fra venstre: Kresten Yvind, David Larsson og Per Lunnemand Hansen

Transkript

1 fra venstre: Kresten Yvind, David Larsson og Per Lunnemand Hansen

2 Kapitel 3 Nanoteknologi i masseproduktion Halvledere, lasere og avancerede optiske komponenter af Kresten Yvind, David Larsson og Per Lunnemann Hansen Nanoteknologi defineres normalt som teknologi til at opnå fordelagtige egenskaber ved at lave strukturer mindre en 100nm. Dette er for øjeblikket et varmt emne, som i medierne ofte forbindes med ny og banebrydende teknologi. Ikke desto mindre har flere brancher arbejdet med nanoteknologi i årtier. Resultatet af dette arbejde er nu i masseproduktion, så du også hjemme har adskillige nanoteknologiske produkter. Eksempelvis er de mest avancerede elektronik-chips og de diodelasere der sidder i enhver DVD kritisk afhængig af, at vi kan fremstille ting med nanometers præcision. Alle de steder hvor vi som almindelige forbrugere har råd til at kommer i nærheden af lasere, f.eks. laser pointer, laser printere, DVD disc (nu Blue Ray disc), laser skanner (stregkodeskanner) og laser mus, er det et stykke avanceret nanoteknologi, nemlig halvlederlaseren, der leveret lyset. Endelig er halvlederlaseren, sammen med den optiske fiber og optiske halvlederdetektor, grundlaget for optisk kommunikation og dermed internettet. Grunden til den store popularitet af halvlederlaseren er den lille størrelse, høje effektivitet og at komponenterne udfører en direkte omformning mellem elektroner (strøm) og fotoner (lys). At halvlederlaseren er en effektiv omformer af elektrisk energi til lysenergi bruges ikke bare direkte som i anvendelserne ovenfor, men også som lysforsyning til store lasersystemer. Disse er reelt lysomformere, dvs. de tager lyset fra én lyskilde og laver det om til en anden, mere intens laserstråle, der så kan bruges til at skære i stål eller lignende. Halvlederlaseren er således for fotonikken, hvad strømforsyning-en er for elektronikken.

3 Chip med to lasere med forskellig bølgelængde. I laserne rekombinerer huller og elektroder (illustreret ved hvide og gule kugler) ved udsendelse af fotoner (hvide glimt).

4

5 kapitel 3 Nanoteknologi i masseproduktion Halvlederen Halvledere har fået deres navn, fordi de har egenskaber, der ligger mellem metallerne (der generelt er gode elektriske ledere) og isolatorer (f.eks. glas, der er en dårlig leder). Det er dog ikke så meget de rene halvlederes egenskaber, der er interessante, men mere det, at vi ved at tilsætte små mængder af andre atomer kan ændre ledningsevnen (det inverse af modstanden) dramatisk. Helt rene (intrinsiske) halvledere, og her snakker vi om hysterisk rene og perfekte krystaller, har en meget lav ledningsevne. Hvis vi f.eks. tager en silicium krystal og i et område udskifter 1/10000 af silicium atomerne med fosfor (der har en valenselektron mere end silicium) vil ledningsevnen stige otte størrelsesordener (10 8 )! Til sammenligning skal der typisk byttes mange procent af atomerne i et metal før vi ændrer ledningsevnen med en enkelt størrelsorden. Ved selektivt at bytte atomer i passende mønstre på en halvlederskive, kan vi lave ekstremt små elektriske kredsløb - en chip. En anden essentiel måde at ændre på ledningsevnen er ved at lægge et elektrisk felt henover halvlederkrystallen, der så vil tiltrække eller frastøde elektronerne i halvlederen. Dette kan gøres ved, at lægge en spænding på en metalkontakt, der er isoleret fra halvlederen ved hjælp af glas (SiO 2 ), og man har så en såkaldt felt-effekt transistor. Metal/ Oxide/Semiconductor (MOS) transistorerne er grundpillen i traditionel mikroprocesserteknologi, hvor den avancerede funktionalitet kommer af at millioner af disse simple transistorer forbindes til en funktionel chip. Hvis vi skal kigge lidt nærmere på halvlederne, er et naturligt første sted at kigge på den atomare struktur. Halvledere, der bliver brugt til elektronik og optik, er krystallinske materialer, dvs. atomerne ligger i et regulært mønster som kaldes zink-blende strukturen og er vist på Figur 3-1. Dette har betydning for energiniveauerne i materialerne. Hvor et atom har diskrete energiniveauer som illusteret på Figur 1-2 i kapitel 1 har halvlederkrystallen i Figur 3-1. Zinkblende krystalstruktur. Halvleder skiver er normalt enkeltkrystallinske, dvs. den fine regularitet gælder for (stort set) alle de atomer, der er i en typisk 5 cm diameter og 0.35 mm tyk skive. For silicium krystaller er alle atomerne naturligvis Si, mens de for de mere avancerede III-V halvledere alternerer mellem tredje og femte hovedgruppe i det periodiske system. For InP kunne de gule atomer være indium, mens de grå kunne være fosfor. stedet bånd. Med bånd forstås et kontinuum af tilladte energiniveauer (valensbåndet), efterfulgt af et energi-område, hvor ingen tilladte niveauer eksisterer, som efterfølges af et nyt kontinuum af tilladte energier (ledningsbåndet).. Som for frie atomer fyldes elektroner ind med lavest energi først, og i en ren halvleder vil alle elektrontilstande i det nederste bånd (valensbåndet) være fyldte, mens det øverste bånd (ledningsbåndet) er tomt. Afstanden i energi mellem valens- og ledningsbåndet kaldes båndgabet. Skal en elektron kunne bevæge sig i krystalen, skal den kunne hoppe fra elektrontilstand til elektrontilstand. Er en tilstand optaget af en anden elektron kan denne ikke benyttes. Eftersom der ikke er frie tilstande i valensbåndet kan elektronerne således ikke bevæge sig og materialet vil derfor være isolerende som angivet ovenfor for den rene halvleder. Hvis vi tilsætter (doterer) atomer med ekstra elektroner, vil de blive anbragt i 54

