E. Hulicius: 12NT (Polovodičové) nanotechnologie, FJFI, Cukrovarnická 10, zasedačka v budově A, 2015, čtvrtek 15:50 (4 hod.): 1.10., 8.10.,

nano

TECHNOLOGIE

E. Hulicius: 12NT (Polovodičové) nanotechnologie, FJFI, Cukrovarnická 10, zasedačka v budově A, 2015, čtvrtek 15:50 (4 hod.): 1.10., 8.10., 12.11.- exkurse, 19.11. F. Novotný: Kvantové kovové tečky, Troja, posluchárna bude upřesněna : 15.10. a 5.11. a na konec 26.11. na FJFI. Exkurse 4 hodiny.: 12.11. od 15:50 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/dr. K. Olejník, Nanocharakterizace, AFM a STM - dr. A. Fejfar, Nanodiamanty, příprava vlastnosti, aplikace - dr. A. Kromka. Volno: 22.10. 29.10.; 17.12. - … ZK: před-termíny 3.12. či 10.12. ve FZÚ. . od co nejdříve; (15:45)

Eduard Hulicius, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. ([email protected]) 0. Úvod Obecně co to je NANO… Definice a úvody do nanotechnologií a nanomateriálů snadno najdete na webu (wikipedie apod.), máte i samostatnou přednášku na toto téma, zde je ale můj subjektivní polovodičářský pohled a komentář k definicím a různé filosofické komentáře. ((Nezkouší se to.)) 1. Příprava objemových polovodičových monokrystalů. (1.) Vysvětlení základních principů růstových metod. Parametry vlastnosti a důvody omezení krystalografické dokonalosti těchto krystalů. Ani toto se nezkouší, ale je to důležitý pohled na přípravu krystalů nezbytný pro pochopení epitaxí!

3. Epitaxe obecně, epitaxni růst vrstev a struktur. Je to krystalický růst na (obvykle) monokrystalické podložce . Umožňuje přípravu vysoce kvalitních, hetero- a nano-strukturních různých materiálů. Principy, fáze a typy růstu. Druhy epitaxí - epitaxe z pevné, kapalné a plynné fáze, jednotlivé varianty. Epitaxní růst z hlediska materiálového, SPE, LPE. Toto je zásadní kapitola, porozumění epitaxnímu růstu se zkouší! 4. Epitaxe z molekulárních svazků (MBE) Vysvětlení základních principů metody. Parametry, vlastnosti a důvody omezení technologie MBE. 5. Plynná epitaxe z organokovových molekul (MOVPE) Vysvětlení základních principů metody. Parametry, vlastnosti a důvody omezení technologie MOVPE. I tyto dvě kapitoly jsou stěžejní! Popis principu a schéma MBE či MOVPE je v každé sadě otázek.

6. In-situ (při růstu) charakterizace a diagnostika. Vysvětlení základních principů měřících metod. Parametry vlastnosti a důvody omezující různé metody. 7. Ex-situ charakterizace a diagnostika vrstev a struktur. Vysvětlení základních principů měřících metod. Ukázky výsledků. Na charakterizaci nanomateriálů máte sice celou semestrálku a určitě o tom uslyšíte i jinde, je to, myslím, jediný předmět spojující všechny nanotechnologie, zde je těžiště v technikách in-situ („při růstu“) – ty důležité byste měli umět popsat a z obecných nano-charakterizací budou jen ukázky našich výsledků. 8. Podpůrné techniky: a) Elektronová litografie; b) Napařování a naprašování Vysvětlení základních principů metody. Parametry zařízení ve FZÚ. 9. Polovodičové (nano)heterostruktury Polovodičové heterostruktury, využití kvantově-rozměrových vlastností nanostruktur, důvody zavádění, materiály. Pochopení specifik kvantově rozměrových struktur a součástek bude důležité pro ty, kdo chtějí dobrou známku.

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. 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.

Obecně: NANO není pouze, že je to malé. Začínají působit kvantové jevy.

Slavný Moorův zákon (o exponenciálním zmenšování velikosti elektronických prvků a s tím související zvyšování např. výpočetní síly), jeho minulost a potenciální budoucí scénáře. Souvislost s NANO. Kvantové jevy.

Procesy „Bottom-up“ a „Top-down“ a i „něco mezi“

Příklady způsobů přípravy či vzniku nanostruktur „Top-down“ – osekávat „Bottom-up“ - sestavovat „něco mezi“ – samo se sestaví či oseká

Příprava nanostruktur může být jednoduchá ...

nebo velmi složitá a drahá:

Paradigma kvantových teček Vývoj od atomárních elektronových energetických hladin přes energiovou elektronovou (a děrovou) pásovou strukturu k opět „ostrým“elektronovým energetickým hladinám. Zásadní role NANO. Kvantové jevy.

Atom - Pevná látka - Kvantová tečka

Elektroluminiscenční displeje QLED vytvořené pomocí kvantových teček mají oproti dosavadním displejům hodně výhod. Tenké displeje s přesným a kontrastním vykreslováním tvarů a barev dobývají svět. Vývoj se nezastaví u dnešních displejů typu LCD nebo LED, popř. U displejů na bázi organických polymerů, tzv. OLED. Několik firem teď přichází s pokročilou technologií elektroluminiscence, která je založena na tzv. kvantových tečkách. Jedná se o displeje QLED.

Kvantové tečky jsou ostře lokalizované krystalické oblasti polovodiče o nanometrových rozměrech. Kvantové tečky jsou schopny vázat jednotlivé elektrony a pracovat s nimi, případně jsou schopny produkovat fotony,které lze použít v dalším kroku. Elektroluminiscence označuje jev, při kterém lze v určitém materiálu řídit vyzařování světla pomocí elektrického proudu nebo elektrického pole.

