratoří MOVPE, MBE a dalších ve FZÚ AV ČR, v.v.i. v Cukrovarnické 10, Praha 6: Polovodičové epitaxní technologie MBE a MOVPE, – prof. E. Hulicius + dr. V. Novák, Elektronová- a foto-litografie - dr. V. Jurka, Nanocharakterizace, AFM a STM - dr. A. Fejfar, Nanodiamanty, příprava vlastnosti, aplikace - dr. A. Kromka. Volno: 27.10. 17.11., část listopadu a prosinec. ZK: před-termíny v prosinci 8.12. od 15:45; či 15.12. ve FZÚ.

9. Polovodičové (nano)heterostruktury Polovodičové heterostruktury, využití kvantově-rozměrových vlastností nanostruktur, důvody zavádění, materiály.

Bravaisovy mříže Dá se dokázat (např. systematickým vyšetřováním možných způsobů vrstvení rovinných mříží), že existuje pouze 14 různých prostorových mříží. Nazývají se také Bravaisovy mříže podle autora prvního úplného odvození (r. 1850). Jejich rozdělení do krystalových soustav je uvedeno v tabulce a graficky. krystalová soustava

minimální symetrie

triklinická (trojklonná)

žádná

monoklinická (jednoklonná)

jedna 2četná osa podél c

ortorombická (rombická, kosočtverečná)

tři 2četné osy podél a, b , c

tetragonální (čtverečná)


kubická (izometrická)

čtyři 3četné osy podél tělesových úhlopříček krychle

hexagonální (šesterečná)


trigonální (romboedrická, klencová)

jedna 3četná osa podél hexagon. Buňky

Krystalická mřížka, pásová energetická struktura elektronů a děr „Středoškolská pásová struktura“, pásy v „k“ prostoru, (Brillouinova zóna, přímé a nepřímé polovodiče, p-n přechod, heterostruktura, kvantová jáma, hustota stavů elektronů). Obr. pásové struktury Si a GaAs

Zopakování obecných informací o: Pásové struktuře

Vznik pásové struktury

Pásová struktura v k-prostoru

První aproximace poruchového První aproximace poruchového Druhá aproximace poruchovéh počtu, se započtením spinpočtu, bez započtení spinpočtu, se započtením spinorbitální interakce orbitální interakce orbitální interakce

Principy elektronických součástek Jevy v polovodičích: Pásová struktura polovodičů, hustota stavů, efektivní hmotnost, přímý a nepřímý polovodič. Statistika elektronů a děr ve vodivostním a valenčním pásu, Fermiho hladina, vliv příměsí. Poissonova rovnice, rovnice kontinuity, difúzní a vodivostní proud, pohyblivost. Boltzmanova kinetická rovnice, rozptylové mechanismy. Generační a rckombinační mechanismy, doba života, difúní rovnice. Přechod p-n: oblast prostorového náboje, rozložení koncentrace nositelů náboje, intenzity elektrického pole, potenciálu, difúzní napětí, Shockleyho rovnice VA charakteristiky, injekce a extrakce nositelů náboje, injekční účinnost. Bariérová a difúzní kapacita. Průraz tunelový, lavinový, jejich teplotní závislost. Heteropřechody, rozměrové kvantování, elektron v kvantové jámě, hustota stavů v 2D, 1D a OD polovodiči, rezonanční tunelování, transport elektronů v supermřížce. Dioda, výkonová dioda PIN, varikap, Zenerova dioda, tunelová dioda. Kontakt kov-polovodič - kvalitativní popis dějů v: usměrňující a neusměrňující kontakt, VA charaktcristika, Schottkyho dioda. Propustné a závěrné vlastnosti, porovnání s pn přechodem. Teplotní vlastnosti. Struktura MIS - kvalitativní popis dějů ve: slabá a silná inverze, pásový modely, reálná struktura MIS, vliv náboje v oxidu a na rozhraní. Bipolární tranzistor: funkce, zbytkové proudy, průrazné napětí, charakteristiky, zapojení SB, SC, SE a jejich vlastnosti, ss pracovní bod a jeho nastavení, parametry h a y, náhradní obvody, kmitočtové a teplotní vlastnosti. Spínací aplikace. Vliv povahy zátěže, první a druhý průraz. Unipolární tranzistor: JFET. MESFET, MOSFET, DMOS. Indukovaný a zabudovaný kanál. Vlastnosti, charakteristiky, parametry. Základní zapojení, ss pracovní bod a jeho nastavení, parametry, kmitočtové a teplotní vlastnosti. Jevy krátkého kanálu MOSFET.

Vícevrstvé součástky: diak, tyristor, charakteristiky a parametry. GTO. Optoelektronické součástky: Fotoelektrický jev, fotovodivost, spontánní a stimulovaná emise, absorpce. elektroluminiscence, katodoluminiscence. Optické vláknové a planární vlnovody: princip funkce, materiálově-technologické řešení, základní vlastnosti. Polovodičové zdroje záření a detektory: princip funkce, materiálové a konstrukční řešení, základní vlastnosti a parametry. Optické přenosové systémy: základní principy, konstrukční komponenty, dosahované parametry. Optické vláknové senzory: základní principy, vlastnosti. Vysokofrekvenční a kvantově vázané polovodičové součástky - principy činnosti, aplikace: RTD, MESFET, HEMT - modulační dotace, HBT, HET - překmitový jev, jednoelektronový tranzistorCoulombovská blokáda, laser s kvantovou jámou, polovodičový fotonásobič. Šum (typy, š. pasivní součástky, přechodu PN, FET, BJT). Modely součástek – statický, pro malý, velký signál, nf., vf. včetně základních modelů používaných v simulačních programech. Trendy technologie submikronových integrovaných obvodů na křemíku, pokroky ve zvyšování hustoty, integrace – ULSI, GSI. Ultrafialová , rentgenová , elektronová , iontová litografie. Konstrukce submikronového tranzistoru - potlačení jevu krátkého kanálu a horkých elektronů. Technologie propojování a víceúrovňové metalizace. Multičipové moduly. Jazyky HDL. Prostředky syntézy: simulace a verifikace návrhu IO. Pasivní součástky diskrétní a integrované. Základní konstrukce a parametry. Frekvenční a teplotní vlastnosti. Mikrosystém, mikrosenzor a mikroaktuátor - charakteristické vlastnosti (citlivost, nelinearita, atd.), principy činnosti (elektrostatické, piezoelektrické, magnetické, tepelné, optické, mechanické. atd.).

Vhodné a užívané prvky, sloučeniny a materiály Elementární polovodiče: křemík, křemík, křemík, (germanium, selen, diamant), ale ... často mají nepřímé přechody, Eg a n lze měnit jen málo, Sloučeninové polovodiče: AIIIBV - GaAs, InP, GaSb, ... AIIBVI - CdTe, CdSe, ... AIVBIV - GeSi, … AXIIIB(1-X)IIICV - AlGaAs, … AXIIIB(1-X)IIICYVD(1-Y)V - GaInAsSb, …

Materiály

Sloučeninové polovodiče II.B

III.A

IV.A

V.A

VI.A

2

B

C

N

O

3

Al

Si

P

S

4

Zn

Ga

Ge

As

Se

5

Cd

In

Sn

Sb

Te

6

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

Závislost šířky zakázaného pásu na mřížkové konstantě vybraných polovodičových materiálů

Struktury, heterostruktury, nanostruktury a fajnovosti (materiálové inženýrství) Homogenní struktury P-N přechody: Na těch je založena elektronika, zde pár zajímavých příkladů: Jednoduché, relativně účinné, nepříliš drahé: - LED GaAs:Si amfoterní legování; - polovodičové solární články (hlavně Si); Semiizolační - legovaná (vodivá) - silně legovaná (velmi vodivá) vrstva. Objemový krystal (bulk) - oddělovací vrstva (epitaxní buffer) – funkční epitaxní vrstva - (postupné zlepšování krystalografické kvality) Monokrystalická - polykrystalická - amorfní vrstva (nebo obráceně).

