Nitridové polovodičové struktury a jejich charakterizace

Úkolem je seznámit se teoreticky se základními vlastnostmi nitridových heterostruktur, technologie jejich přípravy i základními charakterizačními metodami. V rámci praktické části výzkumného úkolu bude zkoumána nitridová heterostruktura s InGaN/GaN kvantovými jamami na safírové podložce pomocí několika charakterizačních technik.

Nitridové polovodiče jsou dnes hned po křemíku druhým nejrozšířenějším polovodičovým materiálem. Nalezneme je např. v barevných displejích mobilních telefonů i notebooků, v diodovém osvětlení, ve velkoplošných obrazovkách a LED televizích, neobešel by se bez nich současný automobilový průmysl, využívány jsou v rozvodné soustavě, v jaderných elektrárnách nebo v kosmu, protože jsou odolné proti kosmickému záření. Nitridové součástky spolehlivě pracují také za vysokých teplot, odpadá tedy u mnoha aplikací nutnost náročného chlazení. Nitridové struktury jsou vhodné také pro mikrovlnné aplikace, mobilní sítě a radary. V budoucnu se předpokládá jejich široké využití.

Jsou to monokrystaly wurzitového typu, v nichž se kombinují atomy dusíku s atomy III. skupiny, čímž můžeme vytvořit celou škálu nitridových polovodičů s různými vlastnostmi např. GaN, InN, AlGaN, InGaN atd. Vhodným vrstvením takových polovodičů vzniká funkční heterostruktura s požadovanými vlastnostmi. Dostatečně velké monokrystaly GaN nelze prozatím připravovat, nitridové heterostruktury se proto deponují na monokrystalických podložkách jiných materiálů (nejčastěji na safírových podložkách). Právě růst nitridových heterostruktur na safírových podložkách, který se poprvé podařil v Japonsku Hiroshi Amanovi a Isamu Akasakimu na počátku devadesátých let, přivedl okamžitě nitridové polovodiče do centra vědeckého zájmu, což brzy přineslo řadu důležitých aplikací.

Připravené heterostruktury budou charakterizovány v optické laboratoři vybavené kombinací Ramanova a luminiscenčního spektrometru s vysokým prostorovým a spektrálním rozlišením a optického konfokálního mikroskopu umožňujícím 2D a 3D zobrazování. K dispozici je také měření rtg difrakce.

Předběžná osnova:

1. Vlastnosti nitridových heterostruktur: krystalografická struktura, pásová struktura, pyroelektrické vlastnosti wurzitové struktury, tepelné vlastnosti,
2. Specifika přípravy nitridových polovodičů: parametry přípravy GaN, AlGaN, InGaN, podložky, p- a n-typová dotace, nosný plyn problémy při růstu heterostruktur
3. Polarizace v nitridových heterostrukturách: vliv polarizace na vlastnosti heterostruktur, problémy nebo využití polarizace v aplikacích, způsoby snížení polarizace.
4. Charakterizace InGaN/GaN několikanásobné kvantové jámy: Luminiscence, rtg, Ramannova spektroskopie.

Na výzkumný úkol může navázat diplomová práce na témata:

1. Nitridové polovodičové struktury pro využití v luminiscenčních aplikacích, návrh, příprava a charakterizace struktur
2. Nitridové polovodičové struktury pro využití ve vysokovýkonových aplikacích, návrh, příprava a charakterizace struktur

Školitel: Ing. Alice Hospodková, Ph.D.
ZÚ AVČR, v.v.i., Praha 6, Cukrovarnická 10
e-mail: hospodko@fzu.cz

Konzultant: Ing. Jiří Oswald, CSc.
FZÚ AVČR, v.v.i., Praha 6, Cukrovarnická 10

Doporučená literatura:

1. B. Gil, Low dimensional nitride semiconductors, Oxford Science publications, 2002, ISBN 0-19-850974 X
2. H. Morkoc, Nitride semiconductors and Devices, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 1999, ISBN 978-3-642-58562-3

Další vhodná literatura:

• H. Frank; Fyzika a technika polovodičů, SNTL, Praha 1990.
• I. Pelant a J. Valenta: Luminiscenční spektroskopie polovodičů I a II díl
• Vybrané články v časopisech