Yarıiletken Yapılar HSarı 1

Yarıiletken Yapılar

© 2008 HSarı 2

Ders İçeriği

• Yarıiletken Eklemler

» Homo eklemler

» Hetero eklemler

• Optoelektronik Malzemeler

• Optoelektronik Üretim teknolojisi

Kaynaklar:

1) Solid State Electronics Devices, B. G. Streetmann, Prentice Hall, 1995

2) The Physics of Semiconductors with applications to Optoelectronic Devices Kevin F. Brennan, Cambridge University Press, 1999

3) Quantum Semiconductor Structures, Fundamentals and Applications, C. Weisbuch, Borge Vinter, Academic Press Inc. 1991

4) http://www.semiconductors.co.uk/

5) http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_5/backbone/r5_1_4.html

© 2008 HSarı 4

Yarıiletken Eklemler

• Yarıieltkenlerden yararlanma bunlardan farklı tip katkılanmış olanlarını biraraya getirerek eklemler oluşturmak ile gerçekleştirilir

• İki farklı eklemlerden bahsedebiliriz:

i) Aynı tür eklemler (Homojunction):

Aynı tür yarıiletkenden oluşturulmuş n- ve p-tipi yarıiletkeni birleştirerek oluşturulan eklemler (örneğin Si:Si, Ge:Ge)

ii) Farklı tür eklemler (Heterojuction):

Farklı tür yarıiletkenleri birleştirerek oluşturulan eklemler (örneğin Si:Ge, GaAs:GaAlAs)

n Si

p Ge n p

Si Si

n GaAs

p GaAlAs

n p

n p

Aynı Türden Eklemler (Homojunction)

Elektron Deşik (hole)

Atom +

+ + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

E

E_f E_c

E_v E_f

n-tipi p-tipi

Silikondan yapılmış n-tipi ve p-tipi katkılanmış yarıiletken malzemeyi düşünelim

Malzemeler aynı olduğu için (silikon) n- ve p- tipi malzemenin bant aralığı da aynı olacaktır

E=0 Boşluk

qφ(iş fonksiyonu): Bir elektronu Fermi seviyesinden (E_f) boşluğa (E=0) götürmek için gereken enerji

qφ qφ

qχ (elektron affinity): Bir elektronu iletim bandından (E ) boşluğa (E=0) götürmek için gereken enerji qχ

qχ

© 2008 HSarı 6

Yarıiletken Eklemler

+ + +

+ + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

E Elektron

Deşik (hole) Atom

E_c E_v Build-in Potansiyel V_b

+ + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

E E

E_f E_c

E_v E_f

n-tip p-tip

V_b

E_f

V I

n p

A

d

d: deplition bölgesi

2 1 1 1/ 2

( )

o

A D

d V

q N N

 ε 

= + 

 

1/ 2 1

2 ( )

( )

o D

A A D

V N

d q N N N

 ε 

=  

 + 

1/ 2 2

2 ( )

( )

o A

D A D

V N

d q N N N

 ε 

=  

 + 

1 2

d =d +d

I_k=karanlık akım

( ) _k ( ^{qV kT} 1) I V = I e −

V I

I_k

I-V E ğ rileri

(

)

k n p

p n

D D

I qA p n

L L

= +

V

n p I

© 2008 HSarı 8 V I

V I

+ + +

+ + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

E

E_f E_c

E_v V_b

n p

V A

- +

n p

V A

- +

+ + +

+ + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

E

E_f E_c

E_v V_b

d

d

Ters besleme

İleri besleme

( )

(

1) I V = I e −

V= -V

V= +V Ters besleme

İleri besleme

Farklı Türden Eklemler-Hetero Yapılar

Elektron Deşik (hole)

Atom +

+ + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

E

E_f E E_c

E_v E_f

Si: n-tip Ge: p-tip

qφ E=0 Boşluk

qφ

Farklı yarıiletkenden yapılmış n-tipi ve p-tipi katkılanmış yarıiletken malzemeyi düşünelim Malzemeler farklı olduğu için bant aralıkları da farklı olacaktır

E_g=1,2 eV E_g=0,6 eV

© 2008 HSarı 10

Hetero Yapılar

Elektron Deşik (hole)

