2.3 Puolijohteiden epitaktinen valmistus
2.3.2 Kvanttipisteiden kerroskasvatus
Pinoamalla kvanttipisteitä pystysuunnassa päällekkäin voidaan kvanttipisteiden ominaisuuksia parantaa. Vertikaalisesti kytketyillä kvanttipisteillä (engl. VECQDs, Vertically Coupled Quantum Dots) voidaan mm. pienentää kvanttipistelaserin kynnysvirtaa 7,/, ja parantaa differentiaalista hyötysuhdetta Tjdiffi 12].
Saarekkeiden kriittisen paksuuden ylittävän In(Ga)As-kerroksen kasvattaminen GaAs-kerrokselle muodostaa pyramidin muotoisia In(Ga)As-saarekkeita ja kastumiskerroksen (kuva 4a) [13]. GaAs:n lisääminen edelleen tämän kerroksen päälle on In(Ga)As-saarekkeiden luoman epähomogeenisen jännityskentän vaikutuksen alainen. Saarekekerroksen peittävä GaAs-kerros kasvaakin ensin energeettisesti edullisemman In(Ga)As-kastumiskerroksen päälle. Saarekkeiden läheisyydessä GaAs-kerroksen kasvu on hidasta ja saarekkeista poispäin kaarteutuvaa (kuva 4b). GaAs-kerroksen kasvattaminen edelleen pienentää epähomogeenisuutta ja kerroksen kasvu muuttuu kaksiulotteiseksi peittäen myös saarekkeet. Jos GaAs-kerroksen kasvu sen sijaan lopetetaan ennen saarekkeiden peittymistä ja uuden In(Ga)As-saarekekerroksen kasvattaminen aloitetaan, siirtyy indiumatomeja In(Ga)As-saarekkeiden huipuilta GaAs-kerroksen pinnalle (kuva 4c).
Tämä johtuu indiumatomien termodynaamisesta taipumuksesta erkaantua In(Ga)As- saarekkeista ja kulkeutua GaAs-kerroksen pinnalle [14]. Koska toinen kastumis- kerros muodostuu prosessissa vain osittain, pääsee galliumatomeja vastaavasti
kulkeutumaan saarekkeiden päälle muodostaen saarekkeet peittävän GaAs- kerroksen. Kerroksissa saatetaan havaita pienimuotoisia taipumia saarekkeiden kohdalla (kuva 4d) [15].
c) d)
Kuva 4. In(Ga)As/GaAs kvanttipistekerrosrakenteen muodostuminen: a) In(Ga)As- kastumiskerroksen (WL) ja saarekkeiden (QD) muodostuminen, b) GaAs-kerroksen kasvu epähomogeenisen jännityksen vallitessa, c) Indiumatomien kulkeutuminen GaAs- kerroksen päälle, d) Toisen saarekekerroksen ja peittävän GaAs-kerroksen kasvu.
3 Puolijohdelaser
Puolijohdelaser rakentuu pääasiallisesti p-i-n diodista. Seostamaton alue, josta laserin yhteydessä yleensä käytetään nimitystä aktiivinen alue, sijaitsee n-tyyppisen ja p-tyyppisen alueen välissä (kuva 1). Kun rakenteen yli kytketään myötä- suuntainen jännite n-tyyppisen materiaalin johtavuusvyöllä olevat elektronit ja p- tyyppisen materiaalin valenssivyöllä olevat aukot injektoituvat aktiiviseen alueeseen ja rekombinoituvat lähettämällä emissiosäteilyä.
3.1 Populaatioinversio
Yksinkertainen malli kuvata elektroneiden ja aukkojen käyttäytymistä aktiivisessa alueessa on kaksi energiatilaa omaava atomi (kuva 5). Termisessä tasapainossa suurin osa elektroneista on perustilalla energiassa E¡ ja vain joitakin viritetyllä tilalla energiassa £2- Atomien jakauma kahden eri tilan välillä noudattaa Boltzmannin jakaumaa
Ei Nx
e-hvl2/kBT
(8)
missä hv 12 = E2- E] = AE, kB on Boltzmannin vakio ja N2 sekä N1 ovat vastaavasti elektronitiheydet ylemmällä ja alemmalla energiatilalla. Fotoni, jonka energia on AE, voi absorboitua virittämällä elektronin tilalta E¡ tilalle E2 (kuva 5a) tai aiheuttaa vastakkaisen tapahtuman eli elektronin siirtymisen tilalta E2 tilalle E¡. Jälkimmäistä tapahtumaa kutsutaan stimuloiduksi emissioksi ja sen yhteydessä vapautuu toinen fotoni, jonka taajuus, vaihe ja suunta ovat identtisiä tapahtuman aiheuttaneen fotonin kanssa (kuva 5b). Jos elektroni sen sijaan siirtyy tilalta E2 tilalle E¡ ilman ulkoisen fotonin vuorovaikutusta, kutsutaan tapahtumaa spontaaniksi emissioksi (kuva 5c).
