Opto opracowanie PDF

Preview

Summary

Streszczenie do egzaminu...

Description

WYKŁAD OPTOELEKTRONIKA Zagadnienia i pytania egzaminacyjne 2020 rok I Wiadomości wstępne 1. Optoelektronika – definicja, obszary zastosowań. Optoelektronika - jest techniką systemów i przyrządów, które emitują modulują, transmitują lub wykrywają światło. Badanie i wykorzystywanie zjawisk rozchodzenia się, obróbki i oddziaływania promieniowania, a także emisji oraz detekcji promieniowania optycznego do konstrukcji i budowy układów optoelektronicznych czyli takich, któr pracują z dwoma rodzajami sygnałów: optycznym i elektrycznym, a także z akustycznym i magnetycznym. Obszary zastosowań: • Optotelekomunikacja •

Fotowoltaika

•

Informatyka

•

Elektronika

•

Medycyna

Czujniki/biosensory Zalety optoelektroniki – jest ogromna częstotliwość pracy układów optoelektronicznych przekłada się to na szybkość transmisji, szybkość obróbki, szybki dostęp do zapisanej informacji, szybki zapis,

2. Dziedziny optoelektroniki. • Optoelektronika światłowodowa: -Technika światłowodowa: soczewki światłowodowe, multipleksery, noktowizory, detektory, czujniki. -Optoelektronika zintegrowana: Układy i systemy planarne dla fal optycznych będące analogiem układów elektronicznych typu VLSI, lasery i detektory, filtry pryzmaty. -Optotelekomunikacja: Systemy transmisyjne dalekiego zasięgu, lokalne sieci światłowodowe • Optoelektronika obrazowa: niebieska optoelektronika: Poligrafia komputerowa, grafika komputerowa, obróbka obrazów, wyświetlacze • • • •

Optoelektronika informatyczna: holografia, cyfrowe układy optyczne, optoelektroniczne pamięci masowe, komputer optycznych Optoelektronika fotowoltaiczna: panele fotowoltaiczne, konwersja energii optycznej na elektryczną. Optoelektronika laserowa: Lasery i detektory Optoelektronika oświetleniowa.

3. Właściwości optoelektroniki. • Duża dobroć układu

Jednokierunkowość sprzężenia i brak sprzężenia zwrotnego odbiornika ze źródłem promieniowania • Bardzo dobra izolacja pomiędzy kanałami (nośnik informacji foton) • Obciążalność funkcjonalna: -FM (modulacja częstotliwości) -AM (modulacja amplitudy) -Kierunek rozprzestrzeniania się fali -Polaryzacja fali i faza drgań • Możliwość realizacji końcowej informacji w postaci obrazu • Taniość, dostępność, technologia planarna, kompatybilność technologii z innymi technologiami. •

4. Dobroć optoelektroniki Dobroć - jest to iloczyn dwóch parametrów mocy i częstotliwości (wzór na dobroć). Tez wzór to jest dobroć elektroniki przy założeniu że mamy źródło sygnału o mocy 1W i pracujące z częstotliwością 1 GHz tak się mniej więcej przyjmuje. Częstotliwości te wynikają z właściwości pasma fali elektromagnetycznej. Ze względu na jej właściwości. Te parametry wstawiamy do wzoru. Wynik tego podstawienia oznacza to jakość zakresu częstotliwości i mocy, która gwarantuje nam transmisję. Jest to jakość układu Dobroć elektroniki jest o wiele lepsza niż dobroć „zwykłej” elektroniki: 1 𝑄 = 𝑐2 ∗ 𝑃 ∗ 𝑓 2 𝑄𝑒𝑙 = 103 𝑄𝑜𝑒 = 1010 𝑄𝑜𝑒 𝑄𝑒𝑙

