Upplägg och planering för NanoIntro 12; Lars Samuelson

Transkript

1 Upplägg och planering för NanoIntro 12; Lars Samuelson Måndag 3/9: Presentationer av deltagarna Sal F Generellt om kursen/utbildningen. Exempel på nanofenomen runt oss Måndag 10/9: Viktiga grunder: energistruktur, atomer-molekyler-kristaller Sal F Metaller-halvledare-isolatorer. Bandgap hos halvledare (& isolatorer) Torsdag 13/9: Nanofysik: kvantfysik & unika fenomen på nanoskalan Sal F Partikel-våg dualitet, konstgjorda atomer, tunnlingsfenomen Måndag 17/9: Materialvetenskap/teknik syntes på nanoskalan, funktionella material Sal F Epitaxi, nanomaterial, sveptunnel- och atomkraftmikroskop mm mm Tisdagen 18/9: Nanoelektronik och -optik, Nano-energi Sal F Transistorer, lysdioder, solceller mm Efter en mjuk introduktion or repetition av grundläggande begrepp, bekanta från gymnasiet (för de flesta), diskuterade vi kring tavlan hur en partikel kan bindas i en potential, t.ex. en grop/brunn eller i en attraktiv Coulomb-potential. Vi diskuterade bl.a. hur energin för en partikel (t.ex. en boll eller ett äpple) kan skrivas som summan av dess rörelseenergi och dess potentiella energi. För äpplet diskuterade vi kring: Etot = Ekin + Epot = (mv 2)/2 + mgh där m=massan, v=hastigheten, g=tyngaccelerationen (9.81m/s 2) och h=höjden Vi gick sedan vidare och talade kring hur en laddad partikel, t.ex. en negativt laddad elektron (q), attraheras till en positivt laddad partikel, som en proton (Q), via en attraktiv potential: Epot = q Q /4πε r 0-12 där ε x 10 (F/m) är dielektricitetskonstanten 0 och r=avståndet mellan elektronen och protonen.

2 Väteatom Väteatomen 13,6 ev elektronens ljus tillåtna energinivåer proton proton Väteatom Väteatomen 13,6 ev elektronens ljus tillåtna energinivåer proton proton

3 Väteatomen De 6 första atomerna, med 1-6 protoner & elektroner

4 Periodiska systemet Från en väteatom till en H -molekyl 2 Antibindande molekylorbital Bindande molekylorbital

5 Från en atom till en molekyl till en nanokristall Vissa kristaller är isolatorer (diamant), andra halvledare (kisel), medan andra är metaller (aluminium)

6 Halvledares kristallstrukturer Diamantstruktur (för C, Si och Ge) Zinkblende- struktur (för t.ex. GaAs) Dopning av halvledare > n-typ och p-typ Undoped N- doped P- doped

7 III-V semiconductors, like GaAs, InP, (Al,Ga)As, mimic traditional group-iv semiconductors (Si, Ge..), as stoichiometric mixtures between atoms from the 3rd and 5th column in the periodic table. These different III-V semiconductors have each their unique properties in terms of their bandgaps, direct-indirect character electron mass, mobility etc. 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 AlN (6.2 ev) SiC GaN BP 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 Lattice parameter (Å) III UV InN IR GaP IV ZnSe AlP AlAs CdS GaAs Si InP Ge PbS V AlSb ZnTe CdSe GaSb InAs SnTe PbSe InSb HgTe CdTe By advanced growth methods, different forms of epitaxy, low-dimensional structures and new concepts for devices have been developed. III IV V

8

9 Upplägg och planering för NanoIntro 12; Lars Samuelson Måndag 3/9: Presentationer av deltagarna Sal F Generellt om kursen/utbildningen. Exempel på nanofenomen runt oss Måndag 10/9: Viktiga grunder: energistruktur, atomer-molekyler-kristaller Sal F Metaller-halvledare-isolatorer. Bandgap hos halvledare (& isolatorer) Torsdag 13/9: Nanofysik: kvantfysik & unika fenomen på nanoskalan Sal F Partikel-våg dualitet, konstgjorda atomer, tunnlingsfenomen Måndag 17/9: Materialvetenskap/teknik syntes på nanoskalan, funktionella material Sal F Epitaxi, nanomaterial, sveptunnel- och atomkraftmikroskop mm mm Tisdagen 18/9: Nanoelektronik och -optik, Nano-energi Sal F Transistorer, lysdioder, solceller mm Grunder från klassisk fysik och dess kvantfysikaliska motsvarigheter Partikel - våg - dualitet: elektroner kan ses antingen som en partikel eller som en våg Vågfunktioner: elektronen beskrives med en matematisk funktion vars betydelse vi skall försöka förstå (intuitivt) Vi skall se hur matematiska operatorer, som deriveringar med avseende på x, y, z resp. m.a.p. t (tiden) ger viktig information, och skall försöka få en känsla för Schrödinger-ekvationen. Heisenbergs obestämdhetsrelation: säger att vi inte samtidigt med godtycklig noggrannhet kan bestämma elektronens position, x och dess impuls, p. På samma sätt gäller att vi inte kan bestämma med hög noggrannhet elektronens energi, E och tiden, t.

