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Materials Science in Electronics devices - Semiconductor devices - 2015 Yutaka Oyama [email protected] http://www.material.tohoku.ac.jp/~denko/lab.html Contents Material issue of semiconductor devices and fabrication process Schematics of thin film growth (Molecular Layer Epitaxy, etc.) Ultra fast and high frequency semiconductor electronic and photonic devices -1 Ultra fast and high frequency semiconductor electronic and photonic devices -2 Crystal growth and semiconductor device epitaxy Device grade evaluation of semiconductor crystals

Materials Science in Electronics devices - …denko/lecture/denshi_device/...発光色 発光領域となるp型半導体の、伝導帯と価電子帯のエネルギー差(バンドギャップ)が大きいほど、電子が伝導帯

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Materials Science in Electronics devices

- Semiconductor devices -

2015 Yutaka Oyama

[email protected]

http://www.material.tohoku.ac.jp/~denko/lab.html

Contents

・ Material issue of semiconductor devices and fabrication process

• Schematics of thin film growth (Molecular Layer Epitaxy, etc.)

・ Ultra fast and high frequency semiconductor electronic and photonic devices -1

• Ultra fast and high frequency semiconductor electronic and photonic devices -2

・ Crystal growth and semiconductor device epitaxy

・ Device grade evaluation of semiconductor crystals

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UV

Blue

Green

Yellow

Orange

red

wavelength

color

Energy[eV] wavelength frequency

infrared

UV

X-ray

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photonConductionband

Valenceband

Conductionband

Valenceband

photon

Direct transition

Electron/hole and photon interaction

High emission efficiency

Indirect transition

Electron/hole and lattice vibration (phonon) interaction

Low emission efficiency

lattice vibration (phonon)

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発光色

発光領域となるp型半導体の、伝導帯と価電子帯のエネルギー差(バンドギャップ)が大きいほど、電子が伝導帯から価電子帯へ落ちるときに発せられる光のエネルギーは大きなものとなる。また、光の色は波長によって変化する。また波長は光のエネルギーが大きいほど短いものとなる。そのため、光の色は半導体のバンドギャップの大きさによって左右されることになる。バンドギャップは材料によってほぼ決まるので、放出される光の色は材料によって決まるといえる。下の表に、材料と光の色との関係を示した。

色 材料 material ピーク波長 wavelength接合構造

InGaN 450 量子井戸

ZnCdSe 489 ダブルへテロ

ZnTeSe 512 ダブルへテロ

GaP 555 ホモ接合

AGaInP 570 ダブルへテロ

InGaN 590 量子井戸

AlGaAs 660 ダブルへテロ

GaP(Zn-0) 700 ホモ接合

赤外

GaAs(Si) 980 ホモ接合

InGaAsP 1300 量子井戸

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0.92

6.895.87 6.48

0.18

1.35

0

0.8

1.6

2.4

5.6 6.0 6.45.2

0.5

1.0

2.0

5.0

Lattice constant [Å]

Bandgap

[eV

]w

avele

ngth

[μm

]

GaP

GaAs

InP GaSb

InSb

0.92

6.895.87 6.48

0.18

1.35

0

0.8

1.6

2.4

5.6 6.0 6.45.2

0.5

1.0

2.0

5.0

Lattice constant [Å]

Bandgap

[eV

]w

avele

ngth

[μm

]

GaP

GaAs

InP GaSb

InSb

半導体結晶の格子定数と禁制帯幅Lattice constants & band gap energies

c

hE

electron charge q is 1.602x10-19 [C],

Plank constant h is 6.626×10-34[J・s],

light velocity in vacuum c is

3×108[m/s].

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主な光デバイス半導体材料の格子定数とEg(=色)

Lattice constant [A]

Band gap energy[eV]

Lattice fitting is one of the most important factor for high quality crystal growth

Lattice mismatch will introduce serious crystalline defects into device structure.

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Trend of LED luminescent efficiency

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~mm-10mm

~100mm

(THz wave)

GaP

LiNbO

DAST

GaSe

ZnGeP

PbTe

PbSnTe

HgCdTe

医療応用生体分子スペクトロスコピー

励起・治療

リモートセンシング(Nox、CO2・・)非石英系ファイバー通信(超低損失)

IR

(infrared)

Visible light

UV light

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発光デバイス発光ダイオード(=PNダイオード)

Light emitting diode (LED) = PN diode structure

Minority carrier diffusion length of electron in p-type region is longer than that of hole in n-region,Thus light emission will enhanced at the p-side interface region of pnjunction.