Čtyři rozdílné barvy odpovídají čtyřem druhům kvantových teček. Foto: Padova University Raffaella Signorini

Aplikace Nanostruktur

MacBook Air Nano iPod Glass Photo / Self Cleaning

Cosmetics

Textile / Clothing

CNT Bat

Tennis Racquet Head Nano Titanium

Automotive Applications

Detection of Cancerous Cells

Catalysts

Anti Odor / Anti Bacterial Insoles for Shoes

Odorless socks Air Purification / NanoBreeze Chocolate Chewing Gum

Future R&D Directions of NMP Programme for the Period 2010-2015 3. Materials Science and Engineering 3.1

Present State-of-the-art

3.2

Cross-cutting Research Directions in Materials

3.3

3.4

3.2.1

Materials by Design: Synthesis, Characterization, Processing & Modelling

3.2.2

Understanding Surfaces and Interfacial Phenomena

3.2.3

Design and Manufacturing of Multifuctional Materials

3.2.4

Design and Manufacturing of Structural Materials

3.2.5

Integration of Multiple-Scale Phenomena (Molecular, Nano and Micro) in Materials Design and Production

3.2.6

Development of Computational Tools for Predicting Functional and Structural Properties of Materials

3.2.7

Metrology, Instrumentation: New Analytical Tools for Measurement of Materials Functional and Structural Properties

Materials Applications for Selective Industrial Sectors 3.3.1

Materials for Information Technologies

3.3.2

Biomaterials, Biomimetcs and Biomedical Engineering

3.3.3

Materials for Energy Applications

3.3.4

Surface Engineering and Coatings

3.3.5

Catalysis and Chemicals Technologies

3.3.6

Polymers, Composites and Hybrid Materials

3.3.7

Renewable Materials, Ecomaterials

3.3.8

Disassembly Recovery and Recycle of Materials

Recommendations and Priority Research Directions

Future R&D Directions of NMP Programme for the Period 2010-2015 4. Industrial Production Systems 4.1 Present State-of-the-art 4.2 Cross-Cutting Research Directions in Manufacturing

4.3

4.4

4.5

4.2.1

New Business Models

4.2.2

Adaptive Manufacturing

4.2.3

Networking in Manufacturing

4.2.4

Digital Knowledge-based Engineering

4.2.5

Emerging Technologies

4.2.6

ICT for Manufacturing

Exploitation of the Convergence of Technologies 4.3.1

Next-generation HVA Products

4.3.2

Education and training in “Learning Factories”

4.3.3

Disruptive Factory: “Bio-nano” convergence

4.3.4

Disruptive Factory: “Bio-cogno-ICT” convergence

Cross-cutting Research Directions in Production Systems 4.4.1

Batch and Continuous Production Systems

4.4.2

Scale-up, Scale-down Developments and Process Intensification

4.4.3

Enabling Technologies (e.g., On-line Monitoring, On-line Sensors, Process Optimization and Control, Supply Chain Management)

4.4.4

Digital Production (integration of product design and production systems)

4.4.5

New Products/Services and New Production Paradigms

4.4.6

Alternative, Renewable and Novel Feedstocks and Processes for Chemicals and Materials Production

Recommendations and Priority Research Directions

Polovodičové technologie Příprava a vlastnosti objemových krystalů. Růst z taveniny při teplotě tání Název epitaxe z řeckého epi-taxis "uspořádaně na" zavedl L. Royer v r. 1936. Jde o krystalický růst na (obvykle) monokrystalické podložce. Při rozdílu mřížkových konstant větším než 15% růst (obvykle) přestává být epitaxním. Vysvětlení významu, principu a zasazení do souvislostí Proč tak monstrózní, drahé, nebezpečné a náročné technologické aparatury? Epitaxní růst – výhody, nové možnosti, omezení. Homo a hetero epitaxe. Rovnice o minimu energie Princip epitaxního růstu. Atomy či molekuly látky, kterou chceme epitaxně deponovat na vhodný substrát, se dopraví na jeho povrch, ten ovšem musí být atomárně čistý - zbaven oxidů a různých adsorbovaných látek - a atomárně hladký (maximálně s atomárními schody danými rozorientací monokrystalu). Na povrchu dojde nejprve k fyzisorpci, pak na vhodných místech s minimem energie, k chemisorpci jednotlivých atomů, k růstu atomárních vrstev a postupně celé struktury.

Příprava a vlastnosti objemových krystalů:

<— Bridgeman či HGF Vertikální „sestupné“ chlazení ¬

Czochralského metoda <—

Růst monokrystalů metodou Czochralského

Polovodičové (mono)krystaly

i jiné:

Polovodičové (mono)krystaly – konference Berlin 2011

Růst monokrystalů metodou horizontální Bridgman




Objemové monokrystaly, byť mají úctyhodné parametry (periodicita atomová rovina vedle atomové roviny až metrová, hmota až metráková, a mřížka je stále stejná!), nejsou krystalograficky dokonalé a pro mnoho elektronických a zvláště optoelektronických aplikací nejsou použitelné. Důvodem je vysoká teplota při jejich vzniku z taveniny. Musí se přejít k přípravě kvalitnějších struktur pomocí epitaxních technologií, které pracují při nižších teplotách:

Konec 1. části

Příště:

Eduard Hulicius, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. ([email protected]) 3. Epitaxe obecně Je to krystalický růst na (obvykle) monokrystalické podložce . Umožňuje přípravu vysoce kvalitních, hetero- a nano-strukturních různých materiálů. 4. Epitaxe z molekulárních svazků (MBE) Vysvětlení základních principů metody. Parametry, vlastnosti a důvody omezení technologie MBE. 5. Plynná epitaxe z organokovových molekul (MOVPE) Vysvětlení základních principů metody. Parametry, vlastnosti a důvody omezení technologie MOVPE.

Epitaxní technologie - obecně Název epitaxe z řeckého epi-taxis "uspořádaně na" zavedl L. Royer r. 1936. Jde o krystalický růst na (obvykle) monokrystalické podložce. Při rozdílu mřížkových konstant větším než 15% růst (obvykle) přestává být epitaxním. Vysvětlení významu, principu a zasazení do souvislostí Proč tak monstrózní, drahé, nebezpečné a náročné technologické aparatury? Epitaxní růst – výhody, nové možnosti, omezení. Homo a hetero epitaxe. Rovnice o minimu energie. Princip epitaxního růstu. Atomy či molekuly látky, kterou chceme epitaxně deponovat na vhodný substrát, se dopraví na jeho povrch, ten ovšem musí být atomárně čistý zbaven oxidů a různých adsorbovaných látek - a atomárně hladký (maximálně s atomárními schody danými rozorientací monokrystalu). Na povrchu dojde nejprve k fyzisorpci, pak na vhodných místech s minimem energie, k chemisorpci jednotlivých atomů, k růstu atomárních vrstev a postupně celé struktury.