Atom

+ + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

E EE_fc E

E_v E_f

Si: n-tip Ge: p-tip

φ E=0 Boşluk

φ

E_g=1,2 eV E_g=0,6 eV

Üçgen Kuantum Çukuru E_f

E_c

E_v E_f

E_c

E_v

+ + +

+

- - - -

Hetero Yapılar-Üstünlükleri

z x

y

Denge durumu (V=0)

+ + + + + +

+ +

+ + + +

- - - - - -

- - - - - -

E_F E_f

E_c

E_v E_f

E_c

E_v n p

© 2008 HSarı 12

Farklı Türden Eklemler-Üstünlükleri

z x

y

- Elektronlar, + yüklü iyonlardan ayrılarak devingenliklerinin daha büyük olduğu bölgede hareket ederler - Kuantum çukur içersindeki elektron yoğunluğu dış elektrik alan ile değiştirilebilir (yük modülasyonu) - Kuantum çukurunun genişliği (z-doğrultusu) elektronların de Broglie dalgaboyu mertebesinde

olduğu için kuantum etkileri görünür

-Yükler, uzayın belli bir bölgesine sınırlandırıldığı için elektron-deşik birleşmesi çok verimlidir - Farklı malzemeler kullanıldığı için (farklı kırılma indisli malzemeler) fotonlar belli bölgede

sınırlandırıldığı için optik verim artar

- Kuantum çukurunun genişliği ayarlanarak (katkı atom konsantrasyonu) enerji seviyeleri ayarlanabilir V ≠ 0 yüksek devingenlik V ≠ 0 yük modülasyonu

y → ∞ x=L

v_y= yüksek devingenlik

+ + + + + +

+ +

+ + + +

- - - - - -

- - - - - -

E_F

L

Yüksek Devingenlik

T (K) Devingenlik (cm2 /V-s)

Fon on e

tkile şimi (

krist al titre

şimi) İyonlaşmışkatkı atomları(saçılma)

GaAs

10² 10¹

10⁵

10⁶ Piezoelektrik (akustik fonon)

T (K) Devingenlik (cm2 /V-s)

Fon on e

tkile şimi (kr

istal titre şimi) 10² 10¹

10⁵ 10⁶

Piezoelektrik (akustik fonon)

GaAs/GaAlAs

© 2008 HSarı 14

Yük Modülasyonu

+ + + z +

x

y +

+ + +

Ters besleme - V < 0

- - - - - -

- - - - -

- E_F

E_F

-V

I

+ n p - z

Yük modülasyonu

+ + + z +

x

y

+ +

+ +

- - - - - -

- - - - - - E_F

E_F +V

I

n p +

- z

İleri besleme - V > 0

© 2008 HSarı 16

Yük modülasyonu

z x

y

V > 0

+ + + + + +

+ +

- - - - - -

- - - - - - E_F

E_F

V

I

n p V_d

I

Vm

Kuantum Çukuru

E

E_f E_c

E_v E_f

+ + + + + + + + + + + +

Ga_xAl_(1-x)As

- - - - - - - - - - - -

GaAs

E=0 Boşluk

E_g Kuantum Çukuru

+ + + + + + + + + + + +

E_g

E_c

• GaAs yarıiletkenine Al ekleyerek GaAlAs yarıiletkeni oluşturulabilir.

• GaAlAs nin band aralığı (E_g) içindeki Al atomlarının yüzdesine bağlı olarak GaAs’nin band aralığı olan E_g=1,42 eV ile AlAs’nin band aralığı olan E_g=2,2 eV arasındaki değerleri alabilir

Ga_xAl_(1-x)As

© 2008 HSarı 18

Kuantum Çukuru

L ≈ λ_e x

E

V=∞

E

E

T=0 K T=0 K

Ödev-2: üçgen kuantum çukuru olduğu durumda enerji değerleri nasıl olur?

L L ≈ λ_e

x E

E₁ E₂ E₃

n=2 n=1 n=3

Ödev-1: potansiyel çukurunun sonlu

olduğu durumda enerji değerleri nasıl olur?