= 107

5. Pasmo widzialne; pasmo optyczne Pasmo optyczne: 𝜆 = 0,01 − 1000𝑛𝑚 ℎ𝜈 = 0,001 − 100𝑒𝑉 𝜈 = 3 ∗ 1016 − 3 ∗ 1011 𝐻𝑧 Pasmo widzialne: Światło widzialne – część promieniowania elektromagnetycznego, na którą reaguje siatkówka oka człowieka w procesie widzenia. Dla człowieka promieniowanie to zawiera się w przybliżeniu w zakresie długości fal 380–750 nm, dla zwierząt zakres ten bywa nieco odmienny (lecz o zbliżonych wartościach). Potocznie światłem nazywa się widzialną część promieniowania elektromagnetycznego (czyli światło widzialne)

𝜆 = 380 − 750𝑛𝑚 ℎ𝜈 = 3,3 − 1,65𝑒𝑉 6. Telekomunikacyjny tor światłowodowy- schemat blokowy

7. Opisać zjawiska zachodzące na granicy ośrodków i w ośrodku optycznym Światło padające na ośrodek może zostać: -Załamane z powodu przejścia do innego ośrodka fizycznego -Odbite czyli może nastąpić zmiana kierunku rozchodzenia się fali świetlnej -Zaabsorbowane jeśli długość fali jest odpowiednio mała -Przepuszczone bez żadnej reakcji jeśli długość fali jest za duża (elektrony ,,nie reagują’’ na fotony ponieważ warunkiem na zajście zjawiska fotoelektrycznego jest: hv>wg h-stała Plancka vczęstotliwość fotonów wg - przerwa wzbroniona) -Wyemitowane z materiału (część światła może ulec ponownemu odbiciu przy wychodzeniu z materiału) II Zjawiska optyczne w półprzewodnikach III Podstawy technologii struktur optoelektronicznych 8. Baza materiałowa optoelektroniki. Oczywiście wykorzystuje się półprzewodniki. Do produkcji wszelakich emiterów wykorzystuje się materiały z prostą przerwą energetyczną. Szczególnie popularne są związki AIIIBV. Krzem z powodu posiadania skośnej przerwy energetycznej nie jest wykorzystywany w produkcji emiterów ale może być wykorzystany jako detektor. 9. Materiały AIIIBV – podstawowe właściwości. Są to związki materiałów z 3 i 5 grupy układu okresowego. Mogą tworzyć kryształy mieszane czyli np. Al0,23Ga0,77As oznacza, że procentowa zawartość materiałów jest następująca: 23% Al, 77% As. Tworzenie takich związków pozwala modyfikować pasmo wzbronione np. zmiana szerokości wzbronionej i ruchliwości nośników.

Tworzą się związki binarne, które charakteryzują się zakresem szerokości pasma zabronionego ponad 6eV. Elementy pracujące w szerokoim zakresie promieniowania. Dość duża różnica współczynnika załamania 3,8. Związki binarne tworzą szereg związków stałych uporządkowanych z uporządkowaniem dalekiego zasięgu i zgodnie z prawem begarda charakteryzują się one ze względu zależności zawartości pierwiastka 3 grupy prawie liniowo zmnienia się parametr podstawowej komórki roztworu stałego, a z tym związany jest fakt że szerokość przerwy również zmienia się od zawartości poszczególnych faz, Faza materiału z większą przerwą rośnie szerokość przerwy zabronionej. Rgulujemy sobie szerokośćcią przerwy zabronionej w sposób liniowy za pomocą roztworu. Materiały a3b5 charakteryzują się prostą strukturą przejść łatwo wtedy zachować prawo zachowania energii prawo zachowania wektora falowego, zmienia się współczynnik załamania i zwiększa się znacząco współczynnik absorpcji. 10. Roztwory stałe związków AIIIBV - zalety, właściwości.

