Σύγχρονα θέματα στην έρευνα των ημιαγωγών

bundlebudgieΛογισμικό & κατασκευή λογ/κού

4 Ιουλ 2012 (πριν από 5 χρόνια και 1 μήνα)

342 εμφανίσεις

ΠανεπιστήμιοΚρήτης, ΤμήμαΦυσικήςκαιΙΗΔΛ, ΙΤΕ
ΟμάδαΜικροηλεκτρονικής(ΟΜ)
Ηράκλειο, Κρήτη
http://www.iesl.forth.gr/research/material/mrg/index.asp
Σύγχρονα
Σύγχρονα
θέματα
θέματα
στην
στην
έρευνα
έρευνα
των
των
ημιαγωγών
ημιαγωγών
ΘΕΜΑΤΑΣΥΓΧΡΟΝΗΣΦΥΣΙΚΗς
4 ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΥ2007, ΗΡΑΚΛΕΙΟ-ΚΡΗΤΗ
Αναπλ. Καθ. ΑλέξανδροςΓεωργακίλας
ΠΚ& ΙΤΕ
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗΣΤΟΥΣΗΜΙΑΓΩΓΟΥΣΚΑΙΤΙΣΙΔΙΟΤΗΤΕΣ
ΤΟΥΣ

ΒΑΣΙΚΑΣΤΟΙΧΕΙΑΓΙΑΤΙΣΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣΔΙΑΤΑΞΕΙΣ

ΣΥΓΧΡΟΝΑΗΜΙΑΓΩΓΙΚΑΥΛΙΚΑΚΑΙΔΙΑΤΑΞΕΙΣΑΠΟ
ΕΤΕΡΟΔΟΜΕΣ-ΝΑΝΟΔΟΜΕΣΤΩΝΙΙΙ-VΗΜΙΑΓΩΓΩΝ

ΟΙΗΜΙΑΓΩΓΟΙIII-ΝΙΤΡΙΔΙΑΠΟΥΑΝΑΠΤΥΣΣΟΝΤΑΙΣΤΗ
ΣΗΜΕΡΙΝΗΕΠΟΧΗ
ΠΚ& ΙΤΕ
ΕΙΣΑΓΩΓΗΣΤΟΥΣΗΜΙΑΓΩΓΟΥΣ
ΚΑΙΤΙΣΙΔΙΟΤΗΤΕΣΤΟΥΣ
ΠΚ& ΙΤΕ
TI EINAI OIΗΜΙΑΓΩΓΟI;
ΜέταλλαΗμιαγωγοίΜονωτές
ρ(Ω.cm):
~10-6
10-3
-10
9
έως~1022
Μεσυγκεντρώσειςπροσμίξεων1 άτομοανά109
έως103
άτομα
ημιαγωγούμπορούμεναεπιλέξουμετηναγωγιμότητα
τουημιαγωγού:
(α) τοναριθμότωνκινούμενωνσωματιδίωνηλεκτρικούφορτίου
(β) τοπρόσημοτουφορτίουτους: -qe
γιαελεύθεραηλεκτρόνιακαι
+qe
γιαοπές
Συνδυάζονταςυλικάμεδιαφορετικήαγωγιμότητακατασκευάζουμε
ημιαγωγικέςδιατάξεις, τηβάσητηςευφυΐαςτωνηλεκτρονικών
ΠΚ& ΙΤΕ
ΠΟΙΟΙΕΙΝΑΙΟΙΗΜΙΑΓΩΓΟΙ;
Ημιαγωγοί
στοιχείουIV
Si
Ge
C (διαμάντι)
καικράματα
SixGe1-x
SiC
ΣύνθετοιΗμιαγωγοί
ενώσεωνIII-V
GaN, AlN, InN
GaP, AlP, InP
GaAs, AlAs, InAs
GaSb, AlSb, InSb
καικράματατους,
όπως
ΙnxGa1-xN
AlxGa1-xN
ΙnxAl1-xN
ΙnxAlyGa1-x-yN
Σύνθετοι
Ημιαγωγοί
ενώσεωνII-VI
ΖnO
ZnS, HgS
ZnSe, CdSe
ZnTe, CdTe
καικράματατους,
όπως
HgxCd1-xTe
ΠΚ& ΙΤΕ
ΤΙΚΟΙΝΟΕΧΟΥΝΟΙΗΜΙΑΓΩΓΟΙ;
Στονκρύσταλλοτουημιαγωγού,
κάθεάτομοσυνδέεταιμε4
ομοιοπολικούςδεσμούςμε4 γειτονικά
άτομα
Τοάτομοείναιστοκέντροενός
κανονικούτετραέδρουκαιτα4
γειτονικάάτομαστιςκορυφέςτου
Οομοιοπολικόςδεσμόςσχημα-
τίζεταιαπό2 ηλεκτρόνιασθένους
ΣτουςIII-V ήII-VI ημιαγωγούς
κάθεείδοςατόμουέχει4 άτομααπό
τοάλλοείδοςγύρωτου
ΠΚ& ΙΤΕ
ΗΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗΔΟΜΗΤΩΝ
ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ
Μεστοιχειώδημονάδατοντετραεδρικόδεσμό, οικρύσταλλοιτων
ημιαγωγώνμπορείναέχουνκυβικήήεξαγωνικήπεριοδικότητα
Si, Ge, GaAs, InP, InSb
GaN, AlN, InN, ZnSe, ZnO
Ga
N
ΠΚ& ΙΤΕ
OI ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣΖΩΝΕΣΣΤΑ
ΣΤΕΡΕΑ
ΑπόΒ. G. Streetman, “Solid State Electronic Devices”, Prentice Hall

