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

Úkolem práce je navrhnout a ve spolupráci s technology připravit elektroluminiscenční diodu, případně laserovou strukturu emitující na vlnové délce kolem 1300 nm. Podmínkou k zvládnutí úkolu je seznámit se s fyzikálními vlastnostmi InAs/GaAs kvantových teček a technologií jejich přípravy i se základními principy návrhu laserových struktur.

Použití kvantových teček v polovodičových laserech přineslo výrazné snížení prahové proudové hustoty pod 9 A/cm2 a další snížení ztrát a zvýšení kvantové účinnosti. Podařilo se také podstatně prodloužit vlnovou délku emitovaného světla v systému InAs/GaAs až k vlnovým délkám 1300 a 1550 nm používaných pro přenos dat světlovodnými křemennými vlákny. Příprava polovodičových laserů s kvantovými tečkami pracujícími na těchto vlnových délkách je však doposud obtížná, zvláště pomocí technologie MOVPE. Ta je však vhodnější pro průmyslovou výrobu než technologie MBE. Je zde řada problémů, které je nutné vyřešit, jako například: dipólový moment kvantových teček a možnost jeho ovlivnění, snížení pravděpodobnosti luminiscence z excitovaných stavů (buď energetickým rozdílem základního a excitovaného stavu nebo rychlostí relaxace do základního stavu), příprava kvalitního vlnovodu tak, aby nedošlo k degradaci kvantových teček.

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.

Předběžná osnova práce:

1. Polovodičové heterostruktury.
2. Polovodičové struktury s kvantovými tečkami.
3. Základy polovodičových laserových struktur.
4. Technologie epitaxe z organokovových sloučenin.
5. Charakterizační metody: RAS, luminiscenční metody, AFM, STM, TEM.
6. Návrh a příprava vlastních 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 kvantových teček, vlnové funkce elektronů a děr, vznik dipólového momentu, aplikace kvantových teček.
3. Základy polovodičových laserových struktur; princip dvojité heterostruktury, DBR, DFB a VCSEL typy laserů, základní charakteristiky laserů – mody, zisk, prahová proudová hustota, šířka čáry a jejich souvislost se strukturou laseru, pnutí v aktivní oblasti.
4. MOVPE (Technologie epitaxe z organokovových sloučenin): co je to epitaxe, typy epitaxních technologií, princip MOVPE (sloučeniny, chemické reakce, módy růstu, proudění v reaktoru…), epitaxe struktur mřížkově nepřizpůsobených struktur s pnutím, příprava GaAs, AlGaAs, InAs, InGaAs, GaAsSb.
5. 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.
6. Návrh a příprava vlastních struktur s kvantovými tečkami: Pokusit se navrhnout a ve spolupráci s technology připravit elektroluminiscenční diodu, případně laserovou strukturu emitující na vlnové délce kolem 1300 nm.
   

   První tři body zahrnují především práci rešeršní (která může být i součástí práce bakalářské – body 1. a 2.), body 4.–6. vyžadují práci teoretickou i 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.
• V. M. Ustinov, A. E. Zhukov, A. Y. Egorov, N. A. Maleev, Quantum dot lasers, Oxford University Press, 2003, ISBN 0-19-852679-2.

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.
• 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.
• 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
• DBR – Distributed Bragg Reflectors
• DFB – Distributed Feed-Back
• VCSEL  – Vertical Cavity Surface Emiting Laser