Heterogenní struktury (heterostruktury) - "klasické" Zdaleka ne pouze heterogenní P-N přechody, ale lze připravovat skoky, či pozvolné přechody šířky zakázaného pásu, indexu lomu a tak účinně miniaturizovat. Obr ze Sci. Am. 1971 Přechody I., II. (a III.) typu Obr Napnuté přechody Obr

Heterogenní struktury (heterostruktury) - "klasické" Zdaleka ne pouze heterogenní P-N přechody, ale lze připravovat skoky, či pozvolné přechody šířky zakázaného pásu, indexu lomu a tak účinně miniaturizovat. Obr ze Sci Am. 1971 Přechody I., II. a III. typu Obr Napnuté přechody Obr

Heteropřechody: (a) = b - prvního typu (b) = a - druhého typu (c)

- třetího typu

Heterostruktury prvního typu mohou být velmi různé

Heterogenní struktury (heterostruktury) - "klasické" Zdaleka ne pouze heterogenní P-N přechody, ale lze připravovat skoky, či pozvolné přechody šířky zakázaného pásu, indexu lomu a tak účinně miniaturizovat. Obr ze Sci Am. 1971 Přechody I., II. a III. typu Obr Napnuté přechody Obr

Napnutá a relaxovaná mřížka

Kvantově rozměrové struktury - Nanostruktury - "kvantové" Zmenšení jednoho, nebo více rozměrů v heterostruktuře na úroveň srovnatelnou s vlnovou délkou elektronu (od desetin do desítek nanometrů) Kvantové jámy Kvantové dráty Kvantové tečky Obr schéma, hustoty stavů, hladiny Vytváření nových "umělých" typů pásových struktur - supermřížky (rozdíl mezi supermřížkou a mnohonásobnou kvantovou jámou), kaskádové lasery

hustoty stavů

"Fajnovosti" - řešení problému heteropřechodů II. typu - QD InAs v GaAs na Si - fulereny (fullerens, také buckyballs – C60) (podle R. Buckminstera Fullera architekta, který stavěl podobné kopule) - kaskádové lasery - nanocívky - spinotronika


QD InAs/GaAs na Si



11. Kaskádové lasery a lasery se strukturou typu W Souboj těchto dvou typů struktury o reálnou aplikaci jako zdroje laserového záření ve střední infračervené oblasti, kde je mnoho možností uplatnění v medicíně, ekologii, komunikacích i ve vojenství. Přiklad aktuálního, dosud nerozhodnutého špičkového aplikovaného výzkumu, kterého se přednašeč aktivně účastní.

Základní způsoby generace záření ve (střední) infračervené oblasti

Tunable Emission Over a Wide Spectral Range

Conduction band schematic of GaInAs/ AlInAs quantum cascade laser lattice matched to InP.

Cross sectional schematic of laser waveguide structure.

Photograph of a self-contained prototype quantum cascade laser pointer realised at CQD.

Demonstrated single mode emission from quantum cascade lasers spanning both atmospheric windows.

M. Razeghi, Center for Quantum Devices, Northwestern Univ., Evanston

Uncooled Infrared (5-12 m) Quantum Cascade Lasers Lasers operating in the mid- and far-infrared (5-12 m) spectral region are desirable for many applications. Up until recently, the only such laser technologies available were based on bulky gas or solid-state lasers as well as cryogenically cooled semiconductor lasers. One of the most exciting projects at the Center for Quantum Devices (CQD) is uncooled infrared quantum cascade lasers (QCLs), which, being a semiconductor laser, is inherently compact and will help eliminate the need for bulky and unreliable cryogenic cooling. This translates to a smaller, cheaper, system with a longer lifetime and less maintenance. Besides our current records with respect to threshold current density and high peak power, we have recently demonstrated the highest power continuous wave QCLs at room temperature.

Distributed Feedback (DFB) Quantum Cascade Lasers

High Performance Lasers Operating at Room Temperature 75 period waveguide core Cavity: 3 mm x 25 m

Cross section image of a buried-ridge QCL laser.

Cross section image of a Au electroplated QCL.

Electrical and optical characteristics of a typical 9 m quantum cascade laser operating in pulsed mode at room temperature. Peak output power of 2.5 W is the highest power for a quantum cascade laser in these conditions.

Highest average power QCL.

Comparison of groups >4 m

M. Razeghi, Center for Quantum Devices, Northwestern Univ., Evanston

Uncooled Infrared (5-12 m) Quantum Cascade Lasers Lasers operating in the mid- and far-infrared (5-12 m) spectral region are desirable for many applications. Up until recently, the only such laser technologies available were based on bulky gas or solid-state lasers as well as cryogenically cooled semiconductor lasers. One of the most exciting projects at the Center for Quantum Devices (CQD) is uncooled infrared quantum cascade lasers (QCLs), which, being a semiconductor laser, is inherently compact and will help eliminate the need for bulky and unreliable cryogenic cooling. This translates to a smaller, cheaper, system with a longer lifetime and less maintenance. Besides our current records with respect to threshold current density and high peak power, we have recently demonstrated the highest power continuous wave QCLs at room temperature.



Je tedy možné spojováním různých materiálů realizovat potřebné funkční součástky (tranzistory, LEDky a lasery, detektory a sluneční články, ...) s lepšími parametry. Lze i vytvářet nejen nové materiály zadaných vlastností (složité, v přírodě neexistující ternární či kvaternání či ještě složitější sloučeniny), ale i nahrazovat je kombinací napnutých binárních systémů s lepšími a kontrolovatelnými vlastnostmi. Lze také konstruovat struktury a součástky (hlavně na bázi nanostruktur) s novými vlastnostmi (supermřížky, CL lasery, molekulární elektronika, nanoroboty (nanobots), QW, QWr(?), QD součástky, některé fotonické krystaly, fotoelektrochemické cely, ...). (Pomíjím mezi polovodiče nepatřící biologické aplikace nanočástic, katalýzu pomocí zlatých nano částic, nanomechaniku, většinu fulerémových struktur, nanobarvy, nanotextilie, ...)

Příklady součástek, které jsou založeny na neklasických (neintuitivních) kvantových fyzikálních jevech Snad nejstarší příklad je tunelová dioda. Příklady a heterodimensionální struktury pro součástky Obr. + (3) Rezonanční tunelování. Obr. Tranzistory HEMT a další, například jednoelektronové tranzistory Obr. Kvantový etalon ohmu na základě kvantového Hallova jevu. Projekt MÚ, FEL a FZÚ (P. Svoboda) Polovodičové lasery, (ty s QW a QD dvojnásobně). Povídání o postupném i skokovém zlepšování parametrů se zaváděním nových struktur. Obr B 1.4.

Heterodimensional Device Technologies

Příklady součástek, které jsou založeny na neklasických (neintuitivních) kvantových fyzikálních jevech Snad nejstarší příklad je tunelová dioda. Rezonanční tunelování. Obr. Tranzistory HEMT a další, například jednoelektronové tranzistory Obr. Kvantový etalon ohmu na základě kvantového Hallova jevu. Projekt MÚ, FEL a FZÚ (P. Svoboda) Polovodičové lasery, (ty s QW a QD dvojnásobně). Povídání o postupném i skokovém zlepšování parametrů se zaváděním nových struktur.



Kvantový normál odporu



Příklady součástek, které jsou založeny na neklasických (neintuitivních) kvantových fyzikálních jevech Snad nejstarší příklad je tunelová dioda. Rezonanční tunelování. Obr. Tranzistory HEMT a další, například jednoelektronové tranzistory Obr. Kvantový etalon ohmu na základě kvantového Hallova jevu. Projekt MÚ, FEL a FZÚ (P. Svoboda) Polovodičové lasery a LEDky, (ty s QW a QD dvojnásobně). Povídání o postupném i skokovém zlepšování parametrů se zaváděním nových struktur. Obr B 1.4.