Οιδιακριτέςστάθμεςτων
ατόμωνγίνονταιενεργειακές
ζώνεςστουςκρυστάλλουςτων
στερεών.

Οιζώνεςαποτελούνταιαπό
ενεργειακέςκαταστάσειςμε
πολύμικρήδιαφοράενέργειας
ώστεείναισανναέχουμε
συνεχήκατανομήτηςδυνατής
ενέργειαςηλεκτρονίουστις
καταστάσειςκάθεζώνης

Υπάρχουνπεριοχέςμη
επιτρεπτώνενεργειών
ΕνεργειακόΧάσμαΕg
ΠΚ& ΙΤΕ
OI ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣΖΩΝΕΣ

Ταηλεκτρόνιασθένουςτωνατόμωντουημιαγωγούκαταλαμβάνουν
καταστάσειςτωνδύοανώτερωνζωνών, τηςΖώνηςΣθένους(ΖΣ)καιτης
ΖώνηςΑγωγιμότητας(ΖΑ)
ΣεΤ=0ΚηΖΣείναιπλήρωςκατειλημμένηκαιηΖΑεντελώςάδειααπό
ηλεκτρόνια

Toενεργειακόχάσμα(Eg)στουςημιαγωγούςείναιτάξης1 eV= 1.6 x 10
-19
Joules
InAs:0.36eV, Ge: 0.66eV, Si: 1.12eV, GaAs: 1.42eV, GaN: 3.4eV, C
(διαμάντι) : 5.47eV
EC
EV
Eg
ΕνεργειακόΧάσμα
ΖώνηΣθένους(ΖΑ)
ΖώνηΑγωγιμότητας(ΖΑ)
ΠΚ& ΙΤΕ
ΔιάγραμμαΕνεργειακώνΖωνών

ΟιενεργειακέςκαταστάσειςαντιστοιχούνσεζεύγητιμώνΕ-k, όπουΕη
ενέργειαηλεκτρονίουκαιkτοκυματάνυσμα(ηορμήελεύθερου
ηλεκτρονίουείναι)

Γιατηνπεριγραφήτωνμικροηλεκτρονικώνδιατάξεωνσυνήθωςαρκείνα
δειχθείημεταβολήτηςενέργειαςηλεκτρονίωνσεκάποιαδιεύθυνση
Σεοποιαδήποτεδιεύθυνσηενόςομοιογενήκρυστάλλουημιαγωγούτο
ΔιάγραμμαΕνεργειακώνΖωνών(ΔΕΖ) σεισορροπίαθαείναι
καιπιοσύντομα
ΖΣ
ΖΑ
EC
EV
Ενέργειαηλεκτρονίου
Κατεύθυνσηx
Eg
EV
EC
Eg
kp
h
=
ΠΚ& ΙΤΕ
ΦορείςΗλεκτρικούΦορτίου

ΗλεκτρόνιατηςΖΑήελεύθεραηλεκτρόνια(e). Έχουνφορτίο–qe
και
ενεργόμάζαmn*

ΟπέςτηςΖΣ(καταστάσειςμηκατειλημμένεςαπόηλεκτρόνιο). Έχουν
φορτίο+q
e
καιενεργόμάζαmp*