Epitaxní růst monokrystalických vrstev (na destičkách = podložkách = substrátech z objemových monokrystalů) probíhá při nižší teplotě, než růst momokrystalů z taveniny při což je zásadní pro: Roli entropie (vlastní defekty), nižší rozpustnost nežádoucích nečistot do výsledné monokrystalické vrstvy. I nižší teplota však umožňuje atomům překonávat energiové bariéry:

D:\Storage\Eda\bl_2.jpg

Druhy epitaxních růstů a) Vrstva po vrstvě – Frankův-van der Merweův růst b) Vrstva po vrstvě - spojitě c) Ostrůvky na smáčecí vrstvě - Stranského-Krastanowův d) Ostrůvky na substrátu – Volmerův-Weberův e) Sloupkový růst

Typy epitaxních růstů a vysvětlení různých používaných zkratek: Epitaxe z pevné fáze

SPE (Solid Phase Epitaxy)

Epitaxe z kapalné fáze

LPE (Liquid Phase Epitaxy) LPEE (Liquid Phase Electroepitaxy)

Epitaxe z plynné fáze

VPE (Vapour (Vapor) Phase Epitaxy) CVD (Chemical Vapour Deposition) PVD (Physical Vapour Deposition)

Hlavní typy VPE epitaxních růstů Molekulární epitaxe MBE (Molecular beam epitaxy) SSMBE = SolidSource MBE, CBE = ChemicalBeamEpitaxy, GSMBE = GasSource MBE (HydrideSource MOMBE, MetalOrganic MBE), UHV ALE = UltraHighVacuum AtomicLayerEpitaxy

Plynná epitaxe z organokovových sloučenin MOVPE (MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy) MOCVD (MetalOrganic Chemical Vapour Deposition) Photo-MOVPE (Netermální, světlem. aktivov.) Plasma-MOVPE (Netermální, plasm. aktivov.)

Polovodičové (mono)krystaly a jejich struktura – krystalická, elektronová, optická Krystalické mřížky Pásová struktura

Polovodičové (mono)krystaly a jejich struktura – krystalická, elektronová, optická

Krystalické mřížky Proč látky krystalizují?

Minimum energie

Proč právě v určitých strukturách?

Podmínky při vzniku

Co vše to ovlivní?

Skoro všechno – el. i opt.

Elementární buňky složené el. buňky (trik – souměrnost, jednodušší souřadnicový systém) nejsměsnanější uspořádání Sedm krystalových soustav prvky souměrnosti Bravaisovy mřížky 14 Millerovy indexy

proč jich je právě tolik?

podle toho jak se krystal uřízne či uštípne

Polovodičové (mono)krystaly a jejich struktura – krystalická, elektronová, optická Elementární buňky Složené el. buňky (trik – souměrnost, jednodušší souřadnicový systém) Nejsměsnanější uspořádání

Polovodičové (mono)krystaly a jejich struktura – krystalická, elektronová, optická Sedm krystalových soustav prvky souměrnosti

Polovodičové (mono)krystaly a jejich struktura – krystalická, elektronová, optická Bravaisovy mřížky - 14

proč jich je právě tolik?

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

Polovodičové (mono)krystaly a jejich struktura – krystalická, elektronová, optická Millerovy indexy popisují roviny v nichž se krystal uřízne či uštípne


Pásová struktura elektronových (a děrových) energetických stavů, je dána atomy ale hlavně mřížkou, lze ji vypočítat (ale ne up-initio – mám atomy uhlíku, co mi vznikne?), lze ji určovat z nejrůznějších měření, rozhoduje o elektrických i optických vlastnostech monokrystalů a nejsou to jen vlastní pásy (valenční, zakázaný a vodivostní) ale i příměsové hladiny, výběžky pásů, diskontinuity na heterorozhraní, p-n přechody a celý svět kvantových jam.

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

Polovodičové (mono)krystaly a jejich struktura – krystalická, elektronová, optická Pásovou strukturu elektronových (a děrových) energetických stavů lze znázorňovat: „středoškolsky“:

na y energie a na x délka

na spoustu věcí to stačí, pěkně se popisují heterostruktury i p-n přechod “vysokoškolsky“: na y energie a na x hybnost (v k prostoru) jedině takto lze pochopit přímé a nepřímé polovodiče, efektivní hmotu elektronů a děr a další, třeba Augerovy přechody.


Prostor na diskusi a dotazy k pásové struktuře

Polovodičové (mono)krystaly a jejich struktura – krystalická, elektronová, optická Defekty krystalické mřížky a jejich vliv na pásovou strukturu Zrna, mikrokrystaly, vměstky

v polovodičích ne!

Plošné defekty (hranice zrn, …)

taky moc ne.

Čarové defekty (dislokace,. )

většinou velmi škodlivé

Bodové defekty základ většiny aplikací, (vlastní, nečistoty, dopanty) ale i nezářivé rekombinace, rozptyl elektronů, …

Vše může být škodlivé i užitečné!

Epitaxní technologie - konkrétně Název epitaxe z řeckého epi-taxis "uspořádaně na" zavedl L. Royer r. 1936. Jde o krystalický růst na (obvykle) monokrystalické podložce. Při rozdílu mřížkových konstant větším než 15% růst (obvykle) přestává být epitaxním. Vysvětlení významu, principu a zasazení do souvislostí Proč tak monstrózní, drahé, nebezpečné a náročné technologické aparatury? Epitaxní růst – výhody, nové možnosti, omezení. Homo a hetero epitaxe. Rovnice o minimu energie Princip epitaxního růstu. Atomy či molekuly látky, kterou chceme epitaxně deponovat na vhodný substrát, se dopraví na jeho povrch, ten ovšem musí být atomárně čistý zbaven oxidů a různých adsorbovaných látek - a atomárně hladký (maximálně s atomárními schody danými rozorientací monokrystalu). Na povrchu dojde nejprve k fyzisorpci, pak na vhodných místech s minimem energie, k chemisorpci jednotlivých atomů, k růstu atomárních vrstev a postupně celé struktury.