Tässä prosessissa syntyneellä fotonilla on sama taajuus V/2, mutta sen suunta ja vaihe ovat satunnaisia. Jotta stimuloitu emissio dominoisi spontaania emissiota, voidaan Einsteinin relaation ja Boltzmannin statistiikan avulla osoittaa tarvittavaksi ehdoksi N2 > N¡. Tämä ehto tunnetaan yleisesti nimellä populaatioinversio.
abc
Kuva 5. Fotonin a) absorptio, b) stimuloitu emissio, c) spontaani emissio kahden tilan atomimallissa.
3.1.1 Populaatioinversio puolijohteissa
Puolijohteessa populaatioinversiota tarkastellaan elektronien, aukkojen ja vyöteoreeman avulla. Lasertoiminnan mahdollistamiseksi täytyy johtavuus vyöllä olla virittyneitä elektroneja. Tällöin elektronien kvasifermitaso E fr, eli energiataso johon saakka elektronitilat Fermin ja Diracin jakauman mukaisesti epätasa
painotilassa ovat täyttyneet, sijaitsee johtavuusvyön sisässä. Vastaavasti aukkojen kvasifermitaso Ejp sijaitsee valenssivyön sisässä (kuva 6).
Kuva 6. Kvasifermitasojen sijainti ja mahdolliset absorptiotransitiot puolijohteessa.
Nyt absorboituvan fotonin energian ЛЕ täytyy olla suurempi kuin Efr - Ejp, sillä energi a-aukkoa Eg vastaavat tilat ovat jo täynnä. Sen sijaan Eg: a suuremman, mutta Eftl-Ejj}:a pienemmän energian omaava fotoni, voi aiheuttaa stimuloidun emission.
Edelleen voidaan laskea fotoneiden absorptionopeus rabs [2]
<•* = (9)
ja stimuloidun emission nopeus rs,
(10)
-I, =4-/,(e,))/.(£,№„(£),
missä P on siirtymän todennäköisyys, NP(E) on fotoneiden tiheys ja f(E) energiatilan miehitystodennäköisyys. Jotta optinen vahvistus tapahtuisi, täytyy stimuloidun emissionopeuden rst olla absorptionopeutta rabs suurempi. Tämä voidaan kaavojen 9 ja 10 avulla kirjoittaa muotoon /,/£2) > fP(E¡), mikä tunnetaan populaatio- inversioehtona puolijohteille. Huomioimalla elektroneille ja aukoille Termin ja Diracin jakauman mukaiset funktiot
/„.,(£) = i___
E~Efn.Jp (11)
l + e квТ
voidaan populaatioinversioehto kirjoittaa muotoon Eß- Ejp> E. Populaatioinversio voidaan luoda esim. optisesti pumppaamalla tai vähemmistövarauksenkuljettajien injektiolla myötäsuuntaisesti jännitetyssä pn-liitoksessa.
3.2 Kvanttipistelaser
Varauksenkuljettajien liikkeen rajoittamisen nollaulottuvuuteen ja tilatiheyden deltafunktio verrannollisuuden aiheuttaman spektraalisen rajoituksen oletetaan johtavan kvanttipistelaserissa kaksiulotteista kvanttikaivolaseria parempiin ominaisuuksiin. Kvantittumisen useammassa ulottuvuudessa oletetaan mm.
pienentävän kynnysvirrantiheyttä, mahdollistavan korkeamman modulointi- taajuuden, kaventavan sähkömagneettisen säteilyn spektraalista viivanleveyttä ja vähentävän komponentin taajuuden vaellusta. Lisäksi se saattaa mahdollistaa polarisaation kontrolloinnin ja komponenttien valmistamisen heikommin valon kanssa vuorovaikuttaville alustakiteille kuten Si ja Ge [16].
Kvanttipistelaserin valmistus vaatii kuitenkin tiukkoja rajoituksia: Nanorakenteiden keskenäisen kokovaihtelun tulee olla pientä sen mahdollistaessa deltafunktiomaiset tilatiheydet. Varauksenkuljettajien termisten siirtymien välttämiseksi alivöiden energiatilojen välillä tulisi korkeampien energiatilojen sijaita riittävän kaukana toisistaan. Ahtilojen väliseksi etäisyydeksi saadaan vähintään квТ, kun saarekkeen koko U [16]
I ЪП2п2
\ 2kBm*T (12)
Tässä m* on varauksenkuljettajan efektiivinen massa. Huoneenlämpötilassa tästä saadaan laskettua saarekkeen maksimikooksi noin 15 nm.
3.2.1 Energiatilat ja kynny svirta
Kvantittuneiden tilojen energiat voidaan ratkaista Schrödingerin yhtälöstä yksinkertaisimmin olettamalla saarekkeet laatikoiksi ja niitä ympäröivät vallit äärettömän korkeaksi. Varauksenkuljettajien aaltofunktio on muotoa
¥(r) = «(7¥(r), (13)
missä u(r) on Blochin ehdot toteuttava funktio ja i/z(r) verhokäyrä. y/(r) on ajasta- riippumattoman Schrödingerin yhtälön ratkaisu
h2
2 m V +V(r) Ij/(r) - Ey/(r). (14)
Tässä V(r) on johtavuus vyön potentiaali ja E varauksenkuljettajan ominaisenergia.