-pokrywają w szerokim zakresie szerokość przerwy zabriononej (chodzi o to ,że można w szerokim zakresie zmieniać Eg) - mieszanie → zmiana temperatury → - szybkość rekombinacji (dobry współ rekombinacji) - duży czas życia nośników - spełnione są 2 prawa - 1.zachowania energi 2. Energia w funkcji wektora falowego objętościowy materiał rozkład w kropkach kwantowych ten niżej dla kropki kwantowej rozkład jest stały

-współczynnik załamania ( n) - spory zakres zmian → ten współczynnik wpływa na właściwości optyczne 11. Wymień obszary zastosowań materiałów AIIBVI • ZnS – podstawa luminoforów wytwarzanych na skale przemysłową, tworzy szereg roztworów stałych z CdS, CdSe, ZnSe. Domieszkowanie miedzią – luminofory zielone i niebieskie, domieszkowane magnezem – żółte • CdS – fotorezystory o bardzo dużej fotoczułości w widzialnym zakresie widma • CdHgTe – detekory podczerwieni 12. Prawo Vegarda Prawo Vegarda - Zmiana wymiarów komórki elementarnej jest liniowo zależna od stężenia pierwiastka rozpuszczonego w sieci krystalicznej rozpuszczalnika w tej samej temperaturze. 13. Baza przyrządowa optoelektroniki. • Detektory – przyrząd służący do detekcji światła (fali elektrycznej), lub jej rejestracji. Funkcjonowanie detektora opiera się na zjawisku absorpcji światła (proste i skośne przejścia) • Emitery – Źródła światła, ich funkcjonowanie opiera się na rekombinacji promienistej (półprzewodniki) (proste) 14. Inżynieria pasma zabronionego – definicja Modyfikacja pasma wzbronionego przez zastosowanie domieszkowania planarnego w strukturach z obniżoną wymiarowością. Polega na tworzeniu złożonych półprzewodników z substratów o różnych wielkościach pasm wzbronionych w celu otrzymania materiału o dokładnie określonych właściwościach. Czyli np. tworzenie heterostruktur, studni kwantowych itd. 15. Metody stosowane w inżynierii pasma zabronionego • Wzrost heterostruktur z zastosowaniem poczwórnych związków AlGalnAs/GaAs

• Modyfikacja pasma zabronionego przez zastosowanie domieszkowania planarnego w strukturach z obniżoną wymiarowością • Opracowanie technologii kontrolowanych wzrostu heterostruktur (In,Al,Ga)N/GaN 16. Gęstość stanów w strukturach kwantowych i krysztale objętościowym Gęstość stanów na rysunkach studnie kwantowe i różne przemieszczanie. Różnice zależą od ograniczenia ruchu elektronu w studniach kwantowych. Przy każdym ograniczeniu zaczyna odgrywać znaczącą rolę lokalizacja stanów kolejne przejścia poziomów. Zależnie od tego jaki stan kwantowy rozpatrujemy to różnica w budowie tej struktury kwantowej wpływa znacznie na energię i gęstość stanów przy czym im bardziej ograniczony ruch nośników tym mniejsze rozmycie stanów energetycznych

17. Idea domieszkowania planarnego Domieszkowanie planarne jest jedną z metodą inżynierii pasma zabronionego. W procesie epitaksji przerywa się krystalizację danego materiału i wprowadza inny pierwiastek i tworzy się z niego pojedynczą warstwę atomową. Pozwala na modyfikowanie struktury energetycznej np. w studniach kwantowych. Wprowadzenie np. krzemu do arsenku galu powoduje w obszarze domieszkowania planarnego zwiększenie koncentracji dziur, co wpływa na strukturę energetyczną. 18. Epitaksja – definicja, typy epitaksji Epitaksją nazywa się proces wzrostu warstw monokrystalicznych na podłożu monokrystalicznym (zorientowany krystalograficzny wzrost warstwy monokrystalicznej ,zachodzący na powierzchni zorientowanego krystalograficznie monokryształu podłożowego). Szybkość zarodkowania epitaksjalnych warstw w początkowej fazie osadzania i szybkość ich wzrostu zależą od temperatury ,przesycenia(lub przechłodzenia) w fazie ,z której jest realizowany proces wzrostu oraz od natury stosowanego podłoża. Typy: • Homoepitaksja