Elektron için Schrödinger Denklemi

[ ]

2

2 2

2

( ) m

( ) ( ) 0 d x

E V x x

dx + − =

ψ ψ

n=1, 2, 3....

2 2 2

2

e

E n

= π m L

(V= ∞) 0 < x < L

( ) 2 sin( )

n

x n x

L L

= π

ψ

2

2 2

( ) 2

( ) 0

d x m

E x

dx + =

ψ ψ

Enerji

Dalga fonksiyonu n=1, 2, 3....

(V= 0) 0 < x < L 2m E_e

k =

ψ(x)= 0

Düşük Boyutlu Sistemler

L_x >> λ_e L_x ≈ λ_e 3 Boyutlu yapı (3B)

Yığınsal (bulk) yapılar L_x

L_y L_z

L_x

L_y L_z

L_x

L_y L_z

L_x ≈ λ_e 2 Boyutlu yapı (2B)

(kuantum çukurları)

1 Boyutlu yapı (1B) (kuantum teller)

L_x

L_y L_z

0 Boyutlu yapı (0B) (kuantum noktalar)

L_x ≈ λ_e GaAlAs

Yasak bant

GaAs GaAlAs

E_g(Al)=1.43-2.16 eV

E_g(Al)=1.43-2.16 eV E_g=1.43eV E_c

E_c E_c E_v E_v

E_v

z x y

L_x

L_y L_z

Enerji (E_g)

E_c E_v

x

© 2008 HSarı 20

Yığınsal-Kuantumluluğa Karşı

Kuantum Çukuru

GaAlAs GaAs GaAlAs E_c

E_v

GaAlAs GaAlAs

GaAs

E_g(GaAlAs)

GaAlAs GaAs GaAlAs E_c

E_v

GaAlAs GaAlAs

GaAs

E_g(GaAlAs)

E_g(GaAs)

L_x >> λ_e L_x ≈ λ_e

L_x

ω Yığınsal (bulk) Yapı

L_x

E_g(GaAlAs) E_g(GaAlAs)

E₁^h E₂^h

E₁^e E₂^e

2 2

2

h n

h x

E n

m^∗ L

 

=  

 

π

2 2

2

e

n g

e x

E E n

m

L

 

= +  

 

π

n=1, 2, 3..

frekans

( E

+ E

+ E

)

=

frekans

( E

− E

) E

ω

= =

ω

E_g(GaAs)

x x

z x y

L_x

ω

2 2

2

e

C e

E k E

m

=
=

enerji

2 2

2

h

V h

E k E

m

=
=

Hetero Yapılar-Uygulama Alanları

• Farklı türden yarıiletkenler ile yapılan eklemler elektronikte ve optoelektronikte oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır

Elektronikte,

Hızlı transistörlerin yapımında

Modulation Doped Field Effect Transistor(MODFET veya HEMT) Hetorojunction Bipolar Transistör (HBT)

Optoelektronikte,

Kuantum çukurlu lazerlerin yapımında Verimli güneş pillerinde

Işığın modülasyonunda Dalga klavuzlarında DBR ayna yapımında

• Farklı türden yarıiletkenler ile yapılan eklemler sayesinde düşük kuantum boyutlara inmek mümkün.

© 2008 HSarı 22

Optoelektronik malzemeler

Optoelektronik Malzemeler-1

• Işık üretimi için dolaysız (direk) bant aralığına sahip yarıiletkenler kullanılmalıdır Genellikle bileşik yarıiletkenler dolaysız bant aralığına sahip oldukları için optoelektronik teknolojisinde çok yaygın olarak kullanılır (GaAs, GaAlAs)

• Verimli ışık aletlerinin yapılabilmesi için kristal kusurlarının en az olması gerekir

• Bant aralığının, istenilen dalgaboyunda ışık elde edecek (algılayacak) şekilde ayarlanabilmesi arzulanır

• Bileşik yarıiletkenlerde atom konsantrasyonu değiştirilerek bant aralığı (Eg) değiştirilebilir.

Böylece istenilen bant aralığına sahip yarıiletken malzemeler elde edilebilir.