Σεένακαθαρόκρύσταλλοημιαγωγούταελεύθεραηλεκτρόνιακαιοιοπές
δημιουργούνταιαπόθερμικήγένεσηζευγώνe-h
-
Οισυγκεντρώσειςn (αριθμόςeανάcm3) καιοπών(αριθμόςhανάcm3)
είναιίσεςκαιεξαρτώνταιαπότηνθερμοκρασίαςn=p=n
i(T)
EV
EC
Eg
ελεύθεραηλεκτρόνια
οπές
ΠΚ& ΙΤΕ
ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΙΑΔΕΣΜΩΝΚΑΙ
ΦΟΡΕΩΝ
EV
EC
Eg
ελεύθεραηλεκτρόνια
οπές
H διάσπασηομοιοπολικώνδεσμώνπροσθέτειζευγάρια
ελεύθερωνηλεκτρονίωνκαιοπώνσεέναενδογενήημιαγωγό
Τ= 0 Κ
e
Τ> 0 Κ

he
pqnq
S
I
J
υυ
+==
+
h
e
e
h
-
V
I
l
V
μμυ
=Ε=
ΠΚ& ΙΤΕ
ΕξωγενείςΗμιαγωγοί

Τύπου-nείναιοημιαγωγός
πουέχειπροσμίξειςΔοτών,
πουαυξάνουνταe (φορείς
πλειονότητας) ώστεn > ni
> p

Τύπου-pείναιοημιαγωγόςπου
έχειπροσμίξειςΑποδεκτών, που
αυξάνουντιςοπές(φορείς
πλειονότητας) ώστεp >ni
> n
ΚαταστάσειςΔοτών
ελεύθεραηλεκτρόνια
EV
EC
ED
οπές
EV
EC
ΚαταστάσειςΑποδεκτών
EA
Οιεκάστοτεφορείςμειονότηταςπροέρχονταιαπόθερμικήγένεση
ΕάνND= άτομαδοτών/cm3
n=ND, p=ni2/ND
ΕάνNA= άτομααποδεκτών/cm3
p=NA, n=ni2/NA
ΠΚ& ΙΤΕ
ΚΑΤΑΝΟΜΗFermi-Dirac
()
()
e
KT
EE
F
Ef
+

=
1
/
1
ΕF : στάθμηFermi
K = 8.62 x 10
-5
eV/K (σταθερά
Boltzmann)
T = θερμοκρασίασεKelvin (K)
f(E) :Πιθανότηταναείναι
κατειλημμένηαπόέναηλεκτρόνιομία
κατάστασηενέργειαςΕ, σεσυνθήκες
ΘερμοδυναμικήςΙσορροπίας(Θ.Ι.)
KTEE
F
eEf
/)(
)(
−−

(
)
KTEE
F
eEf
−−


)(1
1-f(E) : Πιθανότηταναείναικενήη
κατάσταση⇒οπή
ΠΚ& ΙΤΕ
Ενδογενής
Τύπου-n
Τύπου-p
EC
EC
EC
EV
EV
EV
EF
EF
EF
Οισυγκεντρώσειςτων
ηλεκτρονίωνnκαιτωνοπώνp
είναιανάλογεςτηςθέσηςτης
στάθμης-Fermi E
F
μέσαστο
ενεργειακόχάσματου
ημιαγωγού
Οισυγκεντρώσειςτων
ηλεκτρονίωνnκαιτωνοπώνp
πέφτουνεκθετικάκαθώς
απομακρυνόμαστεαπότην
άκρητωνζωνών
ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΙΣΦΟΡΕΩΝΣΕΘ.Ι.
ΚΤ
ΔΕ−
≈e
ΠΚ& ΙΤΕ
ΒΑΣΙΚΑΣΤΟΙΧΕΙΑΓΙΑΤΙΣ ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣΔΙΑΤΑΞΕΙΣ
ΠΚ& ΙΤΕ
Εφαρμογήηλεκτρικούπεδίου
Ε
e
e
h
h
EC
EV
+
h
e
e
h
-
V
I
V
l
S
pnqI
pn
)(
μμ
+=
ΔυναμικήΕνέργειαηλεκτρονίου= -q V
dx
dV
E−=
q:φορτίοηλεκτρονίου, 1.6 x10
-19 Cb
n, p:συγκεντρώσειςηλεκτρονίων, οπών
μn,μp:ευκινησίεςηλεκτρονίων, οπών(σε
cm2/Vs),πουορίζονταισαν
υ
= μΕ
S :επιφάνειαδιατομήςδείγματος
l :μήκοςδείγματος
V :εφαρμοζόμενηδιαφοράδυναμικού
ΠΚ& ΙΤΕ
Δ. Ε. ΖωνώνμιαςΔιάταξηςσεΘ.Ι.