6 Nanoteknologi i masseproduktion Kapitel 3 a Guld kontakt (forbindelse til p-doterede lag) Polymer (isolator) Højderyg (p-doteret) Aktive lag (udoteret) Substrat (n-doteret) på den frie plads. Dette vil følgelig efterlade et nyt sted med en manglende elektron, så den frie plads kan bevæge sig i materialet.den manglende elektron kaldes et hul, er positivt ladet og materialet kaldes derfor p-doteret. Vi kan således lave to typer halvledere p- og n-doteret materiale, der begge kan lede strøm. Bund kontakt til n-doterede lag Energi / ev b polymer n 1,6 optisk feltfordeling c n-doteret InP d Elektroner 2 µm n = 3.17 n-doteret InP n 3,17 Højderyg Position / µ m polymer n 1,6 se detalje i figur 3-2dc intrinsiske aktive lag n i p Aktive lag n 3,3 p-doteret InP kvantebrønd ledningsbånd valensbånd H uller Udsnit gennem aktivt lag som vist med boksen i figur 3b Energilandskab langs med den stiplede linie Figur 3-2. Skematisk tegning af halvlederlaser. a) tegning af hele laseren b) Laseren set fra enden. Lyset befinder sig under højderyggen hvor der effektivt er de højeste brydningsindeks. c) udsnit fra b), der viser p og n doteringen. d) Energilandskab gennem n-i-p strukturen ledningsbåndet, hvor der er mange frie tilstande, og de kan således bevæge sig og lede strøm, dvs. ledningsevnen går op. Da elektroner har negativ ladning kaldes den type halvleder for n-doteret. Vi kan også tilsætte et atom med en valenselektron mindre end det atom det erstatter, f.eks. bor i silicium. Dette vil frigøre en plads nede i valensbåndet, hvilket gør at en elektron nu kan hoppe over Optiske processer i halvledere På er vi primært interesseret i at lave optoelektroniske komponenter, dvs. komponenter der vekselvirker kraftigt med lys og kan kontrolleres elektrisk. Ligesom for atomer er der tre grundlæggende optiske processer i halvledere: Absorption, spontan emission og stimuleret emission (se Figur 1-2 i kapitel 1). Absorption kan ske ved, at en fotons energi overføres til en elektron i materialet og elektronen exiteres så fra valensbåndet op til ledningsbåndet. Udover at det skaber en fri elektron, dannes også et frit hul i valensbåndet. Hvis halvlederen har frie elektroner og huller, vil de samles dér hvor de har mindst energi, dvs ved båndkanten, hvor de kan rekombinere under udsendelsen af en foton. Det kan enten ske spontant (se også kapitel 2) eller stimuleret af en anden foton. Sidstnævnte tilfælde er mest interessant, idet den dannede foton er identisk med den oprindelige foton, og vi har således en lysforstærker, der danner grundlaget for laseren (betegnelsen LA- SER kommer af det engelske Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Absorption og stimuleret emission er grundlæggende lige sandsynlige processer, der dog afhænger af, hvor mange elektroner og huller, der er tilgængelige. Normalt vil sandsynligheden for absorption være størst, eftersom der ikke vil være mange frie elektroner og huller i materialet. Det, at vi ved at sende en strøm igennem halvlederen kan få lys ud, er netop, hvad der adskiller disse halvleder lasere fra dyrere lasere baseret på atomovergange, der skal pumpes optisk. For at få en 55