10. Polovodičové lasery (LD) a světlo emitující diody (LED) Povídání o postupném i skokovém zlepšování parametrů se zaváděním nových nanostruktur – kvantové jámy a tečky.

V LD a v LED jsou dnes aplikovány velmi zajímavé nanostruktury, jejichž podrobnější popis může studentům pomoci pochopit i princip jiných nanostruktur. Za modré (tudíž i možnost realizovat bílé zdroje záření) LED a LD –

Nobelova cena za fyziku 2014 1.stránka webu FZÚ (3 Japonci)

Nositelé Nobelovy ceny za fyziku 2014

Isamu Akasaki Hiroši Amano Univerzita v Nagoji

Šudži Nakamura Nichia

MOVPE laboratory, Institute of Physics ASCR, v.v.i.

Nositelé Nobelovy ceny za fyziku 2014

Pomocí modrých diod lze získat bílé světlo: Složením tří barev Ozářením luminoforu MOVPE laboratory, Institute of Physics ASCR, v.v.i.

Historie

1907(!) - První elektroluminiscenční dioda - SiC, H.J. Round – (c) (Znovuobjeveno Losevem v r. 1928). 1936 - Destriau - LED z ZnS. 1952 - Welker - AIIIBV (GaAs). 1962 - Lasery (RCA, GE, IBM, MIT). 60-80 léta - Rozvoj epitaxních technologií. 70-90 léta - Zavedení heterostruktur a kvantových jam (nanotech.). 1977 - Vyřešení degradace laserů i diod (bezdislokační substráty).

Historie LED • 1947 objev tranzistoru, vývoj součástek na Ge a Si • 1962 silná luminiscence na polovodiči s přímým zakázaným pásem (GaAs) • 1962 poprvé připraven slitinový polovodič z GaAs-GaP: GaAsP (Nick Holonyak) – červená LED • 1967 George Crawford: dopování dusíkem – žlutá LEDka • Zelená LED GaP:N, ale slabší luminiscence • Herbert Kroemer a Žores Alfjorov dvojitá heterostruktura: Superjasné LED a LD (komerčně až na počátku 80. let) r. 2000 Nobelova cena za fyziku MOVPE laboratory, Institute of Physics ASCR, v.v.i.

Nové výzvy a problémy • UV laser (zvýšení intenzity světla, p-typové dopování) • Zelený laser (piezoelektrické pole, vysoká koncentrace In) • Vysokovýkonové HEMT • Růst na velkých podložkách Si(111)

MOVPE laboratory, Institute of Physics ASCR, v.v.i.

Aplikace LED levné, účinné, nestárnoucí žárovky a další zdroje záření další zvyšování účinnosti; levná bílá, (laditelnost její barevnosti); úspory energie rozšiřování vlnových délek (?), ... LD

: klas. lasery = analogie – elektronky : tranzistory?

rozšiřování vlnových délek (!); další zvyšování účinnosti (?), výkonu (!); „mnohobarevné“ čipy; paralelní optické komunikace ladění „barevnosti“; laserová spektroskopie jednofotonové zdroje pro QK, QC, ... ; životnost, cena, …

Spektrální oblasti a aplikace Z hlediska spektrálního můžeme rozdělit aplikace i materiály na: (Tab 1.1.). Hlavní proud – oblasti:

viditelná a blízká infračervená –

(obr. aplikací) Jsou to materiály dnes většinou dobře zvládnuté – z důvodů historických i technologických. Stále zůstává prostor na zlepšování parametrů, i zavádění nových struktur (kvantové tečky), převratný „break through“ ale neočekávám. Přiléhající oblasti – ultrafialová (nitridy, diamant, ...? – větší hustota optických pamětí, biomedicínské aplikace, ) střední infračervená

Definice spektrálních oblastí: (Tab 1.1.). Vztahy mezi uvedenými veličinami vlnovou délkou , energií E, frekvencí f a vlnočtem : m 1.24/E (eV), f (THz) = 300 / m (cm-1) = 10 000/ m Visible

Near Infrared (NIR)

Mid Infrared (MIR)

Far Infrared mm (FIR or Wave THz)

Wavelength (m)

0.4-0.7

0.7-2.0

2.0-20

20-1000

>1000

Energy (eV)

1.7-3.1

0.6-1.7

0.06-0.6

0.001-0.06

<0.001

Frequency (THz)

400-750

150-400

15-150

0.3-15

<0.3

500-5000

10-500

<10

Wavenumber 14000-25000 5000-14000 (cm -1)

Definice spektrálních oblastí: (Tab 1.1.).

Z hlediska spektrálního můžeme rozdělit aplikace i materiály na: Hlavní proud – oblasti:


(obr. aplikací) Jsou to materiály dnes většinou dobře zvládnuté – z důvodů historických i technologických. Stále zůstává prostor na zlepšování parametrů, i zavádění nových struktur (kvantové tečky), převratný „break through“ ale neočekávám. Přiléhající oblasti – ultrafialová (nitridy, diamant, ...? – větší hustota optických pamětí, biomedicínské aplikace, ) střední infračervená

Příklady aplikací optoelektroniky ve viditelné oblasti

Definice spektrálních oblastí: (Tab 1.1.). Z hlediska spektrálního můžeme rozdělit aplikace i materiály na: Hlavní proud – oblasti:


(obr. aplikací) Jsou to materiály dnes většinou dobře zvládnuté – z důvodů historických i technologických. Stále zůstává prostor na zlepšování parametrů, i zavádění nových struktur (kvantové tečky), převratný „break through“ ale neočekávám.

Přiléhající oblasti –

ultrafialová

(nitridy, diamant, ZnO, ...? – větší hustota optických pamětí (zápisu), biomedicínské aplikace, opracovávání povrchu, ... )

střední infračervená

Střední infračervená oblast elektromagnetického záření, která se obvykle definuje od 2 do 20 μm, je pro optoelektroniku velmi zajímavá nejen z hlediska aplikací: •Detekce, přesné a citlivé měření koncentrací různých látek (hlavně atmosférických polutantů, ale i různých průmyslových plynů) laserovou absorpční spektroskopií; •v lékařství - diagnostika - složení dechu, • i terapie - aktivace léků IČ zářením, které pronikne dost hluboko; •"free space" komunikace (atmosférické okno); •konverze optické energie na elektrickou (termofotovoltaika); •ve vojenství – atmosférické okno pro laserové zbraně; detektory, citlivá termovize; detekce výbušnin, jedů a pod.; ostraha v 2. IČ oblasti ------------------Historicky první aplikačně zaměřené práce zdrojích v (blízké) MIR oblasti byly podníceny pracemi na fluoridových vláknech s ještě nižším absolutním útlumem než mají křemenná vlákna (vlákna – Dianov, FIAN; lasery - FIAN, GIREDMET,…)

Závislost šířky zakázaného pásu na mřížkové konstantě vybraných polovodičových materiálů

In1-xGaxAsyP1-y Rovnice pro parametry kvaternárního polovodiče obecně ( = lineární kombinace parametrů binárních sloučenin): p(x,y) = (1-x)(1-y)pInP + (1-x)ypInAs + xypGaAs + x(1-y)pGaP Vztah pro mřížkovou konstantu kvaternárního polovodiče : a(x,y) = 5.8688 - 0.4176x + 0.1895y - 0.0126xy Vztah pro šířku zakázaného pásu kvaternárního polovodiče : Eg(x,y) = 1.35 + 0.672x - 1.091y + 0.758x2 + 0.101y2 + 0.111xy - 0.58x2y - 0.159xy2 + 0.268x2y2

.

