Optoelektronische Halbleiterbauelemente · • J. Singh, „Semiconductor Devices – An...
17
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As 1 20.10.2016 Optoelektronische Halbleiterbauelemente • Vorlesung: Donnerstag 14:00-15:30 • Übungen: Mittwoch 12:00-13:00 • Prüfung: mündliche Prüfung Im Rahmen der Veranstaltung sollen die physikalischen Grundlagen und die Funktionsweise wichtiger optoelektronischer Bauelemente erläutert werden.
Transcript of Optoelektronische Halbleiterbauelemente · • J. Singh, „Semiconductor Devices – An...
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
1 20.10.2016
Optoelektronische Halbleiterbauelemente
• Vorlesung: Donnerstag 14:00-15:30
• Übungen: Mittwoch 12:00-13:00
• Prüfung: mündliche Prüfung
Im Rahmen der Veranstaltung sollen die physikalischen Grundlagen und die Funktionsweise wichtiger optoelektronischer Bauelemente erläutert werden.
2
Dozent
• Prof. Dr. Donat J. As
• AG Optoelektronische Halbleiter – Gruppe III-Nitride
• Büro: P8.2.10
• E-Mail: [email protected]
• Sprechzeiten: Nie und immer!
• http://physik.uni-paderborn.de/as/
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
3
AG optoelektronische Materialien und Bauelemente
• Labors und Büros im P8 Gebäude
• großer Reinraumbereich
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
4
AG Optoelektronische Halbleiterbau-elemente – Gruppe III-Nitride
• kubische Gruppe-III-Nitride für optische und elektronische Anwendungen (Prof. Dr. Donat As)
• Gruppe-III-Arsenide und -Antimonide für optische und elektrische Anwendungen ( Prof. Dr. Dirk Reuter)
AG optoelektronische Materialien und Bauelemente
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
5
Molekularstrahlepitaxie
Ga
As
Al
InC
Si
HeizungShutter
SubstratheizungSubstrat
UHV-Kammer UHV-Verfahren Atomlagen-
genaue Kontrolle der Schicht-dicken
Reinheiten von 0,1 ppb können erreicht werden
sehr gute laterale Schichthomo-genität
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
oder N-Plasma-Source
6
Kubische Gruppe-III-Nitride
• Forschungsschwerpunkt: kubische Nitride - sind nicht die Gleichgewichtsstruktur - keine eingebaute el. Felder
• Plasma-assisted MBE • Quantenfilmstrukturen
• Mikrostrukturen
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
7
InAs/GaAs/AlAs-Heterostrukturen (AG Reuter)
0,5µm
• Forschungsschwerpunkt: InAs-Quantenpunkte - durch 3D-Ladungsträgereinschluss bekommt man atomar scharfe Energieniveaus - „künstliche Atome“
• Charakterisierung durch C-V-Spektroskopie, SEM, AFM und optische Methoden
• µ-LEDs als Einzelphotonenemitter • Quantendrähte als Einzelphotonendetektor
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5
44.0
44.5
45.0
45.5
46.0
46.5
T = 4.2 K
capa
citan
ce [p
F]
gate voltage [V]
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
8
Optoelektronik
Strom rein Licht raus
Licht rein Strom raus, Spannung raus
• Verknüpfung der Welt der Optik und der Welt der Elektronik!
• Allergrößtenteils auf Halbleiterbasis (und Isolatoren für nichtlineare Effekte)!
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
9
Optoelektronik LEDs
RCLEDs
Laser
Detektoren
Optische Netzwerke
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
10
Optoelektronik
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
11
Inhalt I
Licht emittierende Dioden (LEDs): • Materialsysteme für LEDs • Arbeitsweise einer LED • Externe Quanteneffizienz • Fortschrittliche LED-Strukturen • Leistungsmerkmale einer LED • Farbempfindlichkeit, • Farbanpassungsfunktionen • Weiße LEDs • RCLEDs
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
12
Inhalt II (vorläufig) Laserdioden • spontane und stimulierte Emission • die Laserstruktur - der optische Resonator • optische Moden in einem planaren Wellenleiter • der optische Confinement Faktor • optische Absorption, Verluste und Verstärkung • Laser unterhalb und oberhalb des Schwellwerts • Ratengleichungen • Fortschrittliche Strukturen (elektr. Eigenschaften) • Doppelheterostrukturlaser • Quantum-Well-Laser (GRINSCH) • Quantum-Draht und Punkt-Laser • Fortschrittliche Strukturen (optische Eigenschaften) • gain und index geführte FP-laser • DFB (distributed feedback)-laser • Oberflächenemittierende Laser (VCSEL) • Kaskadenlaser
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
13
Inhalt III (vorläufig) Optoelektronische Detektoren • optische Absorption in Halbleitern • Materialen für optische Detektoren • Photoleiter • P-I-N Photodetektor • Lawinendurchbruchsphotodetektor (APD) • Phototransistor • Metall-Halbleiter Detektor • Quantum-Trog-Intersubband-Detektor • fortschrittliche Detektoren • Modulationsverfahren (AM, FM, IM) • Rauscharten • Detektionsgrenze und Rauschen • Verstärkerempfänger • digitale Empfängerempfindlichkeit • Heterodynverfahren
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
14
Voraussetzungen
Kenntnisse aus
• Physik A-D
• theoretischer Physik
• Festköperphysik
• Halbleiterphysik
sollten vorhanden sein.
Falls Fragen sind, bitte stellen. Die ein oder andere Zwischenerklärung können wir uns leisten!
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
15
Literatur I
J. Singh, “Semiconductor Optoelectronics“ LEDs: • E.F. Schubert, „Light–Emitting Diodes“ Laserdioden: • S.L.Chuang, „Physics of Optoelectronic Devices“ • J. Singh, „Optoelectronics – An Introduction to
Materials and Devices“ • G.P. Agraval and N.K. Dutta, „Semiconductor Lasers“ • H. Kessel, „Semiconductor Lasers and
Heterojuntion LEDs“ • H.C. Casey, Jr. and M.B. Panish, „Heterostructure Lasers“ • P.S. Zory, Jr. „Quantum Well Lasers“ • K. Petermann, „Laser Diode Modulation and Noise“
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
16
Literatur II Optische Nachrichtentechnik: • G.P. Agrawal: „Fiber-Optic Communication Systems“ • K.J. Ebeling: „Integrierte Optoelektronik“ • H.P. Zappe: „Introduction to Semiconductor Integrated Optics“ Allgemeine Halbleiterphysik: • S.M. Sze, „Physics of Semiconductor Devices“ • J. Singh, „Physics of Semiconductors and their Heterostructures“ • J. Singh, „Semiconductor Devices – An Introduction“ • O. Manasreh „Semiconductor Heterojunctions and Nanostructures“
Skript: Vorlesungsfolien können von der Homepage als pdf files heruntergeladen werden.
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
17
II-VI-Halbleiter für die Quanteninformationsverarbeitung
• Forschungsschwerpunkt: F in ZnSe Quantenfilmen - flache n-Typ Störstelle - Donorgebundenes Excition als Quantensystem
• Mirkostrukturen für integrierte Optik
• Quantenoptische Messungen
Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As
20.10.2016