7 Kapitel 3 Nanoteknologi i masseproduktion Figur 3-3. Det meste af III-V halvleder familien, her vist i et koordinatsystem af gitterkonstanten og halvlederens båndgab. Båndgabsenergien (E g ) er både vist med enheden elektronvolt (1eV= J) og bølgelængden ( ) for en foton med båndgabsenergien ( =hc/e g, hvor h er Planck s konstant og c er lyshastigheden i vacuum). Med stiplede linier er angivet gitterkontanten for typiske substrater. stor koncentration af både elektroner og huller i det aktive område af halvlederen er det dog nødvendigt at lave en såkaldt p-n overgang. Dette betyder, at man hul-doterer området på den ene side af det lag, hvor lyset skal udsendes og elektrondoterer på den anden side som vist på Figur 3-2c og d. Ved nøje valg af materialer kan der skabes brøndlignende energistrukturer (se Figur 3-2d), som betegnes kvantebrønde. Elektroner og huller injiceres fra hver sin side og samles i kvantebrøndene i så stort tal, at sandsynligheden for stimuleret emission er større end sandsynligheden for absorption. I dette tilfælde benævnes halvlederen som værende inverteret. Dette betyder altså at der er en netto forstærkning af lys, hvilket er en forudsætning for laseren. Injektion af huller og elektroner kan også skabe store mængder spontan emission og anvendes i lysdioder, der således udsender lys med en farve i et lille område givet ved den termiske fordeling af elektroner og huller omkring båndgabet i halvlederen Halvledermaterialer og farver Silicium er det primære materiale til computerchips. Silicium kan dog også absorbere lys og anvendes eksempelvis i kameraer til synligt lys. Desværre kan silicium ikke effektivt udsende lys, og man er derfor nødt til at bruge sammensatte halvledere, for eksempel galliumarsenid (GaAs) eller indiumfosfid (InP), hvis man vil lave lasere og lysdioder. På Figur 3-3 er vist gitterkonstanten og båndgab for forskellige III-V halvledere. Gitterkonstanten er størrelsen på enhedscellen for krystallen, dvs. den mindste enhed som krystallen er bygget op af. For zink-blende strukturen er der 8 atomer per enhedscelle. Når man laver sin optiske halvlederkomponent, sker det ved, at man dyrker lag af 56