Střední infračervená oblast je zajímavá i z hlediska nejmodernějšího materiálového inženýrství a nanotechnologií vzhledem k využití kvantových jevů v nových součástkách:

•"W" struktury heteropřechodů II. typu - omezení nežádoucí Augerovy rekombinace; •kaskádové lasery – patrně současné nejsložitější polovodičové součástky; vlnová délka se mění geometrií, architekturou struktury •negativní luminiscence – pozoruhodný jev s zajímavými aplikacemi;

Jak se vyrábějí: MOVPE (odhad: 95%)

LED Light Emitting Diode

1907(!) - První elektroluminiscenční dioda - SiC, H.J. Round – (c) (Znovuobjeveno Losevem v r. 1928). 1936 - Destriau - LED z ZnS. 1952 - Welker - AIIIBV (GaAs). 1962 - Lasery (RCA, GE, IBM, MIT). 60-80 léta - Rozvoj epitaxních technologií. 70-90 léta - Zavedení heterostruktur a kvantových jam (nanotech.). 1977 - Vyřešení degradace laserů i diod (bezdislokační substráty).

Rekombinace a propustné napětí

Elektroluminiscenční materiály

Heteropřechody zase jinak

(a) - jáma (past) pro elektrony a díry (nikoliv ale kvantová) (b) – kvantová jáma s elektronovými hladinami

LED struktura s trojnásobnou kvantovou jámou a vrstvou blokující elektrony

Emisní spektrum LED

?

Hlavní problém LED je dostat světlo ven!!

Jak to řešit?

Heterostruktura má efekt i v LED – nejen vymezí rekombinační oblast, a ... ?

... je i průhledná, ale …

?

... teď jen něco udělat s tvarem -

a vnější účinnost se hned vylepší.

?

A co kontakty ...

... i jejich geometrie je důležitá.

Někdy vadí absorbující podložka.

?

Anrireflexní pokrytí zvyšuje účinnost, někdy i životnost.

Zrcadla, která odráží světlo ven se dají vytvořit i ve struktuře.

Ale pozor na životnost a pnutí.

Barvy mají pro aplikaci zásadní důležitost. Řeší se to nejen materiálem (složením ternárních i kvaternárních sloučenin), ale v případě nanostruktur i jejich rozměry a geometrií.

Viditelná a blízká IČ oblast je dnes již převážně komerční záležitost. Střední a vzdálená IČ i ulrafialová oblast jsou předmětem intenzivního výzkumu.

Zlepšování účinnosti LED v čase:

Modré diody, proč tak pozdě, historie, cesta k bílé.

Bílé diody

Dvoubarevné diody (jednočipové!)

I LED-ky mohou mít rezonátory

Kolik stojí lumen?

Spektrální citlivost oka (a LED vlastnosti)

LD Laser Diode Laserová dioda

Polovodičové lasery – je to téměř synonymum, ale ne úplně.

The laser system is based around a high-luminance solid-state point-source, used to excite a remote yellow phosphor. BMW employs a high-power multi-mode blue laser diode, with an emitting surface said to be 10,000 times smaller than that of the blue chip in a high-power white pc-LED. "From an optical engineering standpoint, a laser is the ideal high-luminance source," said BMW's Abdelmalek Hanafi, co-inventor of the system. "The energy surface is small, around 10 microns by 5 microns, and the light can be focused into very small areas. The result can reach up to 3000 candela per square millimeter; at least ten times better than LEDs." As applied by BMW, the new point-source is used to complement the performance of the existing high-power white pc-LED-based illumination modules. The LEDs generate the "background" in the intensity distribution pattern, while the highluminance point source adds a hot-spot of collimated light at a greater distance, considerably increasing the driver's visibility range. Since a vehicle is a very specific platform within which to integrate a semiconductor laser diode, the designers faced some challenges, including optimizing the phosphor to meet the requirements of the application and controlling the temperature. Here the remote phosphor principle played a part, since it has the advantage of cooling the laser diode and the phosphor separately.

http://www.fotolibra.com/gallery/141835/semiconductor-laser/like / http://www.toptica.com/products/research_grade_diode_lasers/tunabl e_diode_lasers.html?gclid=CKe2hYXUusECFWj4wgodDlgAow

Wavelength

Power Datashe et

635nm

0.35W

635nm 792nm 808nm 808nm 808nm 808nm 825nm 880nm 915nm 915nm 940nm 940nm 976nm 976nm 976nm 1064nm 1470nm 1550nm

0.5W 3W 2W 2.5W 3W 5W 3W 3W 3.5W 5W 3.5W 5W 3W 3.5W 5W 3W 1W 1W

Laser jako prvek se zpětnou vazbou.

Pásová struktura jednoduchý p-n přechod, injekce elektronů.

Laserový čip – hetrorostruktura, vlnovod, rezonátor.

Vlnovod.

Pásová struktura a index lomu.

Proužková geometrie a vlnovod.

Tvar výstupního optického svazku.

Typy laserových rezonátorů

Proužková geometrie. Vymezení: - kontaktem. - kontaktem a odleptáním - příčným p-n přechodem - kontaktem, odleptáním, p-n přechodem a další epitaxí

Spontánní a stimulovaná emise

Zisk a ztráty v závislosti na energii fotonů, pro různé koncentrace elektronů v aktivní oblasti.

Laserování začíná na dlouhovlnné straně spektra (absorpce).

Pomocí heteropřechodů se vymezí oblast kde vznikne inverze populace nositelů náboje …

a i vznikne vlnovod:

Watt/Ampérová (vlastně Watt/Wattová) charakteristika, účinnost, diferenciální účinnost, diferenciální kvantová účinnost.

Prahová proudová hustota Jth dn/dt = J/ed – G(n)S – n/τ

Stavová rovnice

n, e = koncentrace elektronů, d = tloušťka aktivní oblasti, G = zisk, S = optická hustota, τ = doba života elektronů, τ´ = doba života fotonů je pod prahem redukována na

dn/dt = J/ed – n/τ

a v rovnovážném stavu (d/dt = 0) je

n = J τ/ed

Když koncentrace elektronů n vzrůstá k prahové koncentraci nth je možné vyjádřit prahovou proudovou hustotu:

Jth = ednth /τ

Prahovou koncentraci elektronů nth je možné vyjádřit

nth = 1/Γgτ´ + n0 Γ = je optický vazební faktor, g = koeficient diferenciálního zisku.

Jth = ednth /τ´ = ed/τ (1/Γgτ´ + n0)

Pak je Zavedeme

A = edn0 /τ a

B = ed/τ (1/Γgτ´)

Tloušťka aktivní oblasti v dvojité heterostruktuře vymezuje nenjen oblast kde vzniká inverze populace nositelů náboje, ale i určuje vlnovod

x = podíl Al v AlGaAs bariéře

Výstup světla z vlnovodu

Fabryho-Perrotův rezonátor: R = reflektivita; T = transmitivita P = optický výkon; L = délka rezon.

Teplotní závislost prahové proudové hustoty laseru

Čím tepleji, tím později začíná laserování a také se (většinou) zhoršuje účinnost. Zjevná je rozdílná materiálová závislost.

Empiricky zjištěná závislost prahové proudové hustoty na teplotě je: Jth = Jth0exp(Tj/T0) Tj = teplota aktivní oblasti. T0 = charakteristická teplota, indikující závislost Jth na teplotě. T0 může být pro různé teplotní oblasti různé (Eg = f(T)). Tc = bod „zlomu“.

Spolupráce FEL ČVUT a FZÚ AV ČR:

Optical Power [a.u.]

6 0 °C 7 0 °C 8 0 °C 9 0 °C

1 0 0 °C

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0,5

5 Ls

2

4 0 °C 5 0 °C

0 ,0

1000

Current Threshold Density [A/cm ]

2 5 °C 3 0 °C

0 ,8

1 ,0 -2

C u rre n t d e n s ity [k A c m ]

The temperature variations of the dependence of laser optical output power on excitation current density for lascer with 7  InAs layers and thickness of SL~7.9 nm.