Buna bant aralığı mühendisliği (Band Gap Engineering) denir

kırılma indisi de konsantrasyona bağlıdır (Selmineer Denklemi) Örneğin:

komposizyona bağlı bant aralığı (E_g )( 293^oK sıcaklıkta), x =0 ile 0.44 aralığında E_g(x) = E_g(GaAs) + (1.429eV)x –(0.14eV)x²

x > 0.44 için AlGaAs indirek bant aralığına sahip olmaktadır E

E_g k

Al

Ga

As

• Benzer şekilde kırılma indisi de konsantrasyona bağlı olarak değişir (Selmineer Denklemi)

© 2008 HSarı 24 E_c

E_v

E_g^(GaAs) E_g^(GaAlAs)

d (nm)

n+-GaAs

GaAs GaAlAs

GaAlAs

n^(GaAs) n^(GaAlAs)

E

n E_g^(GaAlAs) E_g^(GaAs)

d

Farklı türden bileşik yarıiletkenleri büyütmek için uygun bir alttaşın bulunması gerekmektedir

Optoelektronik Malzemeler-3

a b

Altaş (GaAs) film (AlAs)

Alttaşın ve üzerinde büyütülecek filmin kristal örgü sabitleri arasındaki fark çok küçük olmalıdır

b a %1 a

− <

Örgü sabitleri arasındaki fark ne kadar büyük olursa alttaş üzerinde büyütülecek filmin kalınlığı da o kadar çok azalır

E_v E_c E_d E_t

© 2008 HSarı 26

Optoelektronik Malzemeler-4

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_5/backbone/r5_1_4.html Bileşik Yarıiletkenlerde kristal sabiti ve enerji

III IV V VI VII

I II

• Bileşik Yarıiletkenler

III-V

İkili (Ternary) => GaAs, AlAs, InAs, InP Üçlü (Quaternary) => Ga_xAl_(1-x)As, In_xAl_(1-x)As II-VI

İkili (Ternary) => HgTe, CdTe

• Tek Atomlu Yarıiletkenler

silikon (Si), germanyum (Ge), karbon (C)!

Optoelektronik Malzemeler-5

Dolaylı Bant yapısı (Si)

+V I

-V

-I

+I Işık Kaynakları

Güneş pilleri Işık Algılayıcıları

+V

I

-V

-I +I

Güneş pilleri Işık Algılayıcıları

Işık Kaynakları

© 2008 HSarı 28

Optoelektronik Malzemeler-GaAlAs

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_5/backbone/r5_1_4.html

2 2

2 ( )

) ) (

( )

( _o

o

x x D

C x B

A x

n λ

λ − ⁻

+

= Al_xGa_1-xAs için bant aralığı (293 ^oK)

E_g(x) = E_g(GaAs) + (1.429eV)x –(0.14eV)x² x > 0.44, için AlGaAs indirek bant aralığına sahiptir

Kırılma indisi

Optoelektronik Malzemeler-InGaAs

In_xGa_1-xAs için bant aralığı (300^oK)

E_g(x) = 1.425eV – (1.501eV)x + (0.436eV)*x²

Bütün x değerleri için InGaAs direk bant aralığına sahiptir

© 2008 HSarı 30

Optoelektronik Yapılar

Kuantum Çukurları Çoklu Kuantum Çukurları

n+-GaAs n+-GaAs

GaAs GaAlAs GaAlAs

GaAs GaAlAs GaAlAsGaAs E_c

E_v

E_g^(GaAs) E_g^(GaAlAs)

E_g^(GaAs) E_g^(GaAlAs)

Basit Heteroyapılar n+-InP

n-InP E_c

E_v

E_g^(In_0,53^Ga_0,47^As)

E_g^(InP)

In_0,53Ga_0,47As GaAs

GaAlAs GaAlAs

Bileşik yarıiletken yapılar MBE, MOCVD gibi tekniklerle üretilir

Hetero Yapılar

Basit Heteroyapılar n+-InP

n-InP

E_c

E_v

E_g^(In_0,53^Ga_0,47^As)

E_g^(InP) In_0,53Ga_0,47As

Üçgen Kuantum Çukuru E_f

E_c

E_v E_f

E_c

E_v

© 2008 HSarı 32

Kuantum Çukurlar

Kuantum Çukurları

Düşük bant aralığına sahip (örneğin GaAs), yüksek bant aralığına sahip başka bir malzeme

ile (örneğin GaAlAs) sandiviç yapıda büyütüldüğü takdirde düşük bant aralığına sahip malzemenin iletim bandı elektronlar için, değerlik bandı ise deşikler için kuantum çukuru oluşturur.