Elektronin tai aukon ominaisenergiaksi voidaan nyt Schrödingerin yhtälöstä (14) laskea vastaavasti energiatasojen kvantti luvut.
Kynnys virralla tarkoitetaan sitä injektiovirtaa, jolla stimuloitua emissiota alkaa esiintyä. Kynnysehdon mukaisesti valoaallon täytyy vahvistua sen kulkiessa edestakaisin laserin peilipintojen välissä. Kynnysvahvistus g,h liittyy kaviteetti- häviöihin acav seuraavasti
^ 1.1 Tglh - arnv - a, + —
In---'* ' 2 L КЛ12 (16)
missä Fgth on modaalinen vahvistus, a, häviötekijät aktiivisella alueella, L kävi teetin pituus ja R¡2 peilipintojen heijastuskertoimet. Lineaarisessa vahvistusmallissa vahvistuskertoimen riippuvuus varauksenkuljettajatiheydestä N on [17]
g(N) = g'(N-Nlr). (17)
Tässä g’ on differentiaalinen vahvistuskerroin ja N,r on ns. kynnyskonsentraatio eli varauksenkuljettajatiheys, kun vahvistus kompensoi kaviteetin häviöt. Sijoittamalla
yhtälöt 16 ja 17 diodin virtayhtälöön I = eVN/zc, missä V on aktiivisen alueen tilavuus ja zc varauksen elinaika saadaan kynnysvirta /,/,
4
= Ntr+=^rvry = 4 + L (18)
Yhtälöstä 18 nähdään sekä pieni aktiivisen alueen tilavuus että muita ehtoja alhaisen kynnys virran aikaansaamiseksi: Varauksien elinajan zc täytyy olla riittävän pitkä eli säteilemättömiä siirtymiä tulisi esiintyä vähän. Kaviteettihäviöt acav tulisi minimoida esim. korkean heijastuskertoimen omaavilla peileillä tai optimaalisen pituisella kaviteetilla. Lisäksi optisen moodin sidonnan Г aktiiviseen alueeseen tulisi olla suuri. Nanorakenteiden heikkoutena saattaa olla rakenteen läpi kulkevat vuotovirrat.
Varaukset saattavat päästä kulkeutumaan saarekkeiden väliin jäävästä tilasta aktiivisen alueen lävitse.
3.2.2 Kvanttipistelasertutkimus
Itseorganisoituvaan SK-morfologiaan perustuva InGaAs/GaAs-kvanttipistelaser esitettiin 1994 [18], 32 vuotta ensimmäisen puolijohdelaserin valmistamisen jälkeen.
Komponentin aktiivinen alue koostui yhdestä Ino.sGao.sAs-saarekekerroksesta.
MBE-laitteella kasvatettujen saarekkeiden keskimääräinen koko vaihteli välillä 10- 30 nm. Laserointi tapahtui 1 цт:п aallonpituudella ja kynnysvirrantiheydeksi mitattiin 120 A/cm2 ja 950 A/cm2 lämpötilan ollessa vastaavasti 77 K ja 295 K.
MBE-laitteistolla valmistettuja kvanttipistelasereita on demonstroitu useita pääasiallisesti InGaAs- tai InAs-saarekkeisiin perustuvia [19, 20, 21, 22]. Hyviä tuloksia on saavutettu InAs-saarekkeilla, joiden jännitystä on pienennetty päälle kasvatetulla InGaAs-kerroksella [19, 20]. Vastaavalla menetelmällä on pystytty valmistamaan kvanttipistelaser tietoliikennesovelluksissa käytettävälle 1.3 pm:n aallonpituudelle [21]. MBE-laitteistolla kasvatettujen kvanttipi stelasereiden raportoidut kynnysvirrantiheydet ovat noin 100 A/cm2 huoneenlämpötilassa.
Lasereiden kaviteetin pituudet ovat yleensä 0,9 - 2 mm ja kävi teetin päädyissä on korkean heijasiavuuden (90 - 95 %) peilit. Molekyylisuihkuepitaksialla kasvatettu
jen näytteiden saareketiheydet ovat yleensä noin 4xl010 l/cm2.
Myös MOVPE-laitteistolla valmistetuista InAs-saarekkeista, joiden päälle on kasvatettu ohut paksuudeltaan noin nanometrin InGaAs-kerros, on raportoitu
lasertuloksia [23]. Kvanttipistelasereiden aktiivinen alue rakentuu yleensä yksi tai kolmikerroksisesta saarekerakenteesta. Kerrosrakenteella saavutetaan kapeampi fotoluminesenssiemission puoliarvonleveys ja suurempi intensiteetti [24].