0,4

T0~ 90 K 0,3 100

T0 ~ 160 K

0,2

0,1

10 0

50

100

150

200

250

300

Differential Quantum Efficiency

733 7  In A s la y e rs S L ~ 7 .9 n m

0,0 350

Temperature [K]

Temperature dependence of threshold current density and differential quantum efficiency for laser with 5  InAs layers.

Vnější rezonátor (a) podstatně zlepšuje monochromatičnost (b), ale poněkud se ztrácí výhoda miniaturnosti a kompaktnosti, je lépe řešit to uvnitř struktury (c).

(c)

Řešení problémů prostorové koherence miniaturních polovodičových laserů (Far-fields). (Je to jejich obecný problém.)

Podobně jako u LED je viditelná a blízká IČ oblast převážně průmyslová záležitost. Příprava LD pro střední a vzdálenou IČ i ultrafialovou oblast je velkou výzvou pro badatele. Často je také důležité nahradit stávající typy LD novými s výrazně lepšími parametry. Kvantové jámy (QW) Heteropřechody druhého typu

Struktury s napnutými vrstvami Kvantové tečky (QD)

Závěr LED levné, účinné, nestárnoucí žárovky a další další zvyšování účinnosti; levná bílá, (laditelnost její barevnosti); úspory energie rozšiřování vlnových délek (?), ... LD

: klas. lasery = analogie – elektronky : tranzistory?

rozšiřování vlnových délek (!); další zvyšování účinnosti (?), výkonu (!); „mnohobarevné“ čipy; paralelní optické komunikace ladění „barevnosti“; laserová spektroskopie jednofotonové zdroje pro QK, QC, ... ; životnost, cena, …

POLOVODIČOVÉ

TECHNOLOGIE

nano

XII – Naše výsledky v oboru struktur pro polovodičové lasery

Podobně jako u LED je viditelná a blízká IČ oblast převážně průmyslová záležitost. Příprava LD pro střední a vzdálenou IČ i ultrafialovou oblast je velkou výzvou pro badatele. Často je také důležité nahradit stávající typy LD novými s výrazně lepšími parametry.

Kvantové jámy (QW) Heteropřechody druhého typu Struktury s napnutými vrstvami Kvantové tečky (QD)

AlGaAs-n typ 570 nm GaAs: buffer 230 nm

GaAs:Te substrate

AlGaAs 400 nm

GaAs 150 nm

AlGaAs 320 nm

SPSLS 12x (InAs / GaAs)

AlGaAs-p typ 570 nm GaAs 700 nm

Srovnání laserů s ternární a „supermřížkovou“ (MQW) aktivní oblastí InAs/GaAs laser se supermřížkou

Ternární InGaAs QW laser

120

200

1.0

T0 = 109 K

1.0

0.8

Iex=2 A Iex=2.25 A Iex=2.5 A Iex=3 A T=300 K

0.6 0.4 0.2 0.0 1.1

1.2 1.3 Emission Energy [eV]

1.4

100 laser A o 25 C o 40 C o 50 C o 60 C o 70 C o 80 C o 85 C

50

0 0

1000

2000

Intensity

100

EL

Optical Power [W]

150

Intensity


0.8

3000

4000 2

Current Density [A/cm ]

5000

80

PL EL Iex=0.46A T=300K

0.6 0.4

T0 = 126 K

0.2 0.0 1.1

60

1.2 1.3 Emission Energy [eV]

1.4

laser B 25°C 35°C 45°C 55°C 65°C 75°C 85°C

40

20

0

6000

0

100

200

300

400 2

Current Density [A/cm ]

500

600

Vlastnosti laserů s MQW v aktivní oblasti

Podobně jako u LED je viditelná a blízká IČ oblast převážně průmyslová záležitost. Příprava LD pro střední a vzdálenou IČ i ultrafialovou oblast je velkou výzvou pro badatele. Často je také důležité nahradit stávající typy LD novými s výrazně lepšími parametry. Kvantové jámy (QW)

Heteropřechody druhého typu Struktury s napnutými vrstvami Kvantové tečky (QD)

Podobně jako u LED je viditelná a blízká IČ oblast převážně průmyslová záležitost. Příprava LD pro střední a vzdálenou IČ i ultrafialovou oblast je velkou výzvou pro badatele. Často je také důležité nahradit stávající typy LD novými s výrazně lepšími parametry. Kvantové jámy (QW) Heteropřechody druhého typu Struktury s napnutými vrstvami

Kvantové tečky (QD)

Výhody KT

 Hustota stavů ve tvaru delta funkcí  snížení nezářivé rekombinace (Auger a IVBA)  Nižší prahová proudová hustota v laserech s KT  Lepší teplotní stabilita prahového proudu  Snížení nezářivé rekombinace na zrcadlech  KT umožňují dosáhnout emitované vlnové délky 1.3m v systémech InAs/GaAs

Proč jsou KT tak intenzivně studovány? KJ

KT

Hustota stavů v objemovém polovodiči, kvantové jámě a kvantové tečce 3D

(E)

2D 0D

E1 E2

E3

E4

E

Stranski-Krastanowův mód růstu Vysoce napnuté struktury: rozdíl v mřížkových konstantách kolem 7%

InAs GaAs

Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur Mikroskopie meziatomárních sil AFM (Atomic Force Microscopy) Je vhodná i pro nevodivé vzorky. Nepožadujeme-li atomární rozlišení, je to relativně malá aparatura (ceny od 2 do 10 MKč) Rastrovací tunelová mikroskopie STM (Scanning Tunneling Microscopy) Je zapotřebí vzorky alespoň trochu vodivé. Dává atomární rozlišení, ceny podle vybavení od 0,5 do 20 MKč)

Zdroj: http://www.fzu.cz/texty/brana/atomy/spm1.php

TEM 7 vrstev KT, oddělovací vrstvy 7.5 nm

3 vrstvy KT, oddělovací vrstvy 3.7 nm

AFM

3 × QD

TEM 7 × QD

7 × QW

Kvantové tečky

Technologie přípravy: MOVPE 7. GaAs krycí vrstva 6. GaAs oddělovací vrstva 5. Přerušení růstu 30 s 4. InAs napnutá vtstva (1.4 ML) 3. GaAs podklad. vrstva 500 oC 2. GaAs podklad. vrstva 650 oC 1. GaAs substrát GaAs vrstvy: Prekursory TMGa a AsH3, celk. tlak 70 hPa, celk. průtok 8 l/min, teplota 650 oC a 500 oC, poměr V/III 150 a 43. InAs vrstvy: 50 ml/min H2/TMIn, poměr V/III 85, čas růstu 9 s, přerušení růstu 30 s.

KT překryté InGaAs KT překrytá GaAs Původní KT

KT překrytá InGaAs

Dosažená vlnová délka FL InAs/InGaAs KT

FL InAs/GaAs KT překrytých InGaAs InGaAs 23% In 45000 40000

InAs

1508B bez ternaru 1524B 13%In I*70 1527B 23%In 1526B 6%In I*35

35000 30000

GaAs

IPL(arb.u.)

25000 20000 15000

Základní stav:

10000

0.86 eV ……1.44 m

5000 0

1. excitovaný stav:

-5000 0.80

0.85

0.90

0.95

EPL(eV)

1.00

1.05

1.10

1.15

0.93 eV ……1.3 m

AFM picture of InAs/GaAs QDs

GaAs: buffer 230 nm

GaAs:Te substrate

AlGaAs-n typ 570 nm

AlGaAs 400 nm GaAs 150 nm

GaAs 150 nm

SPSLS 12x (InAs / GaAs)

AlGa As 320 nm

AlGaAs-p typ 570 nm GaAs 700 nm

Our diagnostic methods: • Nanocharacterisation - STM, AFM, TEM, • Photo and electroluminescence, • Magnetophotoluminescence, • Transport, • Photovoltaic absorption measurement, • Photocurrent spectroscopy, were used as the characterisation methods for the studying of parameters and optimisation of growth.

