Materiali per l’optoelettronica Docente: Mauro Mosca (www.dieet.unipa.it/tfl) last release: 22/09/2019 University of Palermo – Dipartimento di Ingegneria

Tabella periodica: III-V gruppo

Crescita epitassiale: LPE, VPE Epitassia viene dal greco: epi (sopra) e taxis (in modo ordinato) La deposizione del materiale cristallino avviene tramite reazione chimica di decomposizione delle specie (in forma liquida o gassosa) sulla superficie del substrato mantenuto alla T necessaria per avere crescita cristallina. LPE: Liquid Phase Epitaxy VPE: Vapor Phase Epitaxy

Crescita epitassiale: VPE CVD (chemical vapor deposition) è sinonimo con VPE di crescita epitassiale ma comprende anche la deposizione di strati non cristallini (T più basse): si riferisce alla formazione di una fase condensata a partire da gas di composizione chimica differente. A seconda del tipo di composti chimici gassosi che, trasportati sul substrato, reagiscono chimicamente formando lo strato cristallino da depositare si distinguono 3 tipi di processi:

Crescita epitassiale: MOCVD o MOVPE The advantages of using metalorganics are that they are volatile at moderately low temperatures and there are no troublesome liquid Ga or In sources in the reactor.

Crescita epitassiale: MBE La MBE (Molecular Beam Epitaxy) è un processo di evaporazione termica controllata in ultra alto vuoto (10-11 mbar) delle specie costituenti lo strato cristallino da depositare sul substrato mantenuto ad alta T. L’alta T del substrato serve per fornire E sufficiente a far migrare le specie adsorbite sulla superficie verso i siti reticolari favorevoli, cioè a minima energia di legame, e quindi avere la crescita cristallina. Per l’ultra alto vuoto il cammino libero medio delle specie in fase vapore è molto maggiore (centinaia di km) della distanza tra sorgente e substrato. Le specie si propagano in linea retta senza collisioni tra loro → fasci molecolari

mismatching reticolare Dal GaAs al GaAsP GaAs 870 nm ~3,6% mismatching reticolare GaAsP soluzione: buffer layer dislocazioni

Heterostructures: lattice mismatched pseudomorfi prendono la forma del substrato

Heterostructures: pseudomorphic materials Il substrato, molto più spesso, impone la sua a0 nel piano all’interfaccia, mentre in direzione perpendicolare la costante reticolare della cella unitaria non può che aumentare Nella direzione parallela al piano dell’interfaccia, lo strato epitassiale risulterà compresso (biaxial compressive strain) mentre risulterà teso nella direzione perpendicolare

Heterostructures: pseudomorphic materials Il substrato, molto più spesso, impone la sua a0 nel piano all’interfaccia, mentre in direzione perpendicolare la costante reticolare della cella unitaria non può che diminuire Nella direzione parallela al piano dell’interfaccia, lo strato epitassiale risulterà teso (biaxial tensile strain) mentre risulterà compresso nella direzione perpendicolare

Sistemi GaAs, GaAsP, GaP

Gap diretta e indiretta: ricombinazione a ≈ 10-10 m electron wave vector: between -p/a e +p/a photon wave vector: 2p/l a phonon must be created or annihilated l ≈ 0.5×10-6 m 2p/l << p/a if the only particle involved are an electron and a photon, the electron must make a transition between states having the same k the transition must conserve the TOTAL wave vector of the system!

Gap diretta e indiretta: ricombinazione

Impurità come centri di ricombinazione We express the electron localization in an impurity center by putting Dx = Na (N≤1) Werner Karl Heisenberg k spreads enough (-p/a; + p/a) to allow a significant number of transitions without phonon assistance Be careful! The electron is localized (Dx small); it is the velocity (momentum p) which is less determined

Transizioni sistema GaAsP

Sistema GaAsP:N

Sistema GaAsP:N

Sistema GaAsP:N Advantage: no self-absorption

Diagramma energia vs. parametro di maglia

Sistema AlGaAs/GaAs gap diretta gap indiretta

Diagrammi a bande AlGaAs/GaAs problemi di affidabilità e degrado (ossidazione e idrolisi) packaging lower content of Al lower layer thickness

Sistema AlGaInP/GaAs x = 0.53 In = 50%

Bandgap sistema AlGaInP

(In tende a evaporare dalla superficie) Sistema AlGaInN difficile da crescere (In tende a evaporare dalla superficie) Elevata efficienza radiativa nonostante l’alta concentrazione di dislocazioni

Heterostructures: misfit and threading dislocations Quando l’energia elastica accumulata diventa grande (a causa di un elevato spessore dello strato o del mismatch) essa viene ridotta e spesa per formare difetti cristallini detti dislocazioni (difetti di linea) all’interfaccia (misfit dislocations). Una volta generate le misfit dislocations all’interfaccia, queste si propagano verso la superficie (threading dislocations) moltiplicandosi e rendendo il materiale inutilizzabile

Dislocazioni 107-109 cm-2

Dislocazioni cariche negativamente +

Ricombinazione nelle dislocazioni centri di ricombinazione! (non radiativi)

Dislocazioni nel GaN: effetti del mismatching reticolare wurtzite corindone Mismatching: ~ 16%

GaN buffer layer WITHOUT WITH Few hexagonally-like pyramid growth Uniform mirror-like surface Many small hexagonal 3D island are observed

Epitaxial Lateral Overgrowth (ELO o ELOG)

ELOG tramite microsfere di SiO2

Patterned-Sapphire Substrate (PSS) Patterns applied on an LED substrate or wafer can significantly increase the light output of LEDs in two ways. 1.The technique can increase the light emission of active quantum well layers as the result of reduced epitaxial defect density. 2. Patterned sapphire substrates can reduce light loss due to total internal reflection (TIR) phenomena by enabling a photon scattering effect.

Miller indices (1/3, ¼, ½) 12 (4, 3, 6)

Indice di Miller wurtzite

Sistema AlGaInN (con fattore di bowing) problemi di cracking difficili da crescere In evapora a alte T

Polarizzazione spontanea e piezoelettrica nei nitruri

Polarizzazione spontanea e piezoelettrica nei nitruri

Quantum Confined Stark Effect polarizzazione schermata da: a) forte drogaggio regione attiva b) alta iniezione di corrente blue shift

Contatti ohmici ed effetti di polarizzazione lower contact resistance InGaN thin cap p-type GaN tunneling di lacune tensione di soglia più bassa

Drogaggio p del GaN low doping activation (Mg) l’idrogeno fornisce gli elettroni agli accettori

Why high recombination efficiency? Cluster di In

Efficienza radiativa e pitch density

Efficienza luminosa di LED visibili

Efficienza luminosa di LED visibili GREEN GAP alta sensibilità dell’occhio umano (lumen…)

LED basati su diversi sistemi materiali più difficili da crescere (alta % di In)