Huoneenlämpötilassa on MOVPE-laitteistolla valmistetuista kolmikerroksisista InAs/GaAs-kvanttipistelasereista mitattu kynnysvirrantiheydeksi hieman yli 200 A/cm2 ja matalassa 100 K:n lämpötilassa noin 13-22 A/cm2 [24, 25]. MOVPE- laitteistolla valmistettujen InGaAs-saarekkeisiin perustuvien lasereiden kynnysvirrat ovat yleensä suurempia lähes 1 k A/cm2 ja laserointi tapahtuu noin 1 pm:n aallonpituudella [26, 7].
4 MOVPE
Metallo-orgaanisesta kaasufaasiepitaksiasta käytetään asiayhteydestä riippuen useita eri nimityksiä. Yleisessä käytössä olevia nimityksiä ovat mm. OMVPE (engl.
Organometallic Vapour-Phase Epitaxy), MOCVD (engl. Metal Organic Chemical Vapour Deposition) tai näitä vastaavat MOVPE ja OMCVD. Suomenkielessä käytettävä MOVPE-nimitys kuitenkin viittaa lähimmin yksikiteiseen kasvuun ja on puhekielessä helposti käytettävissä. MOVPE-tutkimus käynnistyi 60-luvun loppupuolella ja kehittyi kohtalaisen hitaasti prosessiyhtälöiden monimutkaisuuden ja lähtöaineiden heikon laadun takia. MOVPEdla voidaan kuitenkin nykyään valmistaa lähes kaikkia III-IV- ja II-VI-puolijohdeyhdisteitä. Menetelmä soveltuu sarjatuotantoon ja kasvatusprosessit ovat hyvin muunneltavissa verrattaessa MBE- tekniikkaan. Toisaalta MOVPErn lähdeaineiden hinnat ovat korkeita ja optimoitavien kasvuparametrien määrä on suuri.
MOVPErn kasvuprosessi jaetaan tavallisesti kahteen alueeseen:
Termodynamiikkaan ja kinetiikkaan. Termodynaaminen tasapaino on kasvuprosessia koossa pitävä voima ja kinetiikka määrää tapahtuvien prosessien nopeudet. Kasvuprosessin onkin todettu noudattavan normaaleissa kasvatuslämpötiloissa (550 - 750 °C) kasvunopeuden riippumattomuutta lämpö
tilasta ja kidesuunnista, mutta lisääntyvän kaasuvirtauksien kasvaessa [8].
4.1 Laitteisto
MOVPE-laite koostuu kaasujärjestelmästä ja reaktorista (kuva 7), missä itse kasvuprosessi tapahtuu. Kaasujärjestelmä koostuu siirto-, huuhtelu- ja hukkalinjasta.
Huuhtelu- ja hukkalinjassa on jatkuva typpivirtaus, mutta siirtolinjassa lähdeaineiden kantajakaasuna käytetään palladiumkalvolla puhdistettua teollisuus- vetyä. Lähtöaineen säiliön läpi viilaavaan vetyyn saturoituu lähdemateriaalin molekyylejä ja muuttamalla säiliön läpi viilaavan vedyn määrää, voidaan lähteestä saatavan materiaalin määrää hallitusti muuttaa. Vedyn virtauksia ohjataan kasvatuksien aikana tietokoneen ohjaamilla massavirtasäätimillä (MVS) ja elektronisilla paineensäätimillä. Normaalilinjassa on yksi massavirtasäädin lähde- säiliön tulolinjassa ja elektroninen paineensäädin ulostulolinjassa. Lähteille, joita
tarvitaan reaktorissa erittäin pieniä ainemääriä tai halutaan säätää laajalla alalla, käytetään kaksinkertaista laimennuslinjaa. Kaksinkertaisessa laimennuslinjassa tulolinja vastaa normaalilinjaa, mutta ulostulolinjaan voidaan lisätä vetyä, jolloin vedyn ja organometallin seos laimenee. Lisäksi siirtolinjaan menevää virtausta ohjataan massavirtasäätimellä ja hukkalinjaan yhdistetyllä paineensäätimellä pidetään ainoastaan lähdesäiliön paine vakiona.
Lähdesäiliöt sijaitsevat etyyliglykolikylvyissä, joiden lämpötilaa voidaan säätää välillä -20 - +30 °C. Lähtöaineen lämpötilansäätö mahdollistaa sen eksponentiaali
sesti lämpötilasta riippuvan höyrynpaineen рмугу säätämisen ja stabiloinnin.
Ph,oyryj = I0a"ii/r' (19)
Tässä a ja b ovat materiaalikohtaisia vakioita ja T lähteenlämpötila. Lähteen läpi virrannut vety ohjataan aluksi reaktorin ohittavaan huuhtelulinjaan, jotta virtauksen konsentraatio saadaan tasaiseksi. Itse reaktoriin lähtöaineet johdetaan kahta erillistä kokoomalinjaa pitkin, joista toinen on HI-ryhmän aineille ja toinen V-ryhmän aineille. Kokoomalinjat yhdistyvät juuri ennen reaktoria, jotta lähtöaineet eivät ehdi reagoida keskenään ennenaikaisesti. Yleensä kasvatuksen aikana käytettävien lähtöaineiden virtaukset pidetään kytkettyinä koko kasvatuksen ajan. Lähtöaine tosin ohjataan vain tarvittaessa reaktoriin ja sen annetaan muuten virrata huuhtelulinjaan.