• Heteroepitaksja 19. Wzrost zorientowany warstwy epitaksjalnej Wzrost zorientowany to taki wzrost w którym: •

Struktura krystaliczna podłoża i warstwy należą do tej samej grupy przestrzennej, czyli oba materiały krystalizują w tej samej strukturze

•

Wymiary komórek elementarnych są do siebie zbliżone

•

Rosnąca warstwa stanowi ,,przedłużenie’’ podłoża - wzrost w kierunku krystalograficznym zgodnym z kierunkiem podłoża

20. Podstawy teoretyczne epitaksji. Epitaksja jest to proces uporządkowanego, zorientowanego wzrostu materiału monokrystalicznego na podłożu z odwzorowaniem uporządkowania przestrzennego materiału podłoża. Wymagania: jednorodność składu i grubości napodłożu o średnicy 3-4 cale • gładkość granicy rozdziału (interfejsu) • jednorodność właściwości optycznych i elektrycznych • możliwość strukturyzacji przestrzennej • kompatybilność z technologią wytwarzania przyrządów dyskretnych i układów scalonych • możliwość realizacji połączeń optycznych i elektrycznych zarówno wewnętrznych jak i zewnętrznych 21. Mody wzrostu epitaksjalnego Wyróżnia się następujące mechanizmy wzrostu adsorbatu na podłożu: • Stranskiego – Krastanowa, gdzie po skompletowaniu pierwszej mono warstwy adsorbatu zaczynają rosnąć trójwymiarowe wyspy Merwe (FM), gdzie adsorbat rośnie monowarstwą

•

Franka i Van der monowarstwa za

•

„Simulations multilayers” (SM), gdzie obserwuje się jednoczesny wzrost kilku warstw. Wzrost SM nazywany jest również wzrostem pseudo – FM lub wzrostem Poissona „Monolayer plus simultaneous multilayers” (MSM), gdzie obserwuje się jednoczesny wzrost kilku wastw na pierwszej kompletnej warstwie adsorbcyjnej.

•

22. Mechanizmy sterowania procesem epitaksji.

Dla szeregu zastosowań (mikrosystemy, optoelektronika, układy scalone) potrzebne jest wytworzenie struktur przestrzennych, takich jak np. rowki (V- i U-rowki), wyspy mesa czy światłowody planarne. Robi się to po to, aby można było sprzęgać układy mikroelektroniczne z optoelektronicznymi i mikromechanicznymi, a także z czujnikami różnego rodzaju. Na rys. 1 przedstawiono schematycznie procesy selektywnej epitaksji i epitaksji na profilowanym podłożu. Różnica między tymi technikami polega na tym, że epitaksja selektywna odbywa się na podłożu zamaskowanym dielektrykiem i warstwa osadzana jest w oknach, zaś w przypadku epitaksji na profilowanym podłożu wytrawiane są różne kształty w podłożu (najczęściej prostokąty). Następnie usuwana jest maska i warstwa osadzana jest na dnie zagłębienia, na zboczach i na powierzchni podłoża. W czasie wzrostu kryształu zależy nam na tym żeby wzrost ten przebiegał w sposób kontrolowany. Dwie metody sterowania epitaksją to : a) kontrola temperaturowa – w procesie LPE od temperatury zależy szybkość krystalizacji, zmieniając temperaturę możemy sterować szybkością wzrostu kryształu. b) przesycenie roztworu – szybkość wzrostu zależy od przesycenia roztworu. W przypadku gazu przesycenie jest definiowane jako nadciśnienie w stosunku do ciśnienia gazu jednostkowego. W przypadku cieczy jest to wielkość stężenia . -

Szybkość przepływu gazu nośnego (najczęściej wodór) przez saturator Ciśnienia cząstkowego związku zależnego od temperatury VPE - stała temperatura, regulując wpuszczaną masę reagentów regulujemy przesycenie LPE - przesycenie regulowane przez zmianę temperatury