Epitaxní technologie - konkrétně Vysvětlení významu, principu a zasazení do souvislostí Proč tak monstrózní, drahé, nebezpečné a náročné technologické aparatury? Monokrystaly vznikají protože systém atomů má minimum energie. To ale přesně platí jen při T = 0 K! Při nenulových teplotách má rovnovážný sytém minimum energie s určitou koncentrací defektů (obvykle bodových – vakance, intersticiály, výměnné defekty (antisite Ga↔As) a jejich kombinace). Člen –TS v rovnici pro minimum energie (G=H-TS). Entropie S = ln(n). Více viz http://cs.wikipedia.org/wiki/Gibbsova_voln%C3%A1_energie . Objemové monokrystaly rostou z taveniny, při teplotě tání, ta je mnohem vyšší než teplota epitaxního růstu.

Epitaxe z pevné fáze - SPE Stará metoda s nově objevenými aplikacemi. Metastabilní amorfní fáze pevné látky, která je v kontaktu s monokrystalem postupně od rozhraní krystalizuje kopírujíc monokrystalickou mřížku. Rychlost růstu – obvykle desetiny nm za sekundu – je dána aktivační energií SPE Ea a řídí se rovnicí v = v0 exp (-Ea/kT) Použití: Příprava silných polovodičových epitaxních vrstev s vysokou úrovní legování. Nízkoteplotní epitaxe (Ga(Mn)As – spinotronika?). Růst oddělovacích vrstev (buffer layers) pro zlepšení vlastností heterostruktur, v nichž vznikají vysoké koncentrace dislokací. Nitridy! Silicidové vrstvy pro elektrické kontakty a Schottkyho bariéry pro Si součástky.

Různé procesy probíhající při Epitaxi z pevné fáze:

Epitaxe z pevné fáze - SPE Stará metoda s nově objevenými aplikacemi. Metastabilní amorfní fáze pevné látky, která je v kontaktu s monokrystalem postupně od rozhraní krystalizuje kopírujíc monokrystalickou mřížku. Obr. E 4.1. a 2. a 3. v jednom

Rychlost růstu v – obvykle desetiny nm za sekundu – je dána aktivační energií SPE Ea a řídí se rovnicí v = v0 exp (-Ea/kT) Použití: Příprava silných polovodičových epitaxních vrstev s vysokou úrovní legování. Nízkoteplotní epitaxe (Ga(Mn)As – spinotronika?). Růst oddělovacích vrstev (buffer layers) pro zlepšení vlastností heterostruktur, v nichž vznikají vysoké koncentrace dislokací. Nitridy! Silicidové vrstvy pro elektrické kontakty a Schottkyho bariéry pro Si součástky.

Epitaxe z kapalné fáze - LPE Rozhodující epitaxní metoda v sedmdesátých a osmdesátých letech minulého století. Stále ještě významná průmyslová metoda (levné LED, sluneční články(?) a všude kde jsou potřeba epitaxní vrstvy silné desítky μm). Velmi vhodná pro růst složitých sloučeninových systémů v termodynamické rovnováze a pro dotování zeminami vzácných zemin. V laboratořích je to dnes spíše „Metoda chudého muže“. Princip metody Nasycený roztok požadovaných látek (např. arzén v galiu) chladne (vypařuje se – neplatí pro uvedený příklad - Ga má malou tenzi par a skoro se nevypařuje, spíš by unikl As), stává se přesyceným a As se ve formě GaAs vylučuje na vhodné podložce – např. na destičce „objemového“ či epitaxního GaAs. Velká věda s materiálem a tvarem „lodičky“.

Epitaxe z kapalné fáze - LPE Rozpustnost – jednoduchá (v binárním systému) složitější závislosti (ternární, kvaternární, ..., na tlaku, dynamické procesy, ...) Dotace (i amfoterní) Výpočty rychlosti růstu, difusní omezení Růst ultratenkých vrstev (pod 100 nm)

Epitaxe z kapalné fáze - LPE Příklad výše zmíněného amfoterního legování GaAs křemíkem, který v závislosti na teplotě růstu mění místo zabudování (Ga či As) v GaAs mříži – doba růstu hodiny. Tenké vrstvy (i pod 100 nm!) dělat pomocí LPE lze, ale kontakt substrátu s kapalinou je i jen milisekundy a je to nereprodukovatelné, nehomogenní atd. Kapalná elektroepitaxe Modifikace kapalné epitaxe, která je řízena proudem, který prochází rozhraním roztok-substrát a vyvolává Peltierův jev a elektromigraci. Používá se pro silných (několik mm) homogenních (lepší než 1%) ternárních vrstev. Např. InGaAs na InP či GaAs; AlGaSb na GaSb a pod. Obr E 5.5. a 5.6.

Epitaxe z plynné fáze - VPE Dnes a nejméně příštích deset let to bude zásadní metoda nejen badatelská, ale i průmyslová. Je možné ji principiálně rozdělit na fyzikální (PVD - Physical Vapour Deposition) a chemickou (CVD - Chemical Vapour Deposition), podle způsobu transportu materiálu od zdroje k substrátu. V prvním případě - PVD - jde o napaření materiálu (pomocí vypařování, naprašování, laserové ablace, výbojem a pod.) bez jeho chemické změny. V druhém případě - CVD - jde o transport těkavých chemických sloučenin (prekursorů) pomocí nosného plynu k substrátu, kde se většinou termicky rozkládají. Vlastní epitaxní růst na dokonale čistém a hladkém povrchu většinou monokrystalického substrátu je pak podobný. I parametry vrstev jsou podobné i když se struktury v některých aspektech mohou lišit. V obou případech je nutno zajistit extrémní „polovodičovou“ čistotu prostředí, ať je to vakuum (10-10 torru) nebo nosný plyn H2 či N2 (na úrovni ppb).

Epitaxe z plynné fáze - VPE Ohřev substrátu (kvůli jeho dokonalému očištění a atomárnímu vyrovnání - viz výše principy epitaxe) se, vzhledem k těmto extrémním požadavkům na čistotu, provádí nepřímo – vysokofrekvenčním ohřevem, světlem (optickou výbojkou MOVPE), nebo nepřímým odporovým ohřevem (MBE). VPE umožňuje i růst jednotlivých atomárních rovin ( Ultra High Vacuum Atomic Layer Epitaxy). PVD Vypařování: Teoreticky je počet molekul dNe vypařujících se z plochy Ae za čas dt roven dNe/Aedt = (peq - p) sqr(NA/2πMkBT)

[m-2s-1]

kde M je molekulární hmotnost vypařované látky, peq je rovnovážný tlak, p je hydrostatický tlak vypařované látky v plynném stavu, kB je Boltzmannova konstanta a NA je Avogadrovo císlo.