Tietokone ohjaa myös huuhtelulinjan ja kokoomalinjojen paineita pitäen niiden kokonaispaineet jatkuvasti vakioina. Huuhtelulinjaan ohjatut hajoamattomat lähtöaineet ajautuvat 350 °C:iin pyroluusiuuneihin, missä organometalliset yhdisteet hajoavat kuten reaktorissa. Tämän jälkeen reaktorista pois virtaavat ja pyroluusiuuneista tulevat kaasut ohjataan hiukkassuodattimen läpi aktiivihiili- kennoon, joka suodattaa organometallisten yhdisteiden hajoamistuotteet.
Kokoomalinjoista lähdeaineet ohjataan kvartsilasiseen reaktorikammioon, missä alustakide on asetettuna 2,2 x 2,5 cm2 kokoiselle grafiitti alustalle. Reaktorin alapuolelle on sijoitettu halogeenilamppu, jolla lämmitetään grafiittialustaa, josta lämpö siirtyy alustakiteeseen. Grafiittialustan sisäpuolella on kvartsilasiputken sisässä lämpötila-anturi. Myös lämpötilaa säädetään tietokoneen välityksellä.
kokoomalinjat reaktoriovi alustakide
huuhtelulinja
grafii ttialusta ñ U lamppu
kaasunpuhdistus-laitteeseen
TB As TMGa TMIn TMA1 DEZn SiH Kuva 7. MOVPE-laitteen kaaviokuva.
Käytetyissä lämpötiloissa täytyy kuitenkin huomioida alustakiteen yläpuolisen pinnan, jolla kasvu tapahtuu, erilainen lämpötila grafiittialustan suhteen. Tämä lämpötilaero riippuu esim. käytettävän alustakiteen seostustasosta, mutta yleisesti sen on havaittu olevan noin 40 - 50 °C. Ladattaessa näytettä reaktoriin kytketään osaan siirtolinjaa vetyvirtauksen tilalle typpivirtaus. Näytteet viedään reaktoriin hansikaslokeron kautta, jossa vallitsee typpikehä reaktorin puhtauden ja kuivuuden säilyttämiseksi.
Tässä työssä kasvatettujen kerrosten lähdeaineina käytetyt organometallit ovat trimetyyligallium (TMGa), trimetyyli-indium (TMIn), tertiääributyyliarsiini (ТВAs) ja trimetyylialumiini (TM AI). Näistä ainoastaan TMIn-lähde on kytketty normaali linjaan muiden lähteiden ollessa kytketty kaksinkertaisen laimennuksen linjaan. Seostusaineina käytettiin di etyyli sinkkiä (DEZn) ja kaasumaista, vedyllä pitoisuuteen 1000 ppm laimennettua silaania (SÍH4). Organometallien ominaisuudet ovat esillä taulukossa 1.
TMIn ollessa kiinteä lähdeaine, sen lävitse tulevan virtauksen konsentraatio vaihtelee. Tämän vuoksi lähteestä tulevaan linjaan on kytketty EPISON-mittari, joka mittaa indiumin höyrynpainetta ja pitää indium virtauksen vakiona ohjaamalla massavirtasäädintä.
Taulukko 1. Kasvatuksissa käytettyjen organometallien ominaisuuksia [27] sekä kunkin lähteen käyttölämpötila T, kaavasta (19) laskettu lähteenpaine plähde ja kaavasta (22) aineen moolimäärä tilavuutta kohden v„y. TMAl ollessa dimeeri täytyy v,u kertoa kahdella.
TMGa (CH3)3Ga -15,8 8,50 1824 -10 37,1 2,26
TMIn (CH3)3In 89 10,52 3014 20 LI 0,06
ТВ As (CH3)3CAsH2 -1 7,24 1509 10 82 4,65
TMAl (CH3)3A1 15,4 8,22 2135 20 8,74 0,478 (x2)
DEZn (C2H5)2Zn -28 7,76 1850 -20 L74 0,106
4.2 Kasvuprosessi
MOVPE-kasvatuksien lämpötilat pyrittiin valikoimaan siten, että kaikki lähtöaineet hajoaisivat täydellisesti reaktorissa ja kasvunopeus olisi riippumaton lämpötilan vaihteluista. Lämpötilan lisäksi lähtöaineiden pyrolyysiin vaikuttavat mm.
virtausnopeudet, reaktorin kokonaispaino ja materiaalien yhteisvaikutus. Kaasun virtausnopeudella on suurin vaikutus TMAl:n hajoamisreaktioon sen ollessa käytetyistä lähtöaineista hitain reagoimaan. TMAl on kaasumaisena dimeeri eli yhdiste, missä kaksi molekyyliä on liittynyt yhteen. Tämä täytyy huomioida myös alumiinin ainemääriä laskettaessa. Alumiini reagoi herkästi hapen ja hiilen kanssa muodostaen vahvoja sidoksia näiden kanssa [8]. Varsinkin hapen tiedetään muodostavan erityisesti matalassa kasvatuslämpötilassa syviä tiloja. Syvä tila mahdollistaa elektronin siirtymisen vöiden sisäpuolelle aiheuttaen johtavuuden pienenemistä ja toimien säteilemättömänä keskuksena.