23. Niedopasowanie sieciowe w epitaksji. Na co ma wpływ? Niedopasowanie sieciowe e = (w-p)/p gdzie w to parametr warstwy a p parametr podłoża. Generalnie im mniejsze tym lepiej. Np. w LPE dla e10*-3 w warstwie przejściowej między podłożem a osadzaną warstwą generowane są dyslokacje lub utrudnione jest zarodkowanie. Niedopasowanie sieciowe informuje o dopasowaniu sieci krystalicznych podłoża i materiału narastanego. Im większe niedopasowanie tym więcej defektów i naprężeń. 24. Grubość krytyczna – definicja Przy narastaniu heterostruktur mogą powstawać defekty i dyslokacje. Intensywność defektów zależy od niedopasowania sieciowego. Grubość narastającej warstwy przy której zaczynają pojawiać się defekty nazywa się grubością krytyczną.

25. Klasyfikacja metod epitaksji. a) Epitaksja z fazy ciekłej LPE (liąuid phase epitaxy) - obrazowo porównywana często do krystalizacji soli NaCl z przesyconego roztworu soli, jest szczególnym przypadkiem krystalizacji materiału z roztworu bogatego w składnik metaliczny. Ważnym elementem aparatury jest kaseta grafitowa. Parametry procesu dobrano tak, aby krystalizacja zachodziła w płaszczyźnie równoległej do podłoża. b) Epitaksja z fazy gazowej VPE (vapour phase epitaxy) - osadzany związek półprzewodnikowy powstaje w wyniku reakcji chemicznych zachodzących na podłożu. c) Epitaksja z wiązek molekularnychMBE (molecular beam epitaxy) - jest bardzo wyrafinowaną techniką osadzania cienkich warstw. Umożliwia ona osadzanie bardzo cienkich warstw rzędu nm o ściśle określonym składzie chemicznym i precyzyjnym rozkładzie profilu

koncentracji domieszki. Możliwe jest to dzięki doprowadzaniu do podłoża składników warstwy oddzielnymi wiązkami molekularnymi. Całość procesu odbywa się w komorze ultrawysokiej próżni (Ultra High Vacuum - UHV) - ciśnienie rzędu 10 -9 Pa.W metodzie tej wykorzystuje się głównie zjawiska fizyczne w celu otrzymania warstw epitaksjalnych. W przeciwieństwie do metody VPE, epitaksja MBE jest procesem fizycznym (PDT - physical deposition techniąue), tzn. szybkość wzrostu, mod wzrostu i właściwości osadzanych warstw zależą od kontroli podstawowych procesów fizycznych. d) Epitaksja ze związków metaloorganicznych MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy) - jest techniką epitaksjalną, polegającą na osadzaniu warstw ze związków metaloorganicznych, przy czym reagenty znajdują się w fazie gazowej. Osadzanie zachodzi przy ciśnieniu atmosferycznym lub obniżonym. Epitaksja MOVPE ze związków metaloorganiczych jako źródło pierwiastków trzeciej grupy układu okresowego jest jedną zdominujących obecnie technik wytwarzania zaawansowanych półprzewodnikowych struktur epitaksjalnych. W technice MOVPE reagenty - związki metaloorganiczne trzeciej grupy oraz wodorki piątej grupy - są transportowane do obszaru krystalizacji przez strumień wodoru.MOVPE jest w odróżnieniu od MBE metodą chemicznego wytwarzania struktur epitaksjalnych.