Naše výsledky a výstupy

MOVPE laboratory co-operations in 2005 1) ČVUT Praha - FEL 2) VUT Brno - FStavební 3) Montpellier University, France 4) NanoPLUS, Germany 5) VŠCHT Praha - FCHI - ÚFCH 6) EMF Limited, UK 7) ÚFCH AVČR Praha 8) MU Brno - PřF - ÚFPF 9) EU SAV Bratislava Slovakia 10)

Budapešť, Hungary

11) FTI A.F.Ioffe St. Petersburg Russia 12) MFF UK Praha 13) ÚRE AVČR Praha 14) Univ. Porto, Portugal 15) S-Y-S University, Kao-Shung, Taiwan

Red = MidInfrared, (Partly) Blue - other cooperations (QD mainly)

Current results of the MOVPE laboratory, red = midinfra B Publications in the Refereed Scientific Journals in 2005/2006 (9 x z 16) [1] Pavel Hazdra, Jan Voves, Eduard Hulicius and Jiří Pangrác, Optical characterisation of MOVPE grown δ-InAs layers, in GaAs, phys. stat. sol. (c) 2 (2005) 1319-1324 1) ČVUT Praha - FEL [2] Chobola Z., Juránková V., Vaněk J., Hulicius E., Šimeček T., Alibert C. Rouillard Y., Werner. R, Noise spectroscopy measurement of 2.3 µm CW GaSb based laser diodes, Elektronika 1 (2005), pp.70-73, Poland ISSN 0033-2089 2) VUT Brno - FStavební, 3) Montpellier University, France, 4) NanoPLUS, Germany [3] M. Fulem, K. Růžička, V. Růžička, T. Šimeček, E. Hulicius J. Pangrác, J. Becker, J. Koch, A. Salzmann, Vapour pressure of Di-tert-butylsilan, J. of Chemical and Engineering Data C 50 (2005) 1613-1615 5) VŠCHT Praha - FCHI - ÚFCH, 6) EMF Limited, UK [4] S. Civiš, V. Horká, T. Šimeček, E. Hulicius, J. Pangrác, J. Oswald, O. Petříček, Y. Rouillard, C. Alibert, and R. Werner, GaSb based lasers operating near 2.3 μm for high resolution absorption spectroscopy, Spectrochimica Acta Part A 61 (2005) 3066-3069 7) ÚFCH AVČR Praha, Montpellier University, France, NanoPLUS, Germany [5] M. Fulem, K. Růžička, V. Růžička, T. Šimeček, E. Hulicius, and J. Pangrác, Vapour pressure measurement of metal organic precursors used for MOVPE, in press in J. Chem. Therm. (2005) VŠCHT Praha - FCHI - ÚFCH, [6] K. Kuldova; V. Krapek, A. Hospodkova, O. Bonaventurova-Zrzavecka, J. Oswald, E. Hulicius, J. Humlicek, Photoluminescence and magnetophotoluminescence of circular and elliptical InAs/GaAs quantum dots, in print, Mat. Sci. Eng. C, (2005) 8) MU Brno - PřF - ÚFPF [7] P. Hazdra, J. Voves, Hulicius, J. Pangrác, and Z. Šourek, Ultrathin InAs and Modulated InGaAs Layers in GaAs Grown by MOVPE Studied by Photomodulated Reflectance Spectroscopy, in print Appl. Surf. Science (2005) ČVUT Praha - FEL [8] František Dubecký, Eduard Hulicius, Secondo Franchi, Andrea Perďochová-Šagátová, Bohumír Zaťko, Pavel Hubík, Enos Gombia, Pavel Boháček, Jirka Pangrác, and Vladimír Nečas, Performance study of radiation detectors based on semi-insulating GaAs with P+ homo- and heterojunction blocking electrode, in print in Nuclear Instruments and Methods (2005) 9) EU SAV Bratislava Slovakia, 10) Budapešť Hungary [9] S. Civiš , V. Horká, J. Cihelka, T. Šimeček, E. Hulicius, J. Oswald, J. Pangrác, A. Vicet, Y. Rouillard, A. Salhi, C. Alibert, R. Werner and J. Koeth, Room temperature diode laser spectroscopy of near 2.3 µm, Apl. Phys. B 81 (2005) 857-861 ÚFCH AVČR Praha, Montpellier University, France, NanoPLUS, Germany [10] J. Oswald, J. Pangrác, E. Hulicius, T. Šimeček, K. D. Moiseev, M.P. Mikhailova, and Yu.P. Yakovlev, Luminescence of type II broken gap P-Ga0.84In0.16As0.22Sb0.78/p-InAs heterostructures with high mobility electron channel at the interface, J. Appl. Phys. 98 (2005) 11) FTI A.F.Ioffe St. Petersburg Russia [11] K.D. Moiseev, A.P. Astakhova, G.G. Zebrya, M.P. Mikhailova, Yu.P. Yakovlev, E. Hulicius, A. Hospodkova, J. Pangrác, K. Melichar, and T. Šimeček, Electroluminescence of AlSb/InAsSb/AlSb quantum well heterostructure grown by MOVPE, sent to Appl Phys Lett. (2005) FTI A.F.Ioffe St. Petersburg Russia [12] D. Kindl, P. Hubík, J. Krištofik, J.J. Mareš, E. Hulicius1, J. Pangrác, K. Melichar, Z. Výborný, and J. Toušková, Transport-controlling deep defects in MOVPE grown GaSb, sent to Semiconductor Science and Technology, (2006) 12) MFF UK Praha [13] A.Hospodková, K. Kuldová, E. Hulicius, J. Oswald, J. Pangrác, J. Zeman, V. Křápek, J. Humlíček, Luminescence and magnetophotoluminescence of vertically stacked InAs/GaAs quantum dot structures, sent to Phys Rev. B (2006) MU Brno - PřF - ÚFPF [14] K.D. Moiseev, A.P. Astakhova, G.G. Zebrya, M.P. Mikhailova, Yu.P. Yakovlev, E. Hulicius, A. Hospodkova, J. Pangrác, K. Melichar, and T. Šimeček, Qauntum well InAsSbP/InAsSb/AlAsSb laser heterostructures grown by combined MOVPE technology, prepared for Appl Phys Lett. (2006) FTI A.F.Ioffe St. Petersburg Russia [15] V. Křápek, K. Kuldová, J. Humlíček, A.Hospodková, J. Oswald, J. Pangrác, K. Melichar, E. Hulicius, Shape of InAs/GaAs quantum dot structures, AFM, prepared for APL (2006) MU Brno - PřF - ÚFPF [16] E. Samochin, H.H. Huang, J. Toušková, E. Hulicius, L-W. Tu, J. Pangrác, K. Jurek, I. Drbohlav, Model of transport in heavily strained InAs/GaAs quantum dot structures, prepared for Mat. Res and Eng. (2006) 12) MFF UK Praha, 15) S-Y-S University, Kao-Shung, Taiwan