Yksinkertaisessa rajakerrosmallissa oletetaan kaikkien kaasufaasin ja kiinteän faasin rajapinnalle saapuneiden III-ryhmän materiaalien absorboituvan pintaan.
Lähtöaineen osapaine reaktorissa määräytyy metallo-orgaanisen aineen höyryn- paineesta Pi,höyry lähteen lämpötilassa, lähtöaineen paineesta lähtöainesäiliössä pi,lähde,
reaktorin kokonaispaineesta preakton, lähteen läpi kulkevasta vetyvirtauksesta F¡ ja
GaAs-pohjaisia yhdisteitä valmistettaessa ТВ As nopeuttaa ja vaikuttaa muutenkin TMGa:n pyrolyysiin, mutta päinvastainen vaikutus on vähäistä. Tämän vuoksi V- ryhmän lähtöaineiden osapaine pidetäänkin huomattavasti III-ryhmän lähtöaineiden osapainetta suurempana. Näin ollen voidaan olettaa että V-ryhmän lähtöaineita on reaktorissa aina riittävästi ja III-ryhmän lähtöaineet määräävät kasvunopeuden.
Puolijohdekerroksen kasvunopeus voidaan tällöin laskea kaavasta
rs = CJ—-— S Puu ■ (21)
V
Preaktori imissä C on verrannollisuuskerroin, v kaasun nopeus reaktorissa, preaktori reaktorin paineja ^plUi III-ryhmän alkuaineiden osapaineiden summa.
i
Yleensä kasvunopeus lasketaan yksiköissä [pm / mol], jolloin laskemalla metallo- orgaanisen aineen i mooli määrä tilavuutta kohden v„y
_ Phöyry,i
m RT
saadaan kasvunopeudelle yksinkertainen kaava rg= 0,545^,,/]..
(22)
(23) Näissä R = 8,31 J/molK on moolinen kaasuvakio, T¡ lähteen lämpötila ja F¡ lähteen läpi kulkeva vety virtaus, joka määritellään myös kasvatusta ohjaavaan tietokoneohj el maan.
V- ja III -ryhmän lähtöaineiden osapaineiden suhde eli V/III-suhde Ry/in määritellään yhtälöllä
(24) Pui
missä Zpv on V-ryhmän aineiden ja Ърщ III-ryhmän aineiden osapaineiden summa.
5 Mittalaitteistot
MO VPE-kasvatettuj a peitettyjä saarekenäytteitä tutkittiin fotoluminesenssi- mittauksilla ja puolijohdelaserin pn-liitoksen valmistamiseksi kasvatettuja seostusnäytteitä karakterisoitiin Hallin mittauksien avulla. Prosessoituja lasersiruja tutkittiin virta-jännitemittauksilla ja elektroluminesenssispektrimittauksilla.
5.1 Foto- ja elektroluminesenssi
Tässä työssä kasvatettuja saarekenäytteitä tutkittiin pääasiassa fotoluminesenssi- (engl. PL, Photoluminescence) mittauksilla (kuva 8). Mittaukset tehtiin Optoelektroniikan laboratorion laitteistolla. PL-mittauksissa näytettä viritetään yleensä laservalolla. Jotta laservalo voisi virittää elektronin valenssivyöltä johtavuusvyölle, täytyy säteilyn aallonpituuden olla pienempi kuin tutkittavan rakenteen emittoiman säteilyn. Toisaalta lasersäteilyn absorptio päällimmäisiin kerroksiin ei saa olla liian suuri, jotta saarekekerroksen varauskuljettajat virittyvät.
Laservalo ohjataan katkojan läpi ja kohdistetaan linssillä kryostaatissa noin 10 K:n lämpötilassa sijaitsevaan näytteeseen. Näytteestä luminoiva valo johdetaan kohdistavien linssien ja laserin aallonpituudet poistavien ylipäästösuotimien sekä tarvittaessa vaimentavien linssien läpi monokromaattoriin. Monokromaattorin ohjaus on toteutettu tietokoneohjatulla askelmoottorilla, joka kääntää hilaa minimissään 0,04 Å:n aallonpituusresoluutiolla. Monokromaattorista säteily ohjataan edelleen detektorille. Detektorin signaali vahvistetaan vaihelukitulla vahvistimella, jolle referenssitaajuus saadaan katkojalta. Tulokset analysoidaan tietokoneella, joka ohjaa monokromaattoria ja on yhdistetty vaihelukittuun vahvistimeen A/D-muuntimen kautta.