Ve skutečnosti musíme zavést koeficient vypařování av (neboť část vypařených molekul (1 - av) přispívá k jen tlaku, nikoliv toku molekul. Dostáváme tak obecnou rovnici pro vypařování z volné plochy - Hertzovu-Knudsenovu dNe/Aedt = av(peq - p) sqr(NA/2πMkBT)

[m-2s-1]

Vypařujeme-li z Knudsenovy efusní cely, která má otvor podstatně menší než je povrch vypařované látky a má nejméně desetkrát menší průměr než je volná dráha vypařovaných molekul, dostáváme po úpravách pro celkovou efusní rychlost Γc rovnici Γc = dNe/dt = 3,51 x 1022 pAe/sqr(MT)

[molekul-1]

Pro vlastní PVD růstové procesy má adsorpčně-desorpční kinetika na růstovém povrchu zásadní význam. Poměrně snadno lze růst modelovat a počítat v případě (kvazi-) rovnovážného stavu; horší je to v nerovnovážném stavu, nebo při přechodových jevech.

Příklad PVD je Molekulární epitaxe - MBE Můžeme ji dělit podle toho z čeho získáváme molekulární svazky: Solid Source MBE, Gas Source MBE (neboli Chemical Beam Epitaxy) Hydride Source MBE, MetalOrganic MBE, Další varianty MBE Ultrahigh Vacuum Atomic Layer Epitaxy Migrací urychlená MBE UV zářením stimulovaná MBE Plasmou aktivovaná MBE Dotování MBE vrstev pomocí iontů CVD Chemický stav daného systému dobře popisuje chemický potenciál μ. Pro danou fázi je definován jako vzrůst volné Gibbsovy energie δG když se přidá jeden mol látky při konstantní teplotě a tlaku μ = δG/δn/T,p Vyjádříme-li molarní Gibbsovu energii ΔG pomocí enthalpie ΔH a entropie ΔS μ = ΔG = ΔH - TΔS což lze po dosazení používat k výpočtům.

Příklady: Halidová epitaxe Kovy či elementární polovodiče - (WF6 → W + ..., SiCl4 → Si + ...) Sloučeninové polovodiče - (GaCl + AsH3 → GaAs + ...) Granáty vzácných zemin - (YCl3 + FeCl2 + O2 → Y3Fe5O12 + ...) Oxidová epitaxe Sloučeninové polovodiče - (GaO2 + PH4 → GaP + ...) Hydridová epitaxe Elementární polovodiče, veledůležitý křemík - (SiH4 → Si + ...) Izolační vrstvy: oxidy, nitridy - (SiH4 + H2O → SiO2 + ...; SiH4 + NH3 → Si3N4 + ...) Organokovová epitaxe Sloučeninové polovodiče - (Ga(CH3)3 + AsH3 → GaAs + ...) Kovy - (Al(C4H9)3 → Al + ...) Vysokoteplotní supravodiče YBaCuO

Sylabus dvouhodinové semestrální přednášky " Příprava polovodičových nanostruktur"pro obor magisterského studia "Fyzikální inženýrství" zaměření "Fyzika nanostruktur" Eduard Hulicius, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. ([email protected])

4. Epitaxe z molekulárních svazků (MBE) Vysvětlení základních principů metody. Parametry, vlastnosti a důvody omezení technologie MBE.

Zásadní pro optoelektroniku a nanotechnologie jsou MBE a MOVPE

Molekulární epitaxe - MBE Můžeme ji dělit podle toho z čeho získáváme molekulární svazky: Solid Source MBE, Gas Source MBE (neboli Chemical Beam Epitaxy) Hydride Source MBE, MetalOrganic MBE,

Schéma aparatury a fotografie epitaxí od různých výrobců:

Zdroj: http://www.fzu.cz/oddeleni/povrchy/mbe/mbe.php

Molekulární epitaxe Princip metody: Ohřejeme substrát(y) (obvykle je to rotující monokrystalická polovodičová destička o průměru 2´´ až 8´´ (palců), která je silná 300 – 500 μm) v prostředí ultravysokého vakua (10-(9-10) torr) na tak vysokou teplotu, aby desorbovaly přirozené oxidy a povrchové nečistoty, a také aby se povrch atomárně vyhladil. Pak se otevře clonka před otvorem předehřáté efusní Knudsenovy cely a atomy (molekuly) prakticky bez srážek prolétají desítky centimetrů růstovou komorou, dopadají na substrát a napaří se i do jeho okolí. Atomy budoucí epitaxní vrstvy se usadí na povrchu (fyzisorpce), migrují po něm a posléze se naváží na správná místa krystalové mřížky (chemisorpce) a vytváří epitaxní vrstvu – to je vlastní princip epitaxe. Otázky?

Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha?

Ohřejeme substrát(y) (obvykle je to rotující monokrystalická polovodičová destička o průměru 2´´ až 8´´ (palců), která je silná 300 – 500 μm) v prostředí ultravysokého vakua (10-(9-10) torr) na tak vysokou teplotu, aby desorbovaly přirozené oxidy a povrchové nečistoty, a také aby se povrch atomárně vyhladil. Pak se otevře clonka před otvorem předehřáté efusní Knudsenovy cely a atomy (molekuly) prakticky bez srážek prolétají desítky centimetrů růstovou komorou, dopadají na substrát a napaří se i do jeho okolí. Atomy budoucí epitaxní vrstvy se usadí na povrchu (fyzisorpce), migrují po něm a posléze se naváží na správná místa krystalové mřížky (chemisorpce) a vytváří epitaxní vrstvu – to je vlastní princip epitaxe.

Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje?


Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje? Proč tak vysoké vakuum?


Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje? Proč tak vysoké vakuum? Na jakou teplotu se substrát ohřívá? („Vypékání“ aparatury?)


Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje? Proč tak vysoké vakuum? Na jakou teplotu se substrát ohřívá? („Vypékání“ aparatury?) Jak je cela uzavřena před otevřením? Neutíká něco z cely? Nekazí se vakuum?

Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje? Proč tak vysoké vakuum? Na jakou teplotu se substrát ohřívá? („Vypékání“ aparatury?) Jak je cela uzavřena před otevřením? Neutíká něco z cely? Nekazí se vakuum? Jak se ohřívají Knudsenovy cely? Na jakou teplotu? Z čeho jsou? Jak se v nich doplňuje materiál?

Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje? Proč tak vysoké vakuum? Na jakou teplotu se substrát ohřívá? („Vypékání“ aparatury?) Jak je cela uzavřena před otevřením? Neutíká něco z cely? Nekazí se vakuum? Jak se ohřívají Knudsenovy cely? Na jakou teplotu? Z čeho jsou? Jak se v nich doplňuje materiál? Jaký je rozdíl mezi svazkem molekul a atomů pro epitaxní růst?

Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje? Proč tak vysoké vakuum? Na jakou teplotu se substrát ohřívá? („Vypékání“ aparatury?) Jak je cela uzavřena před otevřením? Neutíká něco z cely? Nekazí se vakuum? Jak se ohřívají Knudsenovy cely? Na jakou teplotu? Z čeho jsou? Jak se v nich doplňuje materiál? Jaký je rozdíl mezi svazkem molekul a atomů pro epitaxní růst? Jakou roli hrají rozměry růstové komory?

Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje? Proč tak vysoké vakuum? Na jakou teplotu se substrát ohřívá? („Vypékání“ aparatury?) Jak je cela uzavřena před otevřením? Neutíká něco z cely? Nekazí se vakuum? Jak se ohřívají Knudsenovy cely? Na jakou teplotu? Z čeho jsou? Jak se v nich doplňuje materiál? Jaký je rozdíl mezi svazkem molekul a atomů pro epitaxní růst? Jakou roli hrají rozměry růstové komory? Čím se řídí rychlost růstů epitaxní vrstvy? Jak dlouho trvá celý růst?

Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje? Proč tak vysoké vakuum? Na jakou teplotu se substrát ohřívá? („Vypékání“ aparatury?) Jak je cela uzavřena před otevřením? Neutíká něco z cely? Nekazí se vakuum? Jak se ohřívají Knudsenovy cely? Na jakou teplotu? Z čeho jsou? Jak se v nich doplňuje materiál? Jaký je rozdíl mezi svazkem molekul a atomů pro epitaxní růst? Jakou roli hrají rozměry růstové komory? Čím se řídí rychlost růstů epitaxní vrstvy? Jak dlouho trvá celý růst? Proč nenaroste epitaxní vrstva jinde než na substrátu?

Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje? Proč tak vysoké vakuum? Na jakou teplotu se substrát ohřívá? („Vypékání“ aparatury?) Jak je cela uzavřena před otevřením? Neutíká něco z cely? Nekazí se vakuum? Jak se ohřívají Knudsenovy cely? Na jakou teplotu? Z čeho jsou? Jak se v nich doplňuje materiál? Jaký je rozdíl mezi svazkem molekul a atomů pro epitaxní růst? Jakou roli hrají rozměry růstové komory? Čím se řídí rychlost růstů epitaxní vrstvy? Jak dlouho trvá celý růst? Proč nenaroste epitaxní vrstva jinde než na substrátu? Jak se růst ukončí?

Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje? Proč tak vysoké vakuum? Na jakou teplotu se substrát ohřívá? („Vypékání“ aparatury?) Jak je cela uzavřena před otevřením? Neutíká něco z cely? Nekazí se vakuum? Jak se ohřívají Knudsenovy cely? Na jakou teplotu? Z čeho jsou? Jak se v nich doplňuje materiál? Jaký je rozdíl mezi svazkem molekul a atomů pro epitaxní růst? Jakou roli hrají rozměry růstové komory? Čím se řídí rychlost růstů epitaxní vrstvy? Jak dlouho trvá celý růst? Proč nenaroste epitaxní vrstva jinde než na substrátu? Jak se růst ukončí? Co to znamená podstata epitaxního růstu?

Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje? Proč tak vysoké vakuum? Na jakou teplotu se substrát ohřívá? („Vypékání“ aparatury?) Jak je cela uzavřena před otevřením? Neutíká něco z cely? Nekazí se vakuum? Jak se ohřívají Knudsenovy cely? Na jakou teplotu? Z čeho jsou? Jak se v nich doplňuje materiál? Jaký je rozdíl mezi svazkem molekul a atomů pro epitaxní růst? Jakou roli hrají rozměry růstové komory? Čím se řídí rychlost růstů epitaxní vrstvy? Jak dlouho trvá celý růst? Proč nenaroste epitaxní vrstva jinde než na substrátu? Jak se růst ukončí? Co to znamená podstata epitaxního růstu? Kolik to stojí? (jeden růst, celá aparatura, MBE čip?)

Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje? Proč tak vysoké vakuum? Na jakou teplotu se substrát ohřívá? („Vypékání“ aparatury?) Jak je cela uzavřena před otevřením? Neutíká něco z cely? Nekazí se vakuum? Jak se ohřívají Knudsenovy cely? Na jakou teplotu? Z čeho jsou? Jak se v nich doplňuje materiál? Jaký je rozdíl mezi svazkem molekul a atomů pro epitaxní růst? Jakou roli hrají rozměry růstové komory? Čím se řídí rychlost růstů epitaxní vrstvy? Jak dlouho trvá celý růst? Proč nenaroste epitaxní vrstva jinde než na substrátu? Jak se růst ukončí? Co to znamená podstata epitaxního růstu? Kolik to stojí? (jeden růst, celá aparatura, MBE čip?) Jaké jsou hlavní problémy?

Očekávané otázky: Proč zrovna tyto rozměry substrátu? Jak se vkládá a vyměňuje? Jaká je maximální plocha? Proč substrát rotuje? Proč tak vysoké vakuum? Na jakou teplotu se substrát ohřívá? („Vypékání“ aparatury?) Jak je cela uzavřena před otevřením? Neutíká něco z cely? Nekazí se vakuum? Jak se ohřívají Knudsenovy cely? Na jakou teplotu? Z čeho jsou? Jak se v nich doplňuje materiál? Jaký je rozdíl mezi svazkem molekul a atomů pro epitaxní růst? Jakou roli hrají rozměry růstové komory? Čím se řídí rychlost růstů epitaxní vrstvy? Jak dlouho trvá celý růst? Proč nenaroste epitaxní vrstva jinde než na substrátu? Jak se růst ukončí? Co to znamená podstata epitaxního růstu? Kolik to stojí? (jeden růst, celá aparatura, MBE čip?) Jaké jsou hlavní problémy? Jaká se používá diagnostika? – Příště!