Στηνπερίπτωσημιαςημιαγωγικήςδιάταξηςέχουμεμεταβολήτων
συγκεντρώσεωνπροσμίξεωντουημιαγωγούήκαιτουείδους
υλικούσεκάποιαδιεύθυνση(π.χ. επαφήμετάλλου/ ημιαγωγού)

ΌτανηημιαγωγικήδιάταξηείναισεΘερμοδυναμικήΙσορροπία
(Θ.Ι.) ηστάθμηFermiθαείναιαμετάβλητημετηνθέση

ΟσχεδιασμόςτουΔιαγράμματοςΕνεργειακώνΖωνών(Δ.Ε.Ζ.) της
ημιαγωγικήςδιάταξηςκατάτηνκατεύθυνσηx,δίνεισημαντική
πληροφορίαγιατηνφυσικήλειτουργίατης:
-
Ύπαρξηηλεκτρικούπεδίου
-
Ύπαρξηφορτίων
-
Μεταβολήτουηλεκτρικούδυναμικού
-
Μεταβολήτηςενέργειαςτωνφορέων
ΠΚ& ΙΤΕ
Σχηματισμόςεπαφήςpn
EC
EV
Ei
EF
Ημιαγωγόςτύπου-n
EC
EV
Ei
EF
Ημιαγωγόςτύπου-p
Δ.Ε.Ζ. σεΘ.Ι. τηςημιαγωγικήςδιάταξηςπουείναιεπαφήpn
Δ.Ε.Ζ. σεΘ.Ι. ομογενώνημιαγωγώντύπου-p καιτύπου-n
ΑπότοΔ.Ε.Ζ. βλέπουμεότιτα
πολλάηλεκτρόνια(οπές) της
πλευράς-n (πλευράς-p) έχουν
ναξεπεράσουνένα«εμπόδιο»
ενέργειαςγιανακινηθούνπρος
τηναπέναντιπλευρά
EC
EV
Ei
EF
e
h
ΠΚ& ΙΤΕ
Ηεπαφήpn σεΘερμοδυναμικήΙσορροπία
ΑπόG. W. Neudeck, “The PN Junction Diode”, Addison-Wesley
ΠΚ& ΙΤΕ
Μεγάλορεύμαορθής
πόλωσης(VA>0)
~
kT
qV
A
e
Ηεπαφήpn σεορθή
πόλωση(VA>0)
ΑπόG. W. Neudeck, “The PN Junction Diode”, Addison-Wesley
ΠΚ& ΙΤΕ
Ηεπαφήpn σε
ανάστροφηπόλωση
(VA<0)
Μικρόρεύμαανάστροφης
πόλωσης(VA
<0)
ΑπόG. W. Neudeck, “The PN Junction Diode”, Addison-Wesley
ΠΚ& ΙΤΕ
Τοκύκλωμαρεύματοςστηδίοδο
επαφήςpn
ΑπόG. W. Neudeck, “The PN Junction Diode”, Addison-Wesley
ΠΚ& ΙΤΕ
Εκπομπήφωτόςαπόημιαγωγούς
EV
EC
Eg
ελεύθεραηλεκτρόνια
οπές
hν≈Eg
Ηεφαρμογήτάσηςορθήςπόλωσης(VA>0)στηνεπαφήpn είναιοηλεκτρικός
τρόπος(ηλεκτρικήένεση) γιαναπαρέχουμεελεύθεραηλεκτρόνιακαιοπές, σε
LED καιδιόδουςLASER
Φωτόνιαενέργειαςhν≈Eg
εκπέμπονταιαπόεπανασυνδέσεις
ηλεκτρονίων-οπών
EC
EV
EFp
EFn
qVA
e
h
hν≈Eg
ΠΚ& ΙΤΕ
Δίοδοιεκπομπήςφωτός
LED : Light Emitting Diode
LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
ΠΚ& ΙΤΕ
Τοτρανζίστορεπίδρασηςπεδίου(FET)
ΤοηλεκτρικόπεδίοκάθεταστηνΠύλη, ήμεάλλαλόγιαητάσηστον
πυκνωτήμεταξύΠύληςκαιΚαναλιούκαθορίζειτηνσυγκέντρωση
ηλεκτρονίωνστοκανάλικιεπομένωςτηναγωγιμότητατου
FET : Field Effect Transistor
Πηγή
(μέταλλο-1)
Απαγωγός
(μέταλλο-1)
Πύλη
(μέταλλο-2)
Μηαγώγιμοςημιαγωγός
αγώγιμοκανάλι
ε
LG : ΜήκοςΠύλης
Μέταλλο-1:
Ωμικήεπαφήμεπολύχαμηλήαντίσταση,R →0
Μέταλλο-2:
Ανορθωτικήεπαφή(δίοδος)μεάπειρηαντίστασηγιαVGS <0
ΠΚ& ΙΤΕ
Ταχύτητα-συχνότηταλειτουργίαςFET
Χρόνοςδιέλευσης
υ
g
R
L
T=
Συχνότηταλειτουργίας~
gR
LT
υ
=
1
Δύοδρόμοιγιαυψηλές
ταχύτητεςκαισυχνότητες
λειτουργίας:
(1) αύξησηυ
(2) ελλάτωσηLg
Πηγή
(μέταλλο-1)
Απαγωγός
(μέταλλο-1)
Πύλη
(μέταλλο-2)
Μηαγώγιμοςημιαγωγός
αγώγιμοκανάλι
ε
LG : ΜήκοςΠύλης
ΠΚ& ΙΤΕ
Ι-V ΧαρακτηριστικέςFET
IDS
VDS
VGS=0V
-1V
-2V
-3V
-4V
-5V
ΗλειτουργίατουFET συνίσταταιστοότιητάσηVGS, μεταξύπύλης
(G)καιπηγής(S), μεταβάλειτηνσχέσητουρεύματοςΙ
DS
μετηντάση
VDS (μεταξύαπαγωγού,Dκαιπηγής,S)
ΤοFET χρησιμοποιείταισανενισχυτήςήδιακόπτης
Πύλη
1x250μm
G
S
D
GDS
VDS
VGS
+
+
-
-
Ι
ΠΚ& ΙΤΕ
ΣΥΓΧΡΟΝΑΗΜΙΑΓΩΓΙΚΑΥΛΙΚΑΚΑΙ
ΔΙΑΤΑΞΕΙΣΑΠΟΕΤΕΡΟΔΟΜΕΣ-
ΝΑΝΟΔΟΜΕΣΤΩΝΙΙΙ-VΗΜΙΑΓΩΓΩΝ
ΠΚ& ΙΤΕ
Ημιαγωγικέςετεροδομές-νανοδομές