Fotoluminesenssimittauksia varten kasvatettuja näytteitä, joissa ei ole AlGaAs- kerroksia, viritetään Coherent Innova 70-4 -argonionilaserilla. Laserin aallonpituus yksimuotopeilillä on noin 488 nm. Puolijohdelaser kasvatuksien fotoluminesenssin mittaamisessa käytetään virittävänä valona titaanisafiirilaseria käyttäen valon aallonpituutena 800 nm. Tällöin laservalokvantin energia ei riitä virittämään AlGaAs-kerroksessa varauksenkuljettajia johtavuusvyölle ja syntynyt luminesenssi muodostuu pääasiallisesti saarekekerroksista. Työssä käytetyn Alo.zsGaojsAsm
energia-aukon suuruudeksi huoneenlämpötilassa voidaan kappaleessa 2.1 esitetyn kaavan (2) avulla laskea noin Eg = 1,7 eV, mikä vastaa noin 730 nm:n aallonpituutta.
Viritysteho työssä käytetyille kvanttipistenäytteille on 0,1 - 10 mW.
peili
katkoja monokromaattori
vaihelukittu vahvistin
Z]
näytepala kryostaatissa
Kuva 8. Fotoluminesenssilaitteiston periaatekaavio.
Näyte jäähdytetään matalaan, alle 10 K:n, lämpötilaan suljetun kierron CTI Janis kryostaatissa. Näyte kiinnitetään hopealiimalla kryostaatin kylmäsormen päässä olevaan kupariseen telineeseen. Detektorina mittauksissa käytetään North Coast Scientificdn nestetypellä jäähdytettyä Ge-detektoria. Tässä työssä luminesenssi- säteilyä mitataan aallonpituuksilla 800 - 1300 nm.
Elektroluminesenssimittaukset vastaavat fotoluminesenssimittauksia läheisesti, mutta elektroluminesenssissä näytettä viritetään sähköisesti valon sijasta. Näin ollen EL-mi ttausj ärj estel yt vastasivat kuvassa 8 esitettyä PL-mittausjärjestelmää ilman virittävää laseria ja siihen liittyvää optiikkaa. Puolijohdelaserissa tapahtuu säteilevien siirtymien lisäksi runsaasti säteilemättömiä siirtymiä. Näiden siirtymien energia vapautuu pääasiallisesti lämpönä laserrakenteen sisäpuolella. Pulssittamalla
lasersiruun syötettävää virtaa voidaan lämpenemisen vaikutuksia vähentää ilman että pulssittamisesta olisi erityistä haittaa komponentin toiminnalle. Pulssigeneraattorina käytetään Philips PM 5712:ta. Pulssigeneraattorin ttl-ulostulosta saadut 30 ns:n pituiset, 1 ms:n välein toistuvat pulssit vahvistetaan transistorivahvistimella.
Vahvistimen aiheuttaessa venymää pulssien pituuteen ovat lopulliset lasersiruun syötettävät pulssit noin 300 ns:n pituisia. Pulssin amplitudia säädetään muuttamalla transistorivahvistimen käyttöjännitettä. Kryostaatti on varustettu virransyötöllä ulkopuolelta, joten lasersiruille voi suorittaa mittauksia huoneenlämpötilassa sekä kryostaatissa jäähdytettynä. Vaihelukitun vahvistimen referenssitaajuus voidaan ottaa suoraan pulssigeneraattorilta tai monokromaattorin eteen voidaan asettaa erillinen katkoja.
5.2 Virta-jännitemittaus
Ennen EL-spektrin mittausta lasersiruista mitataan virta-jännitekäyrä pn-liitoksen ja metallikontaktien toiminnan varmistamiseksi. Diodikäyrästä voidaan laskea lasersirun sarjaresistanssi Rs, kynnysjännite V, ja määrittää estosuuntainen jännitteen kesto. Virta-jännitemittaukset tehdään pulssigeneraattorilla, jolla lasersiruun johdetaan noin 300 Hz taajuista amplitudiltaan pientä sahalaitapulssia.
Jännitelähteen signaali kytketään oskilloskoopin vaaka-akselille ja lasersirun kanssa sarjassa olevan 100 Q vastuksen yli oleva jännite pystyakselille. Näin ollen pystyakselilta voidaan lukea sirun läpi kulkeva virta I = V/Rs. Kynnysjännitettä suuremmilla arvoilla voidaan laskea lasersirun metalloinneista ja pn-liitoksesta syntyvä sarjaresistanssi kulmakertoimen käänteisarvona Rs = l/k = AV/AI. Datan keräämisessä ja analysoimisessa käytetään A/D-muuntimen kautta mittaus
järjestelmään kytkettyä tietokonetta.