10 Några grunder för kvantfysiken:

11

12

13 Grunder från klassisk fysik och dess kvantfysikaliska motsvarigheter Heisenbergs obestämdhetsrelation: säger att vi inte samtidigt med godtycklig noggrannhet kan bestämma elektronens position, x och dess impuls, p. På samma sätt gäller att vi inte kan bestämma med hög noggrannhet elektronens energi, E och tiden, t. x p ~ h E t ~ h Den första relationen säger att om vi bestämmer läget för en elektron extremt noggrannt så kan vi inte få veta dess impuls, eller rörelsemängd, godtyckligt noggrannt. Den andra relationen säger att ett mycket kortlivat tillstånd får en dåligt definierad energi, vilket bl.a. får till följd att ljus som emitteras från ett mycket kortlivat atomärt tillstånd blir breddat eller suddigt, vilket kallas för den naturliga linjebredden. Werner Heisenberg postulated that the Uncertainty Principle would require that

14 Upplägg och planering för NanoIntro 12; Lars Samuelson Måndag 3/9: Presentationer av deltagarna Sal F Generellt om kursen/utbildningen. Exempel på nanofenomen runt oss Måndag 10/9: Viktiga grunder: energistruktur, atomer-molekyler-kristaller Sal F Metaller-halvledare-isolatorer. Bandgap hos halvledare (& isolatorer) Torsdag 13/9: Nanofysik: kvantfysik & unika fenomen på nanoskalan Sal F Partikel-våg dualitet, konstgjorda atomer, tunnlingsfenomen Måndag 17/9: Materialvetenskap/teknik syntes på nanoskalan, funktionella material Sal F Epitaxi, nanomaterial, sveptunnel- och atomkraftmikroskop mm mm Tisdagen 18/9: Nanoelektronik och -optik, Nano-energi Sal F Transistorer, lysdioder, solceller mm

15 Micro/Nanoelectronics och technology for the fabrication of integrated circuits and advanced heterostructure devices Band gaps of different semiconductors 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 AlN (6.2 ev) SiC GaN BP UV InN IR GaP ZnSe AlP AlAs CdS GaAs Si 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 Lattice parameter (Å) InP Ge PbS AlSb ZnTe CdSe GaSb InAs PbSe SnTe HgTe CdTe InSb

16 Epitaxy Epitaxy allows layer-by-layer deposition of monocrystalline materials. Basis for fabrication of lowdimensional structures: quantum wells (QWs), quantum wires (QWRs)& quantum dots (QDs). Extremely good (ML) control of thicknesses Types of epitaxy: liquid phase epitaxy (LPE) vapor phase epitaxy (VPE, MOVPE) molecular beam epitaxy (MBE, also CBE) MBE: frequently used for III-V materials The MOVPE, MBE and CBE methods are used widel 1- RHEED screen for nanostructure/low-dimensional structure growth 2-effusion oven shutters 3-effusion cells for several elements Example of MOVPE process (T 600 C): 4-cryo shrouds 5-RHEED electron gun TMGa + AsH > GaAs +by-products 6-main shutter TMIn + PH > InP +by-products 7-substrate B-A-B A-B-A A-B-A-B-A

17 So - how do you do epitaxial growth and how do you form heterostructures? Supplied source atoms/molecules Desorption of excess molecules Growing crystal surface First layer of AlGaAs grown on a substrate of GaAs So - how do you do epitaxial growth and how do you form heterostructures? Supplied source atoms/molecules Desorption of excess molecules Growing crystal surface Thin layer of GaAs First layer of AlGaAs grown on a substrate of GaAs

18 So - how do you do epitaxial growth and how do you form heterostructures? Supplied source atoms/molecules Desorption of excess molecules Growing crystal surface Thin layer of GaAs First layer of AlGaAs grown on a substrate of GaAs So - how do you do epitaxial growth and how do you form heterostructures? Supplied source atoms/molecules Desorption of excess molecules Growing crystal surface Top layer of AlGaAs Thin QW of GaAs First layer of AlGaAs grown on a substrate of GaAs