Sylabus dvouhodinové semestrální přednášky " Příprava polovodičových nanostruktur"pro obor magisterského studia "Fyzikální inženýrství" zaměření "Fyzika nanostruktur" Eduard Hulicius, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. ([email protected])

5. Plynná epitaxe z organokovových molekul (MOVPE) Vysvětlení základních principů metody. Parametry, vlastnosti a důvody omezení technologie MOVPE.

Epitaxe z plynné fáze - VPE Dnes a nejméně příštích deset let to bude zásadní metoda nejen badatelská, ale i průmyslová. Je možné ji principiálně rozdělit na fyzikální (PVD - Physical Vapour Deposition) a chemickou (CVD - Chemical Vapour Deposition), podle způsobu transportu materiálu od zdroje k substrátu. V prvním případě - PVD - jde o napaření materiálu (pomocí vypařování, naprašování, laserové ablace, výbojem a pod.) bez jeho chemické změny. V druhém případě - CVD - jde o transport těkavých chemických sloučenin (prekursorů) pomocí nosného plynu k substrátu, kde se většinou termicky rozkládají. Vlastní epitaxní růst na dokonale čistém a hladkém povrchu většinou monokrystalického substrátu je pak podobný. I parametry vrstev jsou podobné i když se struktury v některých aspektech mohou lišit. V obou případech je nutno zajistit extrémní „polovodičovou“ čistotu prostředí, ať je to vakuum (10-10 torru) nebo nosný plyn H2 či N2 (na úrovni ppb).

Zásadní pro optoelektroniku a nanotechnologie jsou MBE a MOVPE

Plynná epitaxe z organokovových sloučenin MOVPE (MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy) Tato technologie je sice badatelsky méně zajímavá než MBE, která má lepší kontrolu a řízení růstu, lze na ní připravit lépe definovaná a „ostřejší“ rozhraní, umožňuje i nižší teploty růstu, ale je to zásadní technologie pro průmyslovou výrobu, zvláště optoelektronických součástek. Je provozně mnohem levnější, má daleko větší produktivitu, je vhodnější pro nitridy.

MOVPE technologie (Metalorganic vapor phase epitaxy – Plynná epitaxe z organokovových sloučenin)

Stručná Historie: Ruhrwein – US patent (1968) Manasevit – první pokusy (1968) Hall, Stringfellow – významný rozvoj metody Dupois, Dapkus – dostatečná čistota organokovů (1977/78) Nejvýznamnější průmyslová epitaxní technologie (1990 - …)

Fotografie aparatury Schéma aparatury Příklady organokovových molekul „probublávačka“ – nádobka na organokovy

Zdroj: http://www.fzu.cz/texty/brana/movpe/movpe.php

Příklady organokovových molekul:

TMGa + AsH3  GaAs + 3 CH4 AsH3

TMGa

TBAs

CCl4 SiH4 DETe

Plynná epitaxe z organokovových sloučenin MOVPE (MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy) Nejvýznamnější průmyslová ale i badatelská technologie. Princip metody: Ohřejeme substrát v prostředí ultračistého plynu (redukční vodík, výjimečně inertní dusík) na tak vysokou teplotu, aby desorbovaly přirozené oxidy a povrchové nečistoty a také, aby se povrch atomárně vyhladil. Pak přivedeme do blízkosti ohřátého substrátu vhodné prekursory (organokovy a hydridy), tyto se zde termicky rozloží a atomy budoucí epitaxní vrstvy se usadí na povrchu (fyzisorpce), migrují po něm a posléze se naváží na správná místa krystalové mřížky (chemisorpce). Otázky?? Základní sumární rovnice pro růst GaAs z trimetylgallia (TMGa) a arsínu ,

Ga(CH3)3 + AsH3 → GaAs + 3CH4

a velmi podobně pro ternární, případně kvaternární sloučeninové polovodiče xGa(CH3)3 + (1-x)Al(CH3)3 + AsH3 → GaxAl(1-x)As + 3CH4

Rovnice pro růst GaAs je poněkud složitější:

Je to ale složitější, nejprve proběhne pyrolýza TMGa na dimer a monomer 2Ga(CH3)3 → 3CH3 + Ga(CH3)2 + Ga(CH3) arsín se rozloží v plynné fázi CH3 + AsH3 → AsH2 + CH4 a pak teprve proběhne heterogenní reakce na povrchu horkého substrátu Ga(CH3) + AsH2 → GaAs + CH4 + H

Detailní popis je ještě náročnější (Stringfellow):

Popis parametrů růstu:

Popis MOVPE reaktoru:

MOVPE křemenný reaktor s vf ohřevem

Bublačka pro organokovové prekursory

Plynná epitaxe z organokovových sloučenin MOVPE (MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy) Nejvýznamnější průmyslová ale i badatelská technologie. Princip metody: Ohřejeme substrát v prostředí ultračistého plynu (redukční vodík, výjimečně inertní dusík) na tak vysokou teplotu, aby desorbovaly přirozené oxidy a povrchové nečistoty a také, aby se povrch atomárně vyhladil. Pak přivedeme do blízkosti ohřátého substrátu vhodné prekursory (organokovy a hydridy), tyto se zde termicky rozloží a atomy budoucí epitaxní vrstvy se usadí na povrchu (fyzisorpce), migrují po něm a posléze se naváží na správná místa krystalové mřížky (chemisorpce). Otázky?? Základní sumární rovnice pro růst GaAs z trimetylgallia (TMGa) a arsínu ,

Ga(CH3)3 + AsH3 → GaAs + 3CH4

a velmi podobně pro ternární, případně kvaternární sloučeninové polovodiče xGa(CH3)3 + (1-x)Al(CH3)3 + AsH3 → GaxAl(1-x)As + 3CH4 obr molekul organokovů

Epitaxní fajnovosti Růsty mimo termodynamickou rovnováhu: SPE a LPE ne, MBE a MOVPE ano. Což může být důležité při růstu napnutých vrstev (tlaky a tahy v řádu desítek tisíc atmosfér). Mřížkově nepřizpůsobené napnuté vrstvy – nanostruktury ano, silnější se rozpadají či relaxují a nesvítí. Napnuté vrstvy (nanostruktury) mohou mít nové žádoucí vlastnosti změna typu struktury (přímý × nepřímý polovodič), oddělení těžkých a lehkých děr (podstatné zvýšení mezní frekvence), výrazné posuny hladin v kvantových jamách (ladění vlnové délky laserů). Epitaxní příčné zarůstání (ELO – Epitaxial Lateral Overgrowth) Velmi významné pro úspěšný růst nitridů! (modré LEDky, lasery, ...) Obr E 14.7., 8. a 11.