Τασύγχροναυλικάαποτελούνταιαπόπολυστρωματικέςδομέςπου
συνδυάζουνδιαφορετικούςημιαγωγούς, σεεπαφήμεταξύτους

Αναπτύσσονταιμετεχνικέςεπιταξιακήςανάπτυξης, όπωςηΕπίταξημε
ΜοριακέςΔέσμες
ΥπόστρωμαAlN/Al2Ο3
50 nm Al0.75
Ga0.25
N
1 nm AlN
12.5 nm In0.16Al0.84
N
200 nm GaN
50 nm Al0.5
Ga0.5N
50 nm Al0.25
Ga0.75
N
ΠΚ& ΙΤΕ
ΕπίταξημεΜοριακέςΔέσμες(ΜΒΕ)
ΠΚ& ΙΤΕ
Ga
Al
N
Si
Υπόστρωμα
AlN
ΕΠΙΤΑΞΙΑΚΗΑΝΑΠΤΥΞΗ
ΠΚ& ΙΤΕ
Ga
Al
N
Si
Υπόστρωμα
AlN
Επιταξιακά
στρώματα
GaNτύπου-n
ΕΠΙΤΑΞΙΑΚΗΑΝΑΠΤΥΞΗ
ΠΚ& ΙΤΕ
Ga
Al
N
Si
Υπόστρωμα
AlN
Επιταξιακά
στρώματα
GaNτύπου-n
ΕΠΙΤΑΞΙΑΚΗΑΝΑΠΤΥΞΗ
ΠΚ& ΙΤΕ
Ga
Al
N
Si
Υπόστρωμα
AlN
Επιταξιακά
στρώματα
GaNτύπου-n
ΕΠΙΤΑΞΙΑΚΗΑΝΑΠΤΥΞΗ
ΗΕπίταξημεΜοριακέςΔέσμες(ΜΒΕ) επιτρέπειτηνελεγχόμενη
εναπόθεσηκλάσματοςενόςατομικούεπιπέδου
ΠΚ& ΙΤΕ
ΑΤΟΜΙΚΗΑΚΡΙΒΕΙΑ
ΠΚ& ΙΤΕ
ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣΔΥΝΑΜΙΚΟΥ
AlN
AlN
GaN
AlN
GaN
AlN
GaN
EG
(eV)
3.4eV 6.2eV
z
QW
QW
QW
Ηεναλλαγήστρωμάτωνδιαφορετικώνημιαγωγών(μεδιαφορετικό
Εg)μεταβάλειτηνενέργειατωνηλεκτρονίωνστιςδιαφορετικές
περιοχές, σχηματίζονταςπ.χ. τακβαντικάπηγάδια(QW)
ΠΚ& ΙΤΕ
Σχεδιασμόςηλεκτρικών-οπτικών
ιδιοτήτων
123
100Å
70Å
30Å
AlGaAs
GaAs
4
8
12
1.67eV
1.63eV
1.59eV
3
2
1
'Ενταση PL (a.u.)
Eνέργεια (eV)
Οιημιαγωγικέςετεροδομέςπαρουσιάζουννέεςηλεκτρικέςκαι
οπτικέςιδιότητεςσεσχέσημετουςημιαγωγούςπουτιςαποτελούν
Παράδειγμα:
οιεπανασυνδέσειςηλεκτρονίων-οπώνσεκβαντικά
πηγάδιαGaAsδιαφορετικούπλάτουςδίνουνδιαφορετικέςενέργειες
φωτονίων
ΟιεπανασυνδέσειςσεκρύσταλλοGaAsδίνουνφωτόνιαhν≈Eg=1.42 eV
ΠΚ& ΙΤΕ