5.3 Seostusmittaukset
Seostuksen tarkoituksena on lisätä vapaiden varauksenkuljettajien tiheyttä puolijohteessa. Seostamisessa puolijohteen atomeja korvataan epäpuhtausatomeilla eli seostusatomeilla. Esimerkiksi GaAs:n yhteydessä piiatomi ottaa hilarakenteessa galliumatomin paikan. Piiatomin neljästä valenssielektronista ainoastaan kolme tarvitaan muodostamaan kovalenttiset sidokset naapuriatomien kanssa. Näin ollen rakenteeseen jää yksi heikosti sitoutunut elektroni, joka vapautuu helposti varauksenkulj ettaj aksi. Tälläistä seostusatomia, joka luovuttaa
varauksen-kuljettajaksi elektronin kutsutaan donoriksi ja vastaavasti seostusatomia, joka vastaanottaa rakenteesta elektronin eli muodostaa aukon, kutsutaan akseptoriksi.
5.3.1 Hallin mittauksen teoria
Hallin ilmiössä magneettikenttä indusoi sähkökentän puolijohteeseen, jossa kulkee sähkövirta. Asetettaessa puolijohde, jossa varaukset liikkuvat nopeudella v, magneettikenttään, jonka vuontiheys on B, kohdistuu varauksiin Lorentzin voima
F = q(E + vxB), (25)
missä E on varauksenkuljettajiin vaikuttava sähkökenttä ja q alkeisvaraus.
Kokeellisesti suoritettavat mittaukset perustuvat van der Pauwin menetelmään.
Vuonna 1958 L. J. van der Pauw esitti menetelmän mielivaltaisen muotoisen tasapaksun levyn johtavuuden mittaamiseksi [28]. Menetelmä olettaa että näyte on tasapaksu, pinta on yhtenäinen, näyte on kontaktoitu neljästä eri pisteestä ja kontaktit ovat pistemäisiä. Van der Pauw osoitti, että
nRAB.Cpd ПКве.РА^
e p +e p =1, (26)
missä don näytteen paksuus ja esim. Rab,cd=Vcd/Iab kytkennän vastatessa kuvassa 9 esitettyä.
Kuva 9. Van der Pauwin mittaus geometria Hallin mittauksia varten
Jotta saataisiin ratkaistua Hallin jännite ja siitä edelleen varauksenkuljettatiheydet, mitataan jännite Vcd neljässä eri tapauksessa:
1. Mitataan jännite Vcd,иkun virta kulkee pisteestä A pisteeseen В 2. Mitataan jännite Vcd,2. kun virta kulkee pisteestä В pisteeseen A Käännetään magneettikentän suunta päinvastoin
3. Mitataan jännite Vcd,3,kun virta kulkee pisteestä В pisteeseen A 4. Mitataan jännite Vcd,г,kun virta kulkee pisteestä A pisteeseen В
(27) Hallin jännitteeksi Vh saadaan mittauksien keskiarvona
y _y + y _y
y _ VC£>,1 ' CD,2 ~ yCD,3 VCD,4
" ™ 4
Hallin jännitteen etumerkistä nähdään varauksenkuljettajatyyppi. Jos jännite on positiivinen, toimivat elektronit varauksenkuljettajina, ja vastaavasti, jos jännite on negatiivinen ovat aukot varauksenkuljettajina.
Sijoittamalla Lorentzin voiman yhtälö yleiseen liikeyhtälöön ja jakamalla liikeyhtälö nopeuden komponentteihin voidaan Hallin vakiolle RH= Vnd/IB johtaa kaava [29]
RH=±—, (28)
ne
missä n on varauksenkuljettajatiheys. Mittaamalla kaavassa (27) oleva Hallin jännite saadaan varauksenkuljettajatiheys laskettua kaavasta
n =---.IB
edVH (29)
Hallin liikkuvuus /л määritellään kaavalla
fi = (30)
5.3.2 Näytteiden kontaktointi ja Hallin laitteisto
Hallin mittaukset suoritettiin tietokoneeseen kytketyllä mittalaitteistolla.
Mittalaitteen sähkömagneettia ohjataan manuaalisesti ja järjestelmä laskee mittaustulosten perusteella varauksenkuljettajien tyypin, konsentraation, liikkuvuu
den ja Hallin vakion. Magneettikentän voimakkuutta voidaan säätää välillä 0 - 1 T.
Työssä valmistettuihin GaAs-pohjaisiin seostusnäytteisiin kontaktit tehdään indiumista tai indiumsinkkiseoksesta. N-tyyppiseen näytteeseen ohminen kontakti voidaan tehdä indiumista eikä kontaktia ole välttämätöntä lämpökäsitellä. P- tyyppiseen näytteeseen indiumin joukkoon sekoitetaan joitakin prosentteja sinkkiä.
Indiumsinkkiseos valmistettiin uunissa sulattamalla indiumia ja sinkkiä astiassa johon lisättiin aktivaattoriainetta. Sinkkiä sulatettiin indiumin joukkoon 10 painoprosenttia, mutta lopullinen sinkkipitoisuus jäi alle 10 % osan sinkistä kasaantuessa reuna-alueille. Indiumsinkkikontaktit täytyy lämpökäsitellä ohmisen kontaktin aikaansaamiseksi. Sinkin tiedetään diffusoituvan helposti, joten lämpökäsittelyä ei saa tehdä liian korkeassa lämpötilassa eikä sen kesto saa olla liian