Current results - 2005 D Papers at the International Conferences [67] P.Hazdra, J.Voves, E.Hulicius, J.Pangrác and Z.Šourek, Ultrathin InAs and modulated InGaAs layers in GaAs grown by MOVPE studied by photomodulated reflectance spectroscopy, Proc. of MRS meeting, Strasbourg 31.5. -3.6. 2005, p. P-18/32 [68] M.Fulem, K.Růžička, V.Růžička, T.Šimeček, E.Hulicius, J.Pangrác, Naphthalene as a Reference Material for Vapour Pressure Measurement, Thermodynamics 2005 6th-8th April 2005, Sesimbra, Portugal, Proc P. 12 [69] M.Fulem, K.Růžička, V.Růžička, T.Šimeček, E.Hulicius, J.Pangrác, Reliable extrapolation of vapour pressure data using simultaneous multi-property correlation for TMGa and TMAl, EW MOVPE XI, Lausane, June 6-8th 2005, Proc. p. 219-221 [70] A. Hospodková, V. Křápek, O. Bonaventurova, K. Kuldová, J. Pangrác, E. Hulicius, J. Oswald, T. Šimeček, Modification InAs/GaAs quantum dot shape in vertically correlated structures, EW MOVPE XI, Lausane, June 6-8th 2005, Proc. p. 87-89 [71] L. Dózsa, P. Hubik, A.L. Tóth, A. Pongrácz, E. Hulicius, A.A. Koós, Nanostrucure in In0.2Ga0.8As/GaAs quantum well structure, Hungarian Nanotechnolgy Symposium 2005, HUNS 2005, 21-22 March, 2005., Budapest, Hungary, ISBN 9637371176, Proc p. 52 [72] K.D. Moiseev, E.V. Ivanov, G.G. Zegrya, M.P. Mikhailova, Yu.P. Yakovlev, E. Hulicius, A. Hospodkova, J. Pangrac, K. Melichar, T. Simecek, Room-temperature electroluminiscence of InAsSbP/InAsSb/AlAsSb qauntum wells grown by MOVPE, presented at NGS-12, 2005, Toulouse, France [73] J. Cihelka, V. Horká, S. Civiš, T. Šimeček, E. Hulicius, J. Oswald, J. Pangrác, A. Vicet, Y. Rouillard, A. Salhi, C. Alibert, R. Werner, and J. Koeth, Laser diode photoacoustic spectroscopy near 2.3 μm, MIOMD VII conference, Lancaster 2005, Proc. p. 62 [74] K. Moiseev, K.D. Moiseev, E.V. Ivanov, G.G. Zegrya, M.P. Mikhailova, Yu.P. Yakovlev, E. Hulicius, A. Hospodkova, J. Pangrac, K. Melichar, T. Simecek, Electroluminescence AiSb/InAsSb/AlSb quantum well heterostructure grown by MOVPE, MIOMD VII conference, Lancaster 2005, Proc. p. 51 [75] L. Dózsa, P. Hubik, A.L. Tóth, A. Pongrácz, E. Hulicius, A.A. Koós, J. Oswald, NOrange-peel effect in InGaAs/GaAs anostrucure in In0.2Ga0.8As/GaAs quantum well structure, Hungarian Nanotechnolgy Symposium 2005, HUNS 2005, 21-22 March, 2005., Budapest, Hungary, ISBN 9637371192 ISBN 9637371184, Proc. p. 127-130 [76] F. Dubecky, [77] E. Hulicius, A. Hospodková, K. Kuldová, V. Křápek, J. Humlíček, J. Pangrác, J. Oswald, K. Melichar, and T. Šimeček, Characterization of MOVPE prepared InAs/GaAs quantum dots, accepted for Mezinárodní konference "Nanovědy, nanotechnologie a nanomateriály", NANO´05, 8. - 10. 11. 2005 , Brno, VUT, Fak. stroj. inž., Abstr. booklet p. 29 [78] K.Kuldová, J. Oswald, E. Hulicius, A. Hospodková, J. Pangrác, and K. Melichar, InAs/GaAs Quantum Dots with Long Wavelength Emission, accepted for Mezinárodní konference "Nanovědy, nanotechnologie a nanomateriály", NANO´05, 8. - 10. 11. 2005, Brno, VUT, Fak. stroj. inž., Abstr. booklet p. 104

==================================================== E Papers at the National Conferences [62] P.Hazdra, J,Voves, E.Hulicius, J.Pangrác, Ultrathin MOVPE Grown InAs Layers in GaAs Characterized by Photomodulated Reflectance Spectroscopy, Workshop 2005, Prague February 7-11, 2005 [63] J. Pangrác, J. Walachová, J. Vaniš, E. Hulicius, PROSTOROVĚ ROZLIŠENÁ BALISTICKÁ ELEKTRONOVÁ EMISNÍ SPEKTROSKOPIE BEES NA JEDNOTLIVÝCH KVANTOVÝCH TEČKÁCH InAs/GaAs UZAVŘENÝCH V AlGaAs/GaAs HETEROSTRUKTUŘE, NANOTEAM Kick-off meeting Brno, 21.4. 2005

MOVPE projects 2005/2006 EC Gas laser analysis by infrared spectr. (GLADIS)–Cost RTD IST-2001-35178 (2002-05) GAČR Kvantově rozměrné, napnuté polovodičové struktury připravené technologií MOVPE (garant postdoktorandského grantu - A Hospodková) 202/02/D069 (2002-2005) GAČR Kvantové tecky s dlouhovlnnou emisí (projekt J.Oswalda)-202/03/0413 (2003-05) GAAV Mechanismus zářivé rekombinace v subnanometrových InAs/GaAs laserových strukturách (spoluřešitel je FEL ČVUT) A1010318 (2003-2005) GAČR Měření tenze par organokovů (spoluřešitel prof. V. Růžičky)- 203/04/0484 (2004-06) EC Network of Excelence NoE - Photonic Integrated Components and Circuits (ePIX) (koordinátor pracoviště přidruženého partnera č. 10) - (2004-2009) GAČR Emise z kvantových teček (účast na projektu J.Pangráce)- 202/05/.... (2005-2007) GAČR GAČR

Kvantové tečky - příprava, PL, teorie Oswald/Munzar/Hazdra- 202/06/.... (2006-2008) Kvantové tečky – příprava, tvar, teorie, Krapek/Hospodková - 202/06/.... (2006-2007)

EU STREP MŠMT Centrum

NEMIS 2006-9 ?? (Evaluace - 25.5 bodu, (23 práh), ale …) CARDINAL 2006-10 ??

EU projekty, týkající se MID IR oblasti Control of Enviromental Pollution by Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy in the Spectral Range 2 - 4 µm ERB 3512 PL 940813 * (COP 813) (1994 - 1997) Actaris SAS, DE, Schlumberger Industries SA, FR, University of Montpellier, FR, Thales, FR, Nanoplus, DE, Gaz de France, FR, , Gas Natural, ES, Omnisens, CH

Advanced Room Temperature Mid-infrared Antimony-based Lasers by MOVPE – (ADMIRAL) ERB INCO COPERNICUS 20CT97*BRITE/EURAM III-BRPR-CT97-0466 (1997-2000) EPICHEM, Bramborough, UK, AIXTRON, Aachen, Germany, RWTH, Aachen, Germany, UM2 University of Montpellier, France

Gas Laser Analysis by Infra-red Spectroscopy – (GLADIS) IST-2001-35178 (2002 - 2005) UM2 University of Montpellier, France, Ioffe Physicotechnical Institute St. Petersburg, Russia, Fraunhofer Institute, Garmisch-Partenkirchen, Germany, Institute of Electron Technology, Warsaw, Poland, IBSG, St. Petersburg, Russia

Historicky první aplikačně zaměřené práce zdrojích v (blízké) MIR oblasti byly podníceny pracemi na fluoridových vláknech s ještě nižším absolutním útlumem než mají křemenná vlákna (Dianov – FIAN). Ternární a kvaternární sloučeniny na bázi Sb (FIAN (GIREMET), později FTI, Bel Lab., Kobayashi, …) - vše LPE Ale, … Jiné aplikace – viz úvod.

Naše první práce: (můj první kontakt antimonidy a MIR lasery byl v letech 1976/77, ale, ..) V osmdesátých letech ve FTI Ioffe spolupráce již možná byla.