ΟισύγχρονοιΔίοδοιΛέιζερ
Υπόστρωμαn+
GaAs
n AlGaAs
p AlGaAs
p+
QWs
01234567
0
50
100
150
200
250
Power (mW)
Current Density (KA/cm
2)
170 μm
220 μm
300 μm
340 μm
480 μm
1065 μm
2QW AlGaAs/GaAs LDs
Σήμερα, οιδίοδοιλέιζερκατασκευάζονταιαπόημιαγωγικόυλικό
πουείναιετεροδομέςημιαγωγών
Μεστρώματαμεγαλύτερουενεργειακούχάσματος(μικρότερουδείκτη
διάθλασης) σχηματίζεταιέναςκυματοδηγός
Ηενεργόςπεριοχήτηςεπαφήςpnαποτελείταιαπόκβαντικάπηγάδια,
όπουγίνονταιαποτελεσματικότεραοιεπανασυνδέσειςηλεκτρονίων-οπών
ΠΚ& ΙΤΕ
FETΥψηλήςΕυκινησίας(HEMT)
TαHigh-Electron Mobility Transistors (HEMT) κατασκευάζονται
απόημιαγωγικέςετεροδομές, πουστηνεπιφάνειαέχουνέναλεπτό
στρώμα(10-30nm)ημιαγωγούμεμεγάλοEg
Σχηματίζεταιέναδιδιάστατοαέριοηλεκτρονίων(2DEG), υψηλής
ευκινησίας/ταχύτητας, μέσασετριγωνικόκβαντικόπηγάδιστην
πλευράτουημιαγωγούμεμικρόEg, πουείναιτοκανάλιτουFET
GaN/Al2O
3
GaN
Ti
Al
Au
Ti
Al
Au
Al0.2Ga0.8N
2DEG
Au
Ni
SD
G
ΜεγάλοΕgΜικρόΕg
EC
2DEG
ΠΚ& ΙΤΕ
ΦυσικήεξήγησητουΗΕΜΤ
Δότες
Δότες
ΜεγάλοΕg
ΜικρόΕg
ΜεγάλοΕg
ΒάζονταςάτομαδοτώνστονημιαγωγόμεγάλουEg, παίρνουμε
ηλεκτρόνιαπουμεταπηδούνστονημιαγωγόμικρούΕg, οοποίοςδεν
έχειπροσμίξεις
Ταηλεκτρόνιακινούνταισεκαθαρόημιαγωγό⇒έχουνυψηλή
ευκινησία-ταχύτητα
ΜεγάλοΕgΜικρόΕg
EC
ΠΚ& ΙΤΕ
ΟΙΗΜΙΑΓΩΓΟΙIII-ΝΙΤΡΙΔΙΑΠΟΥ
ΑΝΑΠΤΥΣΣΟΝΤΑΙΣΤΗΣΗΜΕΡΙΝΗ
ΕΠΟΧΗ
ΠΚ& ΙΤΕ
ΟιημιαγωγοίΙΙΙ-Νιτρίδια
AlN Εg = 6.1 eV
GaNΕg = 3.4 eV
InNΕg = 0.65 eV
καιτακράματατους
InxGa1-xN
AlxGa1-xN
InxAl1-xN
InxAlyGa1-yN
Ga
N
Εξαγωνικήκρυσταλλικήδομήβουρτζίτη
ΠΚ& ΙΤΕ
ΧαρακτηριστικάτωνIII-Νιτριδίων