8 Nanoteknologi i masseproduktion Kapitel 3 den halvleder man vil bruge på et substrat dvs. en skive af en krystal (se faktabox: Krystaldyrkning). Som grundregel kan man kun dyrke halvledere med nogenlunde den samme gitterkontant som substratet. På Figur 3-3 ses en streg mellem GaN og InN som repræsenterer legeringen In 1-x Ga x N, hvor x går fra 0 til 1. Tallet x repræsenterer, hvor stor en del af kolonne III atomerne, der er gallium. Det vil altså sige, at vi kan fremstille en halvleder med et hvilket som helst båndgab (dvs. farve på det udsendte lys) mellem GaN og InN hvis vi vel at mærke ikke bekymrer os om gitterkonstanten, der i dette tilfælde også ændres. Denne frihed til at vælge farve er en væsentlig forskel i forhold til de fleste atomlasere f.eks. Helium-Neon laseren, hvor bølgelængden er fast typisk 633nm. De mest almindelige substrater er GaAs og InP, men også InAs, InSb og Al 2 O 3 (safir) er tilgængelige kommercielt. Sidstnævnte har nogenlunde samme gitterkontant som GaN og anvendes eftersom GaN substrater er vanskelige at fremstille. Af Figur 3-3 kan det eksempelvis ses, at den kendte røde laser, vi kender fra laser-pointere, stregkodelæsere og DVD afspillere, kan laves af legeringer af Al x Ga 1-x As. Denne legering er meget nem at arbejde med eftersom den for alle sammensætninger (x) har stort set samme gitterkonstant og derfor kan dyrkes på GaAs substrater. Til telekommunikation, hvor man ønsker bølgelængder fra 1300nm-1600nm (se kapite 5 om optiske fibre), benyttes InP substrater og typisk In 1-x Ga x As y P 1-y legeringer, der, som det ses af Figur 3-3, kan have båndgab alle steder mellem 900nm (InP) og 1650nm (In Ga As) med InPs gitterkontant. Det nyeste materialesystem er Al 1-x-y In y Ga x N legeringerne, der f.eks. bruges til de violette lasere, der sidder i HD-DVD og Blue-ray afspillere, hvor den korte bølgelængde (~400nm) gør, at man kan fokusere laserstrålen i en mindre plet og derfor Figur 3-4. GaAs skive med fotonisk krystal overfladeemitterende lasere fra det danske firma Alight Technologies. Disse lasere kombinerer mange grene af nanoteknologi og kan produceres i store styktal. pakke meget mere data på den samme plads. Lysdioder laves også af halvlederlegeringer. Eksempelvis er de nye blå lysdioder lavet af In x Ga 1- N krystaller. Lyset fra lysdioder er som nævnt x spontan emission fra halvlederen og vil derfor altid have en smal spektralfordeling (farvespredning) som ligger omkring båndgabet. Dette står i kontrast til f.eks. en glødelampe, hvor lyset kommer fra et tråd der er opvarmet til ca grader celsius og som afgiver et kontinuert spektrum, der dækker det meste af det synlige spektrum ( nm) og videre ind i det infrarøde område >800nm. Hvide lysdioder er således principielt ikke mulige eftersom hvid består af alle farver. I praksis laves de hvide dioder eksempelvis som blå lysdioder, hvor en del af lyset rammer et flourescerende stof, der omdanner de blå fotoner til gule fotoner og overskudsvarme. De gule fotoner stimulerer de grønne og røde receptorer i øjnene og i kombination med den oprindelige blå opfatter vi lyset som hvidt. På trods af energitabet ved omformningen, er hvide lysdioder allerede nu lige så energieffektive som de bedste sparepærer. En anden mulighed for at lave hvid er at kombinere en rød, grøn og blå lysdiode. Dette er noget mere kompliceret, men giver mulighed for, at man kan 57