19 So - how do you do epitaxial growth and how do you form heterostructures? Supplied source atoms/molecules Desorption of excess molecules Growing crystal surface Top layer of AlGaAs Thin QW of GaAs First layer of AlGaAs grown on a substrate of GaAs So - how do you do epitaxial growth and how do you form heterostructures? Supplied source atoms/molecules Desorption of excess molecules Growing crystal surface Top layer of AlGaAs Thin QW of GaAs First layer of AlGaAs grown on a substrate of GaAs

20 So - how do you do epitaxial growth and how do you form heterostructures? Top layer of AlGaAs Thin QW of GaAs First layer of AlGaAs grown on a substrate of GaAs So - how do you do epitaxial growth and how do you form heterostructures? Top layer of AlGaAs Thin QW of GaAs First layer of AlGaAs grown on a substrate of GaAs

21 So - how do you do epitaxial growth and how do you form heterostructures? Conduction band (for electrons) Quantized energy levels Energy Valence band (for holes) Growth direction Heterostructures to confine carriers in quantum wells, wires and dots Conduction band (for electrons) Quantized energy levels Energy Valence band (for holes) Growth direction

22 Heterostructures to confine carriers in quantum wells, wires and dots Conduction band (for electrons) Quantized energy levels Energy Valence band (for holes) Growth direction Heterostructures to confine carriers in quantum wells, wires and dots Conduction band (for electrons) Quantized energy levels Energy Valence band (for holes) Growth direction

23 Heterostructures to confine carriers in quantum wells, wires and dots Conduction band (for electrons) Quantized energy levels Energy Valence band (for holes) Growth direction Heterostructures to confine carriers in quantum wells, wires and dots Conduction band (for electrons) Quantized energy levels Energy Valence band (for holes) Growth direction

24 Heterostructures to create tunnel barriers What happens if we invert the structure by putting the large band-gap semiconductor between the small band-gap material? Heterostructures to create tunnel barriers IN CLASSICAL PHYSICS: The electron approaches what acts like a barrier which stops (blocks) the transport Energy Conduction band (for electrons) Valence band (for holes) Growth direction

25 Heterostructures to create tunnel barriers IN QUANTUM PHYSICS: The electron is a wave, but if the barrier is thick, there is no leakage of wavefunction Energy Conduction band (for electrons) Valence band (for holes) Growth direction Heterostructures to create tunnel barriers Energy IN QUANTUM PHYSICS: If the barrier is thin the wavefunction can appear on the other side: the electron passes through by a quantum mechanical process, called TUNNELING Conduction band (for electrons) Valence band (for holes) Growth direction

26 We will encounter quantum physics phenomena like energy quantization in quantum wells or in quantum dots, tunneling of electrons through thin barriers. Energy Space coord. We will also see how a combination of a quantum well/dot and two tunnel-barriers gives rise to a resonant-tunneling diod. Energy E 2 E 1 E C z 100 Å A comparison between the DOS (densityof-states) for 3D, 2D, 1D,& 0D-systems. 0D resembles the DOS of an atom, hence the label an artificial atom

27 Jämförelse mellan en riktig atom och en artificiell atom Väteatom Kvantprick 13,6 ev elektronens ljus tillåtna energinivåer ljus ~ 0,3 ev proton proton What s a Quantum Dot Like? InP dots grown on GaInP/GaAs [110] AFM 10nm [110] 10nm Contains ~10000 atoms K. Georgsson et al., Appl. Phys. Lett. 67, 2981 (1995).

28 Self assembled quantum dots Ge:Si(001) 1 mm 55 Aerosol particles of III-V semiconductors Formation of ultrafine group-iii aerosol particles Size selection Adding group-v precursor Formation of III-V semiconductor nanocrystals K. Deppert et al., J. Aerosol Sci. 29 (1998) 737 Deppert and Samuelson, Appl. Phys. Lett. 68 (1996) 1409

29 Semiconductor nanoparticles InP GaAs 10 nm 10 nm K. Deppert et al., J. Aerosol Sci. 29 (1998) 737

30 TOP-DOWN fabrication of 1D devices A top-down approach to making one-dimensional quantum devices. like resonant tunneling via quantum dots. Method pioneered by Randall and Reed at Texas instruments in the late 1980s. However, rather unsatisfactory device properties due to fabrication induced damage and poor lateral control.

31 Comparison between top-down & bottom-up fabrication of complex structures Alternative No. 1: TOP-DOWN fabrication Start with a block of wood and carve a small wooden mini-tree with trunk and branches. Alternative No. 2: BOTTOM-UP fabrication Plant a seed and control bottom-up growth of a perfectly functioning Bonsai tree.

32 A forest of nanotrees with multiply seeded trunks, branches and leaves, with the entire tree being single-crystalline and monolithic. Each level of branches is seeded by Au aerosol nanoparticles, allowing control of: diameter length composition including formation of heterostructures inside branches or at branchleaf interfaces. Kimberly Dick et al. Top view Side view

33