26. Homoepitaksja i heteroepitaksja. Homoepitaksja - jeżeli podłoże oraz osadzany na nim materiał są takie same (np. krzem na krzemie, arsenek galu na arsenku galu) lub mają taką samą strukturę krystaliczną i prawie takie same parametry sieciowe. Heteroepitaksja - wzrost warstwy jednego materiału na podłożu z innego materiału, gdy różnią się one się strukturą krystalograficzną i parametrami sieciowymi. W początkowej fazie badania procesów epitaksji uważano, że wzrost monokrystalicznych warstw epitaksjalnych jest możliwy tylko w przypadku takich materiałów, dla których różnica parametrów sieciowych Ra o /a o (gdzie: a 0 - parametr sieci podłoża, Ra o - różnica parametrów sieciowych podłoża i warstwy osadzanej na tym podłożu) nie przekracza k*0,1%. W procesie heteroepitaksji powstają heterozłącza czyli układy dwóch różnych materiałów półprzewodnikowych tworzących wspólną strukturę monokrystaliczną. Do wielu zastosowań wytwarza się heterozłącza, w których różnica parametrów sieci jest duża, np. w heterostrukturach GaAs/Si- 4,1%, InGaAs/GaAs- 7%, GaN/Al 2 O 3 - 14%. Taka różnica parametrów sieciowych i jednocześnie występująca często różnica współczynników rozszerzalności termicznej podłoża i warstwy epitaksjalnej powodują dużą koncentrację defektów, które są generowane na granicy podłoże-warstwa epitaksjalna, a następnie propagowane ku powierzchni osadzanej warstwy. Wymienione niedopasowania są przyczyną naprężeń rozciągających lub ściskających, które powstają na granicy rozdziału heterostruktury. Proces heteroepitaksji musi więc być odpowiednio kontrolowany i sterowany, dotyczy to zarówno procesu zarodkowania, rozrostu zarodków, jak i ich zrastania się (koalescencji) w celu minimalizacji niedoskonałości struktury. 27. Podłoże – rola podłoża w procesie epitaksji. Jego właściwości strukturalne, orientacja, właściwości mechaniczne, stan i sposób przygotowania powierzchni przed procesem epitaksji silnie wpływają na proces krystalizacji osadzanej warstwy i jej charakterystyki. W wyniku krystalizacji struktura i orientacja krystalograficzna warstwy znajdują się w określonej relacji do struktury i orientacji kryształu podłożowego. Najczęściej struktura i orientacja warstwy epitaksjalnej odtwarzają dokładnie

strukturę i orientację podłoża. 28. Wymagania w stosunku do podłoża. Z definicji epitaksji wynika, że powinny być spełnione poniższe warunki: • Struktura krystalograficzna podłoża i warstwy należą do tej samej grupy przestrzennej, czyli oba materiały krystalizują się w tej samej strukturze • Wymiary komórek elementarnych podłoża i warstwy są do siebie zbliżone. Dopuszczalna różnica parametrów komórek zależy od właściwości materiałów (odporność na stres, współczynniki rozszerzalności termicznej itp.) Przyjmuje się jednak graniczne wartości różnic zwanych niedopasowaniem sieciowym ε, które definiowane jest jako stosunek 𝑎 −𝑎 różnicy parametru sieci warstwy i parametru sieci podłoża:𝜀 = 𝐿𝑎 𝑆 , gdzie 𝑎𝑣

al to parametr warstwy, as to parametr podłoża, aav to wartość średnia tych parametrów• W technice z fazy ciekłej LPE dla ε mniejszego niż 10^-3 osadzanie nie powoduje powstawania nowych defektów w rosnącej warstwie, natomiast powyżej tej wartości między podłożem, a osadzaną warstwą generowane są dyslokacje lub utrudnione jest zarodkowanie. • • W technikach MOVPE i MBE ggranica wynosi 10^-1 Zarodki najchętniej lokują się w miejscach energetycznie najbardziej korzystnych, tzn. na defektach sieci i zanieczyszczeniach. Mogą to być zerwane wiązania w krysztale np. stopnie atomowe w krysztale, defekty sieci . Defekty są odtwarzane przez rosnącą warstwę. Podłoże powinno być więc możliwie bez defektowe i mieć czystą powierzchnie. • Stabilność temperaturowa podłoża w temperaturach epitaksji. • Możliwe zbliżone współczynniki liniowej rozszerzalności termicznej podłoża i warstwy. • Stabilność chemiczna podłoża w obecności reagentów. W skrócie: ● Struktura krystalograficzna podłoża i warstwy należą do tej samej grupy przestrzennej, czyli oba materiały k...