9 Kapitel 3 Nanoteknologi i masseproduktion styre farven på lyset til hygge, læsning og fest og er et godt bud på fremtidens energieffektive belysning i hjemmet. Diodelaseren Grundprincipperne bag laseren er beskrevet kapitel 7. For at lave en halvleder laser, skal vi have et lysforstærkende medium, der kan laves med noget lavbåndgabsmateriale i en pn-overgang (se Figur 3-2d). Ligeledes skal vi bruge noget tilbagekobling, som kan laves med en bølgeleder og nogle spejle (se Figur 3-2a). Eftersom forstærkningen i halvledere er ekstremt høj, eksempelvis en faktor 1000 på 0,5 mm, kan vi nøjes med lavt reflekterende spejle. Typisk kløves krystallen bare og den atomart flade krystalende bruges som spejl. På grund af den store forskel i brydningsindex (n luft ~1, n halvleder ~3,5) giver krystalenden en refleksion på 31%, hvilket er nok for halvlederlaseren. Udover spejlene skal der også være en bølgeleder til at sikre at fotonerne holdes der, hvor der er lysforstærkning og ikke mistes til alle sider. I det lodrette plan (Figur 3-2b) er vi så heldige at det lysforstærkende materiale, og det der ligger lige omkring det, har højere brydningsindeks end substratet. Lyset vil således automatisk koncentreres i dette område (se kapitel 5). I det vandrette plan (Figur 3-2c) er vi nødt til at gøre noget yderligere. En måde at lave bølgelederen på er med forhøjningsstrukturen, der er vist på Figur 3-2. Her har vi erstattet noget af halvlederen med et polymermateriale, der har lavere brydningsindeks en den p-doterede højderyg. Lyset vil derfor effektivt se et højere brydningsindeks under højderyggen og vi har en bølgeleder. Udover at vi har styr på lyset, giver en kontakt på toppen af højderyggen mulighed for at vi kun sender strøm igennem det område, hvor lyset er, så der ikke spildes elektroner. Figur:3-5. Elektron mikroskop billede af laserstruktur. Sammenlign med Figur 3-2a. For at fremstille laseren (Figur 3-2) skal vi kunne dyrke en skive med et n-doteret lag, et bølgelederlag med lysforstærkning og et p-doteret lag. Dette gøres med et MOVPE krystaldyrkningsanlæg (se faktaboks). Herefter skal bølgelederen defineres og det gøres i et renrum med fotolitografi (se faktaboks 1), hvor en 2 m stribe først defineres i fotoresist og herefter ætses ned i halvlederen til en veldefineret dybde over bølgelederlaget. Endelig deponerer vi først et polymerlag og herefter metalkontakter både på top og bund af chippen. Den såkaldte wafer, der indeholder mange tusinde lasere, knækkes op i individuelle lasere som der sættes ledninger på. Det endelige resultat er en laser som vist på Figur 3-5. Et andet eksempel på lasere er vist på Figur 3-4. Her er det lasere, der sender lys ud vinkelret på skiven ved at man i krystaldyrkningen har lavet spejlene omkring forstærkningsmaterialet. Grundet den vinkeltrette orientering kaldes disse VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) På billedet er det den runde grønne plet i midten af forstørrelsen, der er laseren. Resten er kontakter. På en 10 cm diameter GaAs skive er der lasere. Det store antal lasere på en skive forklarer hvorfor prisen er relativt lav på basis af de avancerede processer, der indgår i fabrikationen. Selvom den enkelte skive er dyr at producere giver det store styktal pr. skive lave 58

10 Nanoteknologi i masseproduktion Kapitel 3 FAKTABOKS 1 Rentrummet - Atomsløjdlokalet Fabrikation af chips foregår i såkaldte rene rum (se f.eks. Figur 3-6), dvs. rum hvor mængden af støvpartikler i luften er stærkt reduceret (en faktor 1000 eller mere). Den primære grund til, at man er nødt til at begrænse mængden af støvpartikler er, at fotolithografi bruges til at definere strukturerne på halvlederskiverne. Ved fotolithografi lægges et tyndt lag af en tyktflydende væske, fotoresist, på skiven. Fotoresist har den egenskab, at hvis den belyses af ultraviolet lys kan den opløses i en base. Ideen er så, at en glasskive med et mønster i metal (en maske) lægges oven på skiven, så resisten kun belyses i udvalgte områder. I områderne hvor resisten er fjernet, kan vi så ætse materiale væk, lægge metaller på eller lignende og på den måde definere et stort antal lasere eller transistorer på én gang. I et almindeligt rum vil der på kort tid lande mange hundrede støvpartikler på skiven, og de vil så fungere som en maske og dermed ændre mønsteret. Er rummet altså blot rent nok, er fotolithografien effektiv til at definere mange komponenter på én gang, men ulempen er at størrelsen af komponenterne er begrænset af diffraktion af lyset. En måde at komme omkring dette problem er at benytte en elektron stråle istedet. Ulempen ved denne metode er, at hver komponent skal skrives individuelt og prisen derfor bliver høj. Renheden i arbejdsrummene opnås dels ved konstant filtrering af luften, dels ved begrænsning af partikler, der bringes ind i rummet. Filtreringen sker ved, at der hele tider cirkuleres luft i rummet ind gennem fine filtre i loftet og ud igennem eller ved gulvet. Filtrering er dog ikke meget værd, hvis der hele tiden genereres nye partikler. Her er det os mennesker, der er den største støvkilde, med mange millioner partikler fra hud, hår og tøj, hvis vi ikke passer på. Alle skal derfor pakkes ind som vist i Figur 3-6 med heldragter, hætte, støvler og handsker for at beskytte rummet. I industriens produktionsrenrum kan det være mere ekstremt med ansigtsmasker og i de nyeste chipfabrikker er det kun robotter, der får lov til at håndtere halvlederskriverne, og mennesker kommer kun ind, når maskinerne fejler. Det er også klart, at alle materialer, der bruges i renrummene, er nøje udvalgt; eksempelvis er støvende papir og blyant bandlyst. Figur 3-6. Studerende i DANCHIP renrummet på DTU. De følger et kursus hvor de teoretisk lærer at forarbejde III-V halvledere, samt rent praktisk fremstiller og tester nogle hundrede lasere hver. 59