E_c

E_v E_g^(GaAs) E_g^(GaAlAs)

n+-GaAs GaAs GaAlAs GaAlAs d (nm)

d (nm) d kalınlığı eksiton yarıçapı mertebesinde

Çoklu Kuantum Çukurlar

Çoklu kuantum çukurlarda kuantum çukurları arasındaki mesafe yakın olduğu için kuantum çukurları etkileşerek taşıyıcılar çukurlar arasında tünelleme ile geçebilmektedir

Çoklu Kuantum Çukurları n+-GaAs

GaAs GaAlAs GaAlAs

GaAs GaAlAs GaAlAsGaAs

E_g^(GaAs) E_g^(GaAlAs)

Her bir katmanın kalınlığı kullanılan ışığın belli dalgaboylarına göre ayarlanarak DBR aynaları yapılabilir.

© 2008 HSarı 34

Optoelektronik Malzeme Üretim Teknikleri

Yaygın optoelektronik malzeme üretim teknikleri:

• Sıvı Fazı Epitaksi (Liquid Phase Epitaxy, LPE)

• Buhar Fazı Epitaksi (Vapor Phase Epitaxy, VPE)

• Organik Metal Kimyasal Faz Eptaksi (Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOVPE)

• Organik Metal Kimyasal Buhar Epitaksi (Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)

• Moleküler Demet Epitaksi (Molecular Beam Epitaxy, MBE)

Optoelektronik malzemeler (heteroyapılar) çoğunlukla epitaksi kristal büyütme teknikleri ile üretilirler Epitaksi, kelime anlamı ile alttaşın kristal yapı ve doğrultusunu koruyarak yapılan büyütme işlemine denir

(100)

Molekül Demeti Yöntemi (MBE)

• Çok yüksek vakum (< 10^-10 mbar) altında gerçekleştirilen epitaksiyel büyütme yöntemidir

• Genellikle III-V bileşik yarıiletken yapılar (GaAlAs, InAlAs vs) büyütülmektedir

alttaş

kaynaklar

elektron tabancası

fosforlu ekran

örnek transfer çubuğu shutter

transfer (tampon) vakum bölgesi Al

In

As

Ga Si

örnek girişi büyütme

odası

yüksek vakum pompaları örnek hazırlama

odası

karakterizasyon odası yüksek vakum

pompaları

Üstünlükleri:

•Atomik mertebede kalınlık kontrolü

•Saflık derecesi çok iyi olan malzemeler üretilebilir

•Büyütme sırasında çok iyi katkılanma kontrolü sağlanabilir

•Lazer, dedektör ve modülatör gibi heteroyapılar için ideal

Olumsuzlukları:

•Kristal büyütme hızı yavaş < 1 µm/sa

•Seri üretime uygun değil

•Oldukça pahalı (Million Buck Epitaxy)

© 2008 HSarı 36

Yarıiletken Teknolojisi-Diyot Fabrikasyonu

n-Si SiO₂

n-Si Fotoresist (PR)

n-Si Maske

n-Si UV ışık

n-Si

n-Si

n-Si

n-Si

Boron Difüzyonu

p-Si

n-Si

n-Si

Al Metali

Al

n-Si SiO₂’yi aşındıracak

kimyasal işlem 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Yarıiletken Teknolojisi-Lazer Fabrikasyonu

n⁺-GaAs Alttaş

n+-GaAs GaAs

GaAlAs GaAlAs

n+-GaAs GaAs

GaAlAs GaAlAs

Optoelektronik devre elemanları daha çok heteroyapılar ile yapıldığı için bunların imal edilmesi daha karmaşıktır

Optoelektronik devre elemanları daha çok birleşik yarıiletkenlerden (hetoroyapılar) yapıldığı için MBE, MOCVD gibi pahalı teknikler kullanılır

Oksit Tabaka

Epitaksiyel büyütme

processing