Kvantová elektronika a optika

Pomocí uspořádaného růstu atomů vytváříme vrstvy polovodičů se speciálními vlastnostmi. Je to složité, krásné a velmi užitečné.

Princip MOVPE

Technologie uspořádaného růstu – epitaxe z organokovových sloučenin (MOVPE – z anglického metal organic vapour phase epitaxy) využívá pro epitaxi sloučeninových polovodičů atomy prvků uvolněné tepelným rozkladem prekursorů – organokovových molekul a hydridů. K rozkladu dochází v reaktoru nad zahřátým susceptorem, na němž leží polovodičová podložka. Nosným plynem pro organokovové molekuly bývá dokonale čistý vodík s čistotou lepší než 1 ppb (1 molekula nečistoty na 10⁹ molekul vodíku) difundovaný přes palladiovou stěnu. 
Výhodou této technologie pro laboratorní využití je, že jedinou aparaturu lze použít pro přípravu širokého spektra polovodičů. Tato technologie nepracuje za podmínek vysokého vakua, bývá proto upřednostňována v průmyslu.

Diagnostika používaná během epitaxního růstu využívá různé povrchové odrazivosti světla v kolmých krystalografických směrech (RAS – reflectance anisotropy spectroscopy). Touto metodou lze monitorovat růst jednotlivých atomových vrstev i složení a kvalitu epitaxních vrstev.

Technologie MOVPE je spolu s technologií epitaxe z molekulárních svazků MBE (zavedená zkratka anglického Molecular Beam Epitaxy) vhodná pro přípravu heterostruktur i na úrovni nanosystémů.

Aparatura MOVPE ve FZÚ

MOVPE aparatura AIXTRON 200 vlevo: řídící elektronická část uprostřed: mísící a dávkovací část s ventily a průtokoměry vpravo: reaktor a vkládací rukavicový box

Ve Fyzikálním ústavu AV ČR v laboratoři MOVPE máme špičkový komerční výrobek AIXTRON 200. Obdobných zařízení je v provozu asi 400 na celém světě. 

Jak to funguje? Vstupní látky jsou dodávány v tlakových láhvích o objemu 250 až 2700 ml, nebo ve směsi s vodíkem nebo argonem v tlakových láhvích o objemu 5 až 10 l.

Tyto plyny jsou po průchodu omezovací tryskou tlakově redukovány v plynotěsném proplachovacím redukčním ventilu a dále vedeny potrubím z nerezavějící oceli do aparatury, kde je jejich průtok měřen a nastaven na požadovanou hodnotu. Nosný plyn H₂, čištěný difusí přes zahřáté palladium, pak průchodem přes nerezové tlakové probublávačky organokovových sloučenin, udržované na konstantní teplotě, unáší páry těchto sloučenin dále do aparatury. Všechny tyto plyny jsou vedeny do směšovací komory, a dále buď do reaktoru a odtud přes plynotěsnou rotační vývěvu, nebo přímo do likvidační komory. Zde jsou zplodiny z reaktoru a nerozložené reaktanty převedeny na stabilní nízkotoxické látky. Z likvidační komory vystupuje plyn s koncentrací toxických látek pod 5 ppb (tj. 0.000 000 5 %).

Zásobní láhve koncentrovaných, případně ředěných reaktantů jsou umístěny v plynotěsné ohnivzdorné ocelové skříni. Bezpečnostní odtah vzduchotechniky ze skříně pro případ drobné netěsnosti při manipulaci s láhvemi. Skříň i odtah z ní jsou připojeny na monitorovací systém. Vlastní aparatura je umístěna v ocelové skříni s odtahem, předepsané výrobcem. Také tento prostor, včetně odtahu, je připojen na monitorovací systém. Stejné monitorování včetně odtahu je použito i pro likvidační komoru.

Výzkum

Díky relativně široké škále zdrojových organometalických sloučenin mohou být i připravované struktury docela různorodé:

• Nedotované a dotované (i delta dotací) vrstvy
• Planární vlnovody AlGaAs/GaAs
• Kvantové jámy, i násobné AlGaAs/GaAs, InGaAs/GaAs, laserové struktury založené na těchto jamách
• Kvantové tečky InAs/GaAs
• Struktury pro střední infračervenou oblast založené na materiálech GaSb, InAs a jejich kombinacích

V kvantových jamách (vrstvách) se mohou elektrony a díry pohybovat volně ve 2 dimenzích, v jednom rozměru je jejich vlnový vektor kvantován. Pokud omezíme vlnovou funkci v dalším rozměru, tedy nosiče náboje se budou moci pohybovat volně pouze v jediném směru, získáme tzv. kvantový drát. Při omezení vlnové funkce ve všech třech dimenzích vznikne něco jako umělý atom, tzv. kvantová tečka. Přitom každý další rozměr omezující volný pohyb elektronů a děr představuje možnost výrazného zlepšení vlastností polovodičových laserů či jiných součástek např. pamětí.

V posledních letech se práce laboratoře MOVPE orientuje na přípravu a studium vlastností kvantových teček z InAs na substrátech GaAs metodou Stranskeho-Krastanovova. 

Použití kvantových teček v polovodičových laserech přineslo výrazné více než dvojnásobné snížení prahové proudové hustoty na 19 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 1 300 a 1 500 nm používané pro přenos dat světlovodnými vlákny. Struktury s mnohonásobnými kvantovými tečkami se využívají také v detektorech, které umožňují také kolmý dopad detekovaného záření. V budoucnu budou kvantové tečky využívány v DRAM pamětech, protože umožní extrémně krátké zapisovací doby při dlouhých obnovovacích časech (o několik řádů delších než v současnosti).

Vysvětlivky

• OPTOELEKTRONIKA: ta část oboru elektroniky, která využívá elektronické součástky pro generaci nebo detekci záření, pro přenos a zpracování signálů, pro záznam nebo čtení informace atd.
• KRYSTAL: látka, jejíž atomy jsou uspořádány v pravidelné prostorové mřížce.
• EPITAXE: růst tenkých krystalických vrstev na povrchu krystalu (podložky), při němž krystalická mřížka vrstvy navazuje bezprostředně na mřížku podložky.
• MBE: (Molecular Beam Epitaxy) epitaxe z molekulárních svazků.
• MOVPE: (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) plynná epitaxe z organokovových sloučenin. Někdy též (obecněji) MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition).
• ORGANOKOVOVÉ SLOUČENINY: organické sloučeniny obsahující atomy kovů (s chemickou vazbou kov - organický radikál).
• HETEROSTRUKTURA: krystalická vrstevnatá struktura obsahující alespoň jednu epitaxní vrstvu odlišného chemického složení než je složení podložky.
• SUPERMŘÍŽKA: umělý materiál vytvořený střídáním epitaxních vrstev různých vlastností (složení, legování...), jejichž tloušt'ka je obvykle menší než 20 nm (tisícina tloušťky vlasu).
• KVANTOVÁ JÁMA: oblast heterostruktury, ve které jsou zachyceny elektrony a kde se mění jejich vlastnosti - technologicky to je epitaxní vrstvička o tloušt'ce obvykle pod 20 nm obklopená z obou stran materiálem jiného složení.
• HEMT: (High Electron Mobility Transistor) ultravysokofrekvenční transistor využívající vysoké pohyblivosti v supertenké vrstvičce - "kvantové jámě".
• QW LASER: (Quantum Well Laser) polovodičový laser využívající kvantovou jámu pro generaci záření.
• QD: (Quantum Dot) - polovodičové krystalické objekty nanometrických rozměrů.

[Text převzat a upraven z Laboratoře polovodičových struktur MOVPE.]