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発光ダイオードの光損失Reduction of emitted light intensity inside the semiconductors

Light absorption within semi.

Fresnel reflection at the semi. Air interface due to refractive index difference

Total reflection phenomenon at the semi/air interface

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同種接合ホモ接合

異種接合ヘテロ接合

量子井戸構造

発光効率向上のための接合構造 Junction structures for improved luminescence

efficiency

電流狭さく構造光閉じ込め効果(屈折率大<屈折率小)

Confinement of

Current & light

Homo junction

Hetero junction

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発光ダイオード(LED)の高効率化

Double hetero junction structure

Enhancement of light emission efficiency of LED

Carrier confinement by potential barrierLight confinement by high refractive index of active region

No absorption of light within cladding layer of AlGaAs

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発光デバイス半導体レーザ

Spontaneous emission (natural) Stimulated emission

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

ConductionBand

Valenceband

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自然放出と誘導放出

Spontaneous emission & Stimulated emission

Phase of light is randomized not single frequency (wavelength)

Phase of light is single (coherent) Single frequency light

Spontaneous emission

Stimulated emission

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光学遷移確率

Optical transition probability

Spontaneous emission

Stimulated emission

Inter band absorption

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半導体レーザの共振器構造

Cavity of semiconductor laser

Total reflectionMirror

Partial reflectionMirror

Lasing media(lasing material)

Excitation light

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半導体レーザの構造=LEDとほとんど同じ

LD structure is almost the same as that of LED

Cladding layer

Cladding layer

Active layer

Ex.cleaving

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光(増幅)利得 g

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電子の反転分布(負の温度)

Condition for light amplification

Normal semi. condition Abnormal (inversion distribution of electrons)

Inversion distribution=Negative temperature FD distribution

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半導体レーザの光スペクトラム

Typical emission spectra of LD

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半導体レーザのビームプロファイル

Light beam profile from LD

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レーザビームの近視野像と遠視野像Near field and far field beam profiles of LD

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電流ー光室力特性(しきい値電流)

Threshold current for lasing

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低次元構造(量子井戸構造など)を用いたLD

Low dimensional structures for LDValence band is degenerated(light hole and heavy hole)Effective mass difference

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ストライプ構造のレーザ

Stripe laser diode (edge emitting diode)

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半導体レーザの構造例 (edge emitting laser)

Some tricky structure of LDApplication of amphoteric impurity site occupation difference between (111) sidewall and (100) surface

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面発光レーザ vertical cavity laser

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分布帰還形レーザ(Distributed FeedBack laser) :DFB laser波長選択性 波長可変半導体レーザ (tunable laser)

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白色発光ダイオード

White light LED

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長い

Operation principle of white light LED

Yellow light is emitted from the absorbed blue

or UV from LED, then the white light is

generated by the mixture of yellow and blue.

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Very interesting history of LASER invention

1917 Albert Einstein: Zur Quantentheorie der Strahlung(放射の量子論について)1928 Rudolf W. Ladenburg: stimulated emission & negative absorption1939 Valentin A. Fabrikant: prediction of light amplification1947 Wilis Ram R. C. Retherford: first appearance of stimulated emission (hydrogen emission)1950 Alfred Castlel: proposal of light pumping method1953 Charles Towns, James P. Gordon(Student), Herbert J. Zeiger: Microwave amplification by solid (MASER)1953 Von Neuman: idea of semi. Laser by private letters to friends1957 Yasushi Watanabe, Jun-ichi Nishizawa (TOHOKU Univ.): JP patent of semi. LASER(特公昭35-13787)

1957 James P. Gordon: idea of open light cavity (exp. Notes) evidence for patent !

1959 April James P. Gordon: USP of LASER but canceled1960 Theodore Harold Maiman: realization of LASER (AlO3:Cr LASER)1962 Robert N. Hall: GaAs IR LASER at 77K1970 Iwao Hayashi, Morton Panish: RT LD using double hetero junction1987 James P. Gordon was formally assigned as LASER inventor by US court