Epitaxní fajnovosti Obtížná heteroepitaxe (Hard Heteroepitaxy) Roste se vrstva lišící se podstatně od substrátu - mřížkovou konstantou - krystalografickou strukturou - chemickými vazbami CdTe na GaAs, Si na safíru

Epitaxní fajnovosti Umělá epitaxe (Graphoepitaxy nebo Artificial Epitaxy) Růst krystalických vrstev na spíše amorfních površích (keramika, sklo, polykrystaly, oxidy). Potenciální zajímavé aplikace v mikroelektronice, mikromechanice, optice a optoelektronice. Je nutno upravit povrch substrátu.

Role povrchu

Přesné a úplné pochopení procesů epitaxních růstů, vyžaduje kvantově mechanický přístup. Ten je ovšem velmi obtížný.

Appendix 1 Stranského-Krastanowův typ růstu QD Při heteroepitaxním růstu tenké vrstvy se na monokrystalický substrát (např. Si) nanáší monokrystalická tenká vrstva jiného chemického složení (např. Ge). Je-li vrstva dostatečně tenká, má tzv. pseudomorfní strukturu, tj. její mřížkový parametr ve směru rovnoběžném s rozhraním je roven mřížkovému parametru substrátu. Taková struktura je ovšem elasticky deformována, elastická energie deformace je úměrná tloušťce vrstvy a čtverci mřížkového nepřizpůsobení.  L

a  aS f  aS kde jsou mřížkové parametry substrátu a nedeformovaného materiálu vrstvy. Celková vnitřní energie vrstvy je součtem této elastické energie a povrchové energie vrstvy, ta je ovšem konstantní během růstu, pokud je rostoucí povrch vrstvy stále rovinný. S rostoucí tloušťkou vrstvy celková energie vrstvy roste a od jisté tloušťky je energiově výhodnější zvlněný povrch vrstvy. Tímto zvlněním se sice zvětší povrchová energie, poklesne ovšem energie elastická, protože krystalová mřížka v okolí zvlněného povrchu může elasticky relaxovat.

Tento tzv. Stranski-Krastanowův (SK) růstový mód se tedy skládá ze dvou fází; v první fázi roste pseudomorfní tenká vrstva s rovinným povrchem a v druhé fázi se povrch vrstvy zvlní, krystalová mřížka elasticky relaxuje a amplituda zvlnění postupně roste [6-8]. Numerická analýza procesu zvlnění ukázala, že existuje kritická vlnová délka zvlnění [8]

crit

1    2 2 2G (1   ) f

která se ve spektru vlnových délek zvlnění vyskytuje zdaleka nejčastěji. V rovnici (2)  označuje povrchové napětí, G a  jsou smykový modul a Poissonův poměr materiálu vrstvy. SK růstový mód vytváří proto téměř periodickou soustavu ostrůvků na povrchu rostoucí vrstvy. Ve vztahu (2) jsme zanedbali závislost povrchového napětí  na krystalografické orientaci povrchu. Ukazuje se však, že tato závislost je podstatná pro porozumění výsledné morfologie povrchu vrstvy. Během depozice vrstvy v druhé fázi SK růstového módu roste amplituda zvlnění a tedy i střední kvadratický sklon drsného povrchu. Dosáhne-li lokální orientace zvlněného povrchu hodnoty odpovídající minimu funkce , vytvoří se krystalografická faseta. Podle V. Holého, publ. v ČsČasFyz 2005

Appendix 2 Augerova nezářivá rekombinace

Dvoustupňový proces Augerovy nezářivé rekombinace. V této jednoduché pásové struktuře musí být přechody šikmé (zachování hybnosti k) (CHCC)

Energie z rekombinace je využita pro přechod mezi těžkými a lehkými děrami (CHHL)

Obvyklý případ pro AIIIBV polovodiče je excitována díra ze spinorbitálně odštěpeného pásu (CHHS)

Rezonanční Augerův proces v křemíku vyžaduje účast dvou elektronů (typ CHCC)

Appendix 3

Konec I. bloku

Příště:

Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur 6.1. In situ obecné 6.1.1. Měření vakua 6.1.2. Měření teploty 6.1.3. Hmotnostní spektroskopie 6.1.4. Absorpční spektroskopie 6.1.5. Ramanův rozptyl 6.1.6. Laserem indukovaná fluorescence 6.2. In situ povrchové analýzy 6.2.1. Difrakční techniky 6.2.2. Optické metody 6.2.3. Sondové rastrovací metody 6.3. Ex situ 6.3.1. Optické metody 6.3.2. Elektrické (transportní) 6.3.3. RTG difrakce 6.3.4. Mikroskopie

Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur 6.2. In situ povrchové analýzy 6.2.1. Difrakční techniky 6.2.1.1. LEED - Difrakce nízkoenergetických elektronů 6.2.1.2. RHEED - Difrakce vysokoenergetických elektronů odrazem 6.2.1.3. GIXS (Grazing Incidence X-ray scattering) 6.2.2. Optické metody 6.2.2.1. Reflektance Polarizovaného světla Anizotropická spektroskopie Elipsometrie Polarizovaná spektroskopie Povrchová fotoabsorpce Reflektometrie 6.2.2.2.Rozptyl Laserového světla Ramanův 6.2.3. Sondové rastrovací metody 6.2.3.1. AFM 6.2.3.2. STM

Charakterizace a diagnostika epitaxního růstu a nanostruktur 7.3. Ex situ 7.3.1. Optické metody 7.3.2. Elektrické (transportní) 7.3.3. RTG difrakce 7.3.4. Mikroskopie 7.3.4.1. Elektronové SEM TEM 7.3.4.2. Nanoskopické HRTEM X-STM X-AFM

E. Hulicius: 12NT (Polovodičové) nanotechnologie, FJFI, Cukrovarnická 10, zasedačka v budově A, 2015, čtvrtek 15:50 (4 hod.): 1.10., 8.10.,

Recommend Documents