The NEMIS project aims at the development and realisation of compact and packaged vertical-cavity surface-emitting semiconductor laser diodes (VCSEL) for the 2-3.5 µm wavelength range and to demonstrate a pilot photonic sensing system for trace gas analysis using these new sources. The availability of electrically pumped VCSELs with their low-cost potential in this wavelength range that operate continuously at or at least near room-temperature and emit in a single transverse and longitudinal mode (i. e. single-frequency lasers) is considered a basic breakthrough for laser-based optical sensing applications. These devices are also modehop-free tuneable over a couple of nanometers via the laser current or the heatsink temperature. They are therefore ideal and unmatched sources for the spectroscopic analysis of gases and the detection of many environmentally important and/or toxic trace-gases, which is a market in the order of 10 million Euro today with an expected increase into several 100 million Euro with the availability of the new VCSELs


1400

25°C 50°C

1200 1000 800 600 400 200 0

0

10

20

30

40

Excitation Current [mA]

0 -10

EL Intensity [dB]

-20

T=25°C T=50°C T=70°C Iex=70 mA

-30 -40 -50 -60 -70 -80 -90

2340

2360

2380

2400

2420

2440

Wavelength [nm]

2460

2480

50

1500 0 -1500

T = 60 °C, I = 100-120 mA

1500 0

T = 60 °C, I = 83-103 mA

4334.5

4335.0

4336.0 1500 0 -1500

4336.5

4338.5

4339.5

4339.0

4340.0

4340.5

T = 46.4 °C, I = 100-120 mA

4340.0

1500 0 -1500

4340.5

4341.0

T = 44.1 °C, I = 97-117 mA

4341.0

1500 0 -1500

4341.5

4342.0

4342.5

T = 44.1 °C, I = 78-98 mA

4343.0

4343.5

4344.0

EL Intensity [arb. units]

4338.0

T = 52.7 °C, I = 79-99 mA

4339.0

1500 0 -1500

150

4337.0

T = 52.7 °C, I = 98-118 mA

4337.5

1500 0 -1500

4335.5

100

50

0 1000

Absorption measurement

CONDITIONS Ageing: TA=50 °C, IA=100 mA Measuring: TM=25 °C, IM=60 mA 2000

3000

4000

5000

Intensity (arb.u.)

Ageing time [hours] T = 40.7 °C, I = 86-106 mA

1500 0

4343.5

1500 0

4344.5

4345.0

1500 0 -1500

4344.5

4345.5

4346.0

T = 34.8 °C, I = 79-99 mA

4346.5

1500 0 -1500 1500 0 -1500

4344.0

T = 34.8 °C, I = 98-118 mA

4347.0

4347.5

4348.0

T = 34.8 °C, I = 60-80 mA

4348.0

4350.0 T = 22.2 °C, I = 79-99 mA

1500 0 -1500

3000 1500 0 -1500

4353.0

4348.5

4349.0

T = 22.2 °C, I = 98-118 mA

4351.5

4352.0

4350.5

4349.5

4351.0

4352.5

4353.0

T = 22.2 °C, I = 60-80 mA

4353.5

4354.0

4354.5

1

6000

3000

Methane Ethane x 10 Butane x 10

2500

Intensity(a.u.)

2000 1500 1000 500 0 -500 4210.0

4210.5

4211.0 -1

Wavenumber(cm )

4211.5

Growth and properties of InAs/InxGa1-xAs/GaAs quantum dot structures E. Hulicius1, J. Oswald1, J. Pangrác1, J. Vyskočil1,3, A. Hospodková1, K. Kuldová1, K. Melichar1, T. Šimeček1, T. Mates 1, V. Křápek 4, J.Humlíček 4, J. Walachová2, J. Vaniš2, P. Hazdra3, and M. Atef 3 MOVPE laboratory 1Institute 2Institute 3CTU 4MU

of Physics AS CR, v. v. i., Cukrovarnická 10, 162 00, Prague 6, Czech Republic

of Photonics and Electronics AS CR, v. v. i., Chaberská 57, 182 51 Prague 8, Czech Republic

- FEE, Technická 2, 166 27, Prague 6, Czech Republic

- PřF, Kotlářská 2, 611 37 Brno, Czech Republic

Vertically correlated structures

Lateral shape of InAs/GaAs quantum dots in vertically correlated structures We found ways to control the energy difference between PL transitions by adjusting properly the spacer thickness, the number of QD layers, and the growth conditions (e.g. V/III ratio). We also found an efficient way to control the emission wavelength by changing the number of QD layers.

A. Hospodková, E. Hulicius. J. Oswald, J. Pangrác, T. Mates, K. Kuldová, K. Melichar, and T. Šimeček, Properties of MOVPE InAs/GaAs quantum dots overgrown by InGaAs, J. Cryst. Growth, 298 (2007), 582-585.

Vertically correlated structures

Spacer thickness

1.6 b

1.4 circular Q D

a

1.0

Yellow = GaAs [1 1 0 ]

0.8 4

6

8

10

S p a ce r thickne ss [n m ] E

70

PL intensity [a.u.]

2

Energy difference [meV]

1.2

Blue = InAs

[-110]

QD elongation a/b

1.8

60

50

6 4 2 0 0.8

0.9

1.0

1.1

Energy [eV] 40

30 4

6

8

10

Spacer thickness [nm]

J. Cryst. Growth 298 (2007) 582-585.

Kvantové tečky

Magnetophotoluminescence, elongation

Elongation of InAs/GaAs QD determined from magnetophotoluminescence measurements

We use magnetophotoluminescence for determination of the lateral anisotropy of buried quantum dots. While the calculated shifts of the energies of higher radiative transitions in magnetic field are found to be sensitive to the lateral elongation, the shift of the lowest transition is determined mainly by the exciton effective mass. This behavior can be used for determining both the effective mass and the elongation fairly reliably from spectra displaying at least two resolved bands.

V. Křápek, K. Kuldová, J. Oswald, A. Hospodková, E. Hulicius, J. Humlíček, Elongation of InAs/GaAs quantum dots from magnetophotoluminescence measurements, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 153108.


Fig. 1 MPL energies calculated for a) circular and b), c) elongated QDs. Parameters used in the calculations: m* = 0:045m0, ħx = 100 meV, a) ħy = 100meV (L = 1:0), b) ħy = 150meV (L = 1:5), c) ħy = 200meV (L = 2:0). The energies of the lowest transition at zero field were set to 1.1 eV (corresponding to the vertical confinement energy). Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 153108.


Fig. 2 Energy of the lowest MPL transition against magnetic field for elongated QDs. The experimental values (squares) and calculated energies with parameters ħx = 100 meV, ħy going from 100meV (thinner lines) to 200meV (thicker lines), and effective masses 0:03m0 (dashed), 0.04m0 (dotted), 0.05m0 (dash dotted), 0.06m0 (dash dot dotted), indicated by the arrows. The best agreement with the experimental data has been obtained for ħy = 160meV and m* = 0.045m0 (thick solid line). Appl. Phys. Lett. 89 (2006), 153108.


Fig. 3 Energy of the first higher MPL transition against magnetic field for elongated QDs. The experimental values (squares) and calculated energies with parameters ħx = 100 meV, m* going from 0.045m0 (thinner lines) to 0.05m0 (thicker lines), and ħy values of 100meV (dashed), 120meV (dotted), 140meV (dash dotted), 160meV (dash dot dotted), 180meV (short dashed), 200meV (short dotted). The best agreement with the experimental data has been obtained for ħy = 160meV and m* = 0.045m0 (thick solid line). Appl. Phys. Lett. 89 (2006), 153108.

BEEM / BEES

Study of InAs quantum dots in AlGaAs/GaAs heterostructure by

ballistic electron emission microscopy/spectroscopy

J. Walachová, J. Zelinka, V. Malina, J. Vaniš, F. Šroubek, J. Pangrác, K. Melichar, and E. Hulicius, Study of InAs quantum dots in AlGaAs/GaAs heterostructure by ballistic electron emission microscopy/spectroscopy, Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 042110 and Appl. Phys. Lett. 92 1 (2008) 012101-1.

BEEM (microscopy)

AFM – topography

ballistic current (in pA at Itun = 2.5 nA, Vtun = 1.5 V)

BEES (spectroscopy), derivated from V-A characteristics of QD structure

Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 042110.

Thank you for your attention

45 18:50 (4 hod.): 22.9., 29.9

Recommend Documents