11 Kapitel 3 Nanoteknologi i masseproduktion FAKTABOKS 2 Krystaldyrkning Atomlego for ingeniører. Et af de grundlæggende værktøjer i halvleder fotonikken er brugen af krystaldyrkning til at lave det atomlandskab, der giver den mest effektive komponent. Et eksempel på en praktisk struktur ses i Figur 3-7, hvor lag af forskellige legeringer styrer elektronernes bevægelser. For at halvlederen virker, skal krystallen være perfekt, dvs. alle atomer skal ligge i zinkblende krystalstrukturen. Et atom, der mangler eller ligger forkert, kaldes en defekt og vil lede til tab af elektroner og huller. Det er således store krav der stilles, når vi ønsker at lave vores egen atomsammensætning i krystallen. Heldigvis kan vi udnytte fysikken og kemiens love, der under de rette betingelser sikrer, at vi kan lave perfekte krystaller. Den mest almindelige krystaldyrkningsmetode i industrien hedder metalorganisk dampfase epitaxi (eng: MOVPE), hvor atomlagene deponeres ved hjælp af en kemisk reaktion på overfladen af et substrat, f.eks. en InP skive. Skiven holdes ved en temperatur på omkring 650 Celsius og metalorganiske forbindelser af de ønskede kolonne III-atomerne eksempelvis trimetylindium (CH 3 ) 3 In og fosfin (PH 3 ), der er en gasser, ledes i meget kontrollerede mængder henover substratet, hvor de reagerer og danner InP. Under de rette betingelser dannes det nye krystal atomlag for atomlag. Det er således muligt, ved at styre gasstrømningerne meget præcist og skifte mellem forskellige gasser, at lave skift i atomsammensætningen med atomlags præcision. Dette kan bruges til at lave nøjagtig det nanoskala landskab for elektronerne og hullerne, som vi ønsker. Eksempelvis kan vi lave et tyndt (7nm) lag af materiale med lille båndgab i et materiale med højt båndgab se Figure 3-7. På denne måde kan vi kontrollere, hvor Figur 3-7. samme Figur som 3-2d, men her med angivelse af de legeringer, der skal dyrkes.. 60

12 Nanoteknologi i masseproduktion Kapitel 3 elektroner og huller samles. Injicerede elektronerne vil søge mod den lavest mulige energi, hvorimod huller vil søge mod den maximale energi i valensbåndet. Gøres strukturene meget små, træder kvanteeffekter i kraft, som både kan ændre bølgelængden samt effektiviteten af laseren. Kvanteeffekter optræder, når elektronerne begrænses til et område, der er mindre end de Broglie bølgelængden, der for de frie elektroner i halvlederen er gennemsnitlig ca. 30nm. For praktisk anvendelse kræves, at vi kan deponere materiale meget ensartet over store arealer for at alle laserne er ens. Ikke bare skal forholdet mellem atomerne kontrolleres præcist, vi skal også styre tykkelserne med få atomlags præcision, eftersom ovennævnte kvanteeffekter betyder, at bølgelængden afhænger af begge dele. En kvantebrøndslaser, der skal udsende lys med en bølgelængde på 1530nm, kunne f.eks. bruge et 7,3nm tykt lag af In Ga As i en InP krystal. Denne tykkelse svarer til ca. 25 lag af III-V atomer. Hvis laget nogle steder kun er 6,3nm tykt, vil lyset fra laseren i stedet lyse ved 1500nm og dermed muligvis være ubrugelig. Med moderne udstyr (se Figur 3-8), der er optimeret ved avancerede computersimuleringer haves den nødvendige kontrol. Ved én af de nyere anvendelser af krystaldyrkning, deponerer man et materiale med en meget anderledes gitterkontant en substratet eksempelvis InAs på GaAs (se fig 3-3). I dette tilfælde vil det være energimæssigt fordelagtigt for atomerne at danne øer i stedet for lag (ligesom vandperler på et blad). Disse øer af materiale med lavt båndgab kaldes kvantepunkter eller kunstige atomer, hvor elektronerne og huller holdes tæt sammen og den lille dimension giver kvanteeffekter i alle tre dimensioner. Egenskaberne af disse er beskrevet nærmere i kapitel 2. Figur 3-8. MOVPE krystaldyrkningsmaskine på DTU. Maskinen kan med atomlags nøjagtighed og høj uniformitet deponere valgfrie kombinationer af Al, Ga, In, As og P atomer med Si, Zn og C dotering. 61

