Polovodičové struktury s kvantovými tečkami pro využití v detektorech, příprava a charakterizace

Thesis type: 
MSc

Polovodičové heterostruktury s mnohonásobnými kvantovými tečkami jsou velmi perspektivní pro využití v detektorech. Umožňují totiž kolmý dopad detekovaného záření na strukturu a vyšší účinnost ve srovnání s detektory s objemovými polovodiči nebo s kvantovou jámou. Úkolem práce je navrhnout a ve spolupráci s technology připravit detektorovou strukturu s InAs kvantovými tečkami. Nutnou podmínkou pro zvládnutí úkolu je seznámit se s fyzikálními vlastnostmi kvantových teček a technologií jejich přípravy ve Stranskeho-Krastanovově modu růstu metodou epitaxe z organokovových molekul.

Kvantové tečky se poprvé podařilo připravit roku 1993 pomocí tzv. Stranskeho-Krastanovova módu růstu, při kterém se během epitaxe vytvářejí kvantové tečky samovolně následkem silného pnutí v heteroepitaxní vrstvě. Pnutí vzniká v důsledku velkého rozdílu v mřížkové konstantě podkladu a epitaxní vrstvy. Nejznámější systém pro přípravu kvantových teček je InAs/GaAs. InAs má o 7% větší mřížkovou konstantu než GaAs podložka. Při epitaxi InAs nejprve vznikne souvislá monoatomární tzv. smáčecí vrstva, při pokračování růstu vznikají na smáčecí InAs vrstvě kvantové InAs tečky čočkovitého nebo pyramidálního tvaru s výškou několika nanometrů a průměrem obvykle 10 – 20 nm. Pro vznik kvantových teček v tomto systému je důležité, aby se ponechalo epitaxní struktuře dost času pro ustavení rovnovážného stavu (dosažení minima objemové a povrchové energie). Růst musí proto probíhat velmi pomalu nebo musí dojít k jeho přerušení po růstu InAs.

V laboratoři MOVPE ve Fyzikálním ústavu AV ČR jsou připravovány kvantové tečky na bázi InAs/GaAs metodou Stranski-Krastanov. Jejich vlastnosti jsou optimalizovány pro využití v aktivních oblastech telekomunikačních laserů s vlnovou délkou 1300 a 1550 nm a pro využití v detektorech. Pro prodloužení vlnové délky do požadované oblasti jsou kvantové tečky překryty vrstvou ternární sloučeniny InGaAs nebo GaAsSb snižující pnutí mříže ve kvantové tečce a zamezující zmenšování tečky při dalším růstu struktury. Pro využití v detektorech jsou připravovány násobné, vertikálně korelované struktury. Pro diagnostiku růstu kvantových teček je využívána in situ metoda RAS a fotoluminiscence. Na vybraných vzorcích lze měřit topografie nepřikrytých kvantových teček pomocí AFM, pro přikryté kvantové tečky lze využít STM a TEM, měření fotoluminiscence ve velmi vysokém magnetickém poli (Grenoble), časově rozlišenou fotoluminiscenci a rtg difrakci a reflexi.

 

Předběžná osnova práce:

  1. Polovodičové heterostruktury.
  2. Polovodičové struktury s kvantovými tečkami.
  3. Struktury pro detektory využívající inter- a intra- pásové přechody.
  4. Technologie epitaxe z organokovových sloučenin.
  5. Charakterizační metody: RAS, fotoluminiscenční metody, AFM, STM, TEM.
  6. Návrh a příprava vlastních detektorových struktur s kvantovými tečkami.

  1. Polovodičové heterostruktury; stručný úvod do polovodičů, co jsou polovodiče, základní pojmy, pásová struktura, p-n přechod, epitaxní vrstvy, heterostruktury I. a II. typu.

  2. Polovodičové struktury s kvantovými tečkami: základní rozdíly mezi kvantovou strukturou a objemovými polovodiči; kvantové jámy, dráty a tečky; optické a elektrické vlastnosti struktur s kvantovými tečkami, vlnové funkce elektronů a děr, aplikace kvantových teček.

  3. MOVPE (Technologie epitaxe z organokovových sloučenin): co je to epitaxe, princip MOVPE (sloučeniny, chemické reakce, módy růstu, proudění v reaktoru…), epitaxe struktur mřížkově nepřizpůsobených struktur s pnutím, příprava GaAs, AlGaAs, InAs, InGaAs, GaAsSb.
  4. Principy charakterizačních metod: základní princip RAS – rekonstrukce epitaxního povrchu, růstové oscilace při monovrstvách, měření fotoluminiscence a elektroluminiscence - vliv excitace, teploty a vnějších polí (elektrického a magnetického), principy AFM, TEM a STM.
  5. Struktury pro detektory; výhody vertikálně korelovaných struktur, propojení vlnových funkcí mezi korelovanými kvantovými tečkami – vznik tzv. kvantových molekul, detektory s inter- a intra- pásovými přechody, význam heterostruktury II. typu pro detektorové struktury využívající interpásové přechody.
  6. Návrh, příprava a charakterizace vlastních struktur s kvantovými tečkami.

První čtyři body jsou především práce rešeršní (která může být i součástí práce předdiplomní), body 5 a 6. vyžadují vlastní práci experimentální.

Školitel: Ing. Alice Hospodková, PhD.

  • FZÚ AV ČR, v.v.i., Praha 6, Cukrovarnická 10
  • e-mail: hospodko@fzu.cz
  • mobil: 728 104 609

Konzultant: Prof. Ing. Eduard Hulicius, CSc.

Doporučená literatura:

  • M. A. Herman, W. Richter, H. Sitter, Epitaxy, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 2004, ISBN 3-540-67821-2.
  • D. Bimberg, M. Grundmann, N.N. Ledentsov, Quantum dot heterostructuresctures, John Wiley and Sons, Chichester, New York, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto, 2000, ISBN 0-471-97388-2.

Další vhodná literatura:

  • H. Frank; Fyzika a technika polovodičů, SNTL, Praha 1990.
  • D. Sands: Diode lasers, IoP Publishing, Bristol and Philadelphia, 2005, ISBN 0 7503 0726 9.
  • G. B. Stringfellow: Organometallic Vapor- Phase Epitaxy, Theory and Practice, Academic Press, Inc., Harcourt Brace Jovanovich, Publishers, 1989
  • V. A. Schuskin, N.N. Ledentsov, D. Bimberg, Epitaxy of Nanostructures, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 2004, ISBN 3-540-67817-4
  • I. Pelant a J. Valenta: Luminiscenční spektroskopie polovodičů I a II díl
  • Vybrané články v časopisech

Použité anglické zkratky:

  • MOVPE – Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy
  • MBE – Molecular Beam Epitaxy
  • RAS – Reflectance Anisotropy Spectroscopy
  • AFM – Atomic Force Microscopy
  • STM – Scanning Tuneling Microscopy
  • TEM – Transmition Electron Microscopy
Supervisor: 
Eduard Hulicius
Team: 
Kvantová elektronika a optika