Άμεσοενεργειακόχάσμααπό
IR έωςDUV (0.65eV –6.1 eV)

Υψηλήταχύτητακόρουτων
ηλεκτρονίων

Υψηλόηλεκτρικόπεδίο
κατάρρευσης(μεγάλοΕg)

Υψηλέςθερμοκρασίες
λειτουργίας, πάνωαπό600°C
(μεγάλοΕg)

Πυροηλεκτρικέςκαι
πιεζοηλεκτρικέςιδιότητες

Ισχυρήαντίστασηστηχημική
διάβρωση

Βιοσυμβατότητα

Επιτρέπουνμοναδικές
εφαρμογέςηλεκτρονικής, οπτο-
ηλεκτρονικήςκαιαισθητήρων
ΣυμβατικοίIII-V
ΠΚ& ΙΤΕ
ΠΚ& ΙΤΕ
Ηπόλωσηστα(0001) III-Νιτρίδα

ΠολύμεγάληαυθόρμητηπόλωσηPSP
κατάτηνδιεύθυνση[0001]

ΠιεζοηλεκτρικήπόλωσηPPZ δημιουργείταιότανυπάρχειελαστική
παραμόρφωση

ΗολικήπόλωσηP = PSP
+ PPZ
PPZ= e33∈3+ e31(∈1 +∈2)

3= (c-c
0)/c0

1= ∈1= (a-a
0)/a0
Psp
(C/m2)
e33
(C/m2)
e31
(C/m2)
AlN
-0.081
1.46
-0.60
GaN
-0.029
0.73
-0.49
InN
-0.032
0.97
-0.57
F. Bernardiniand V. Fiorentini, PRB 56,
R10024 (1997)
10 φορέςμεγαλύτερεςπιεζο-
ηλεκτρικέςσταθερέςσυγκριτικάμε
τουςσυμβατικούςIII-V καιII-VI
ημιαγωγούς
ΘετικόπρόσημοόπωςστουςII-VI
o
o
o
o
C
C
c
cc
α
α
α

−=

33
13
2
ΠΚ& ΙΤΕ
ΗαυθόρμητηπόλωσησταIII-Νιτρίδια
3.03.13.23.33.43.53.6
-0.09
-0.08
-0.07
-0.06
-0.05
-0.04
-0.03
-0.02


InxAlyGa1-x-y
N
InN
AlN
GaN
Spontaneous polarization (C/m
2
)
Lattice constant
α (A)
InxAlyGa1-x-y
N

ΠΚ& ΙΤΕ
Σχηματισμός2DEGστιςετεροεπαφές
AlGaN/GaN ήInAlN/GaN
AlGaN
σεέκταση
GaN
χωρίςπαραμόρφωση

Διδιάστατοαέριοηλεκτρονίων(2DEG)σχηματίζεταιστηνδιεπιφάνειαγια
αντιστάθμισητοθετικούφορτίουλόγωασυνέχειαςτηςπόλωσηςσ= ΔP, όταν
ηανάπτυξηγίνεταικατάτην[0001] κρυσταλλογραφικήδιεύθυνση
Ησυγκέντρωσητου2DEGείναι1-3x1013cm-2, μίατάξημεγέθους
υψηλότερησυγκριτικάμετιςσυμβατικέςΙΙΙ-V ετεροεπαφέςAlGaAs/GaAs
Διδιάστατοαέριοοπών(2DΗG) μπορείνασχηματιστείμεανάπτυξηστην
αντίθετηδιεύθυνση, την[000-1]
PSP
PSP
PPE
Ga-face [0001]

AlGaN
GaN
PSP
PSP
PPE
N-face [000-1]