13 Kapitel 3 Nanoteknologi i masseproduktion priser. Det er rendyrket masseproduktion. Den første chip koster mange millioner (milliarder for Intels mikroprocessorer), mens nummer to koster meget lidt. Avancerede optiske komponenter Langt størstedelen af de optoelektroniske komponenter, der sælges i dag, er chips med kun én laser, modulator (optisk kontakt), fotodiode eller forstærker på. Denne umiddelbare simplicitet står i kontrast til elektronikken, hvor der er typisk mange millioner transistorer pr. chip. En væsentlig årsag til denne forskel er simpelthen, at materialerne med mange forskellige atomer i meget præcise strukturer i sig selv er meget udfordrende at fremstille. Det er dog også sådan, at de forskellige optoelektroniske komponenter er ret forskellige i struktur hvilket igen adskiller sig fra de ret simple transistorer. Integration af forskellige optiske funktionaliteter er et meget aktivt forskningsfelt, hvor naturligvis også er med i front. Til telekommunikationsformål er det for nyligt (i 2004) blevet muligt at købe chips med 10 lasere ved forskellige bølgelængder, der samles tabsfrit til en enkelt fiberudgang. En sådan senderchip med den tilhørende modtagerchip øger mængden af data, der kan sendes på fiberen med en faktor 10. Ligeledes vil en integreret chip med en pulset laser, kombineret med forsinkelse og modulatorer kunne bruges indenfor optisk tidsdivisionsmultiplekset transmission, som beskrevet i kapitel 10. Hvor optisk teknologi i dag er enerådende til at transmittere store mængder data over store afstande, vil vi i fremtiden sandsynligvis også se optiske forbindelser direkte på og til computerchips. Her vil man fortsat bruge elektronernes kraftige vekselvirkning med hinanden til at lave transistorerne (logikken). Den kraftige vekselvirkning betyder dog samtidig, at elektronerne er dårlige til at overføre information ved høj hastighed over lange afstande, der i chipverdenen er afstande på få millimeter. Fotoner derimod, vekselvirker ikke med hinanden og vekselvirker kun kraftigt med materialet, når vi ønsker det. Indledningsvis vil det være klokke-signalet, dvs. den taktstok der bestemmer, hvornår beregningerne i chippen foretages, som vil blive fordelt optisk. Senere vil det være kommunikationen mellem de mange kerner (processorer) på chippen og ud til den eksterne RAM der vil blive optisk, hvis planerne fra Intel, IBM etc. bliver til virkelighed. Ovenstående relaterer sig til transport af information, men avancerede laserchips har også mere visuelle anvendelser. Der arbejdes eksempelvis intenst på at lave små projektorer bestående af en chip med en rød, grøn og blå laser, der dirigeres rundt med små mikrospejle. Når den er realiseret, kan vi droppe displayet på mobil-telefonen, men i stedet benytte en nogenlunde plan flade til at vise videobilledet af kæresten, dit yndlings TV program eller lignende. Der er således udfordringer i halvlederoptoelektronikken til de næste mange årtier for nuværende og kommende ingeniører. Du har mulighed for at være med. Vi ses. 62

14 Nanoteknologi i masseproduktion Kapitel 3 Kresten Yvind, Lektor David Larsson, Post. Doc. Per Lunnemand Hansen,,Ph.d. studerende 63