AlGaN
GaN
ΠΚ& ΙΤΕ
ΠιεζοηλεκτρικάGaN HEMT
2DEG
GaN/Al
2O3
GaN
Ti
Al
Au
Ti
Al
Au
Al0.3Ga0.7Nor In
0.18Al0.82N
Au
Ni
ΤαAlGaN/GaNκαιInAlN/GaNHEMT ονομάζονταικαι«πιεζοηλεκτρικά»
γιατίτο2DEG δενσχηματίζεταιαπόπροσμίξειςδοτώνστονημιαγωγό
μεγάλουEg, αλλάλόγωτωνφορτίωνπόλωσης
Ερευνώνταιγιαμικροκυματικάτρανζίστορυψηλήςισχύος, γιατίέχουμε
εξαιρετικάυψηλάρεύματασυγκριτικάμεσυμβατικάHEMT AlGaAs/GaAs
ΠΚ& ΙΤΕ
ΜικροκυματικάGaN
ΤοGaN παρέχειυψηλήισχύσευψηλέςσυχνότητες
ΠΚ& ΙΤΕ
ΤοGaN ΗΕΜΤσανχημικόςαισθητήρας
I
DS
V
DS
Source
Drain
Gate
Al
2
O
3
GaN
AlGaN
GaN
V
GS
I
DS
ΚανονικόAlGaN/GaNHEMT
GaN/AlGaNHEMT με
ΠύληΗλεκτρολύτη
ΠΚ& ΙΤΕ
ΚατασκευήιοντοεπιλεκτικώνGaN
ΗΕΜΤ(GaN ISFET)
Περιοχήαντίδρασης
Πολυϊμίδιο
Ημιαγωγικήψηφίδα
μεαισθητήρεςΗΕΜΤ
ΒάσησυναρμολόγησηςαισθητήρωνΗΕΜΤ
ΠΚ& ΙΤΕ
ΑπόκρισηστοpHτουαισθητήραGaN
HEMT
0.00.51.01.52.02.53.0
0
1
2
3
4
5
6
pH=3,5
pH=5,0
pH=7,0
pH=9,6
pH=12,1


I
DS
(mA)
VDS (V)
ΤορεύμαIDS, συναρτήσειVDS, εξαρτάταιαπότοpH τουδιαλύματος
πουείναισεεπαφήμετηνεπιφάνειαGaNστηνΠύλητουτρανζίστορ
ΠΚ& ΙΤΕ
ΧημικάτροποποιημέναHEMT (ChemHEMT)
γιαμέτρησησυγκεκριμένωνιόντων
L=100μm
W=100μm
ΕπιφάνειαGaN
στηνΠύλη
GaNκαλυμμένομε
ΠολυμερικήΜεμβράνη

Πολυμερικέςμεμβράνεςευαίσθητεςσεδιαφορετικάιόντα(K+,
NH4+, Na+, NO3-
) εναποτίθενταιπάνωστηνεπιφάνειαGaN(0001)
τηςΠύληςτωναισθητήρωνΗΕΜΤ
ΠΚ& ΙΤΕ
ΜέτρησησυγκέντρωσηςK+
μεGaN
ChemHEMT
-6-5-4-3-2
600
650
700
750
800




V
surface
(mV)
log [ K
+ ] (M)
VDS=1V
IDS=σταθ.
Detection Limit
3,1*10
-6
M
Sensitivity
52,4mV/pK
+
ΠΚ& ΙΤΕ
Επίλογος

Οιημιαγωγοίχαρακτηρίζονταιαπότηνδυνατότηταρύθμισηςτων
ηλεκτρικώνιδιοτήτωντους

Οιημιαγωγικέςδιατάξειςαποτελούνταιαπόδιαφορετικάστρώματα
ημιαγωγώνήκαιμετάλλωνκαιμονωτών. Κάθεδιάταξηπροσφέρει
ειδικάχαρακτηριστικάλειτουργίας

Ταπροηγμέναημιαγωγικάυλικάαποτελούνταιαπόπολυστρωματικές
επιταξιακέςδομές, όπουσυνδυάζονταιδιαφορετικούείδουςημιαγωγοί
καιονομάζομαιετεροδομές

Ηακριβέστερημέθοδοςεπιταξιακήςανάπτυξηςετεροδομώνείναιη
«ΕπίταξημεΜοριακέςΔέσμες»(ΜΒΕ)

Οιημιαγωγικέςετεροδομέςδίνουντηνδυνατότηταπραγματοποίησης
νέωνημιαγωγικώνδιατάξεωνήβελτίωσηςυπαρχόντωνδιατάξεων

ΟιημιαγωγοίΙΙΙ-Νιτρίδια(GaN, AlN, InN) είναιηοικογένειαIII-V
ημιαγωγώνπουαναπτύσσεταιστησημερινήεποχή. Χαρακτηρίζεταιαπό
μοναδικέςιδιότητεςκαιέχεισημαντικέςεφαρμογέςγιαηλεκτρονικέςκαι
οπτοηλεκτρονικέςδιατάξειςκαιαισθητήρες