GaN-basierende Mikro- und O. Ambacher V. Cimalla ... · einer AlN/Si-Heterostruktur. Strukturierung der Au-Schicht. Anisotropes Ätzen der AlN-Schicht. Unterätzen des Resonatorbalkens

Master: Mikro- und Nanotechnologienhttp://www.tu-ilmenau.de/imn

Technische Universität Ilmenau

GaN-basierende Mikro- und Nanosysteme

Institut für Mikro- und Nanotechnologien

O. AmbacherV. CimallaV. LebedevG. EckeK. TonischF. WillM. NiebelschützM. AliG. KittlerB. LübbersCh. WangD. ChengerJ. PezoldtT. Stauden


Besondere Eigenschaften der Gruppe-III-Nitride

Spontane und piezoelektrische Polarisation

GaN-basierende Sensoren

Sensoren für Nano-Tröpfchen

Mikromechanik und Aktorik mit AlN

Resonatoren

InN für THz-Generation

THz-Strahlung

Anwendungen und Visionen

Klasse-S Verstärker

Detektion biochemischer Reaktionen

Wiegen von Zellen

Inhalt und Motivation


1 nm

1 m

10 km

Quadrat-Nanometer


2.44 m7.32 m

100 m

10 m

10 mμ

Quadrat-Nanometer


Wichtige Grundlagen:


Piezoelektrische Polarisation

PPP

Eext.E ext.Eext.

E c

P

P

P =0

Dielektrische Materialien:Polarisation in Anwesenheiteines elektrischen Felds(z.B. Quartz)

Ferroelektrische Materialien:Polarisation zeigt eineHysterese,(z.B. BaTiO ).3

Pyroelektrische Materialien:Polarisation auch ohne einäußeres elektrisches Feld,

(hexagonale Gruppe-III-Nitride).Spontane Polarisation

Pyroelektrische Materialien sind auch immer piezoelektrisch.

Ferroelektrische Materialien sind pyro- und piezoelektrisch.

SP

SP

SP


GaN AlNP(GaN) P(AlN)

++

E = - Pε εo

=Ud

Spontane Polarisation

N

N

NN

N

Al

Al-N

Al-N

a

c

Strukturelle Ursachen für das Entstehen der spontanen Polarisation!


GaNGaN

AlNAlN

+σ

+σ

−σ−σ

+σ

+σ+

+

-

P

P

AlN/GaN-Heterostruktur

GaN E = Pεε 0

-PPPE

PSP

+ + + + + + ++

- - - - -- --+

+

- -

-σ

+σ

dPolarisations induzierte Grenzflächenladungen


2-dimensionale Elektronengase

Entstehung eines polarisationsinduzierten 2DEGs.

2DEG

GaNGaN

AlNAlN+σ

-σ

+σ

+ +OO


Flächenladungsdichte

0.1 0.2 0.3 0.4 0.50 0.6Al-Konzentration x

10

10

10

10

11

12

13

14

)P + (P σe PESP

Al Ga N/GaN20-30 nm/2000 nm

x 1-x

10

10

10

10

11

12

13

14

105 15 25 3520 30 400Barrieren-Dicke [nm]

2DE

GF

läch

en

lad

un

gsd

ich

te[c

m]

2D

EG

Flä

ch

enla

du

ng

sd

ich

te[c

m]

x = 0.45

x = 0.30

x = 0.15

-2-2

Variation der Elektronen-Flächenladung durch Änderung des Al-Gehalts und der Dicke der AlGaN-Barriere.


Oberflächen-Donator

2D

EG

Ga-face

+σGaN

E D+

0

0.5

1.0

1.5

-0.5

Tiefe [nm]0 10 20 30 40 50 60 70

Al Ga N0.3 0.7

0

1

2

3Ga-faceAlGaN

LBK

+σGaN

ED0

0.5

1.0

1.5

-0.5

Tiefe [nm]0 10 20 30 40 50 60 70

0

1

2

3L

eitu

ngsb

and

kan

te[e

V]

Lei

tun

gsb

and

kan

te[e

V]

[10

cm]

19

-3E

lekt

rone

nko

nze

ntr

atio

n

[10

cm

]1

9-3

Ele

ktro

nen

kon

zen

trat

ion

Mit Sauerstoff besetzte Oberflächenzustände wirken als Donatoren.


AlGaN/GaN-Mikrostrukturen für die Sensorik?


Ionen-Sensor

Ga-face

2DEG

GaNAlN

Al O2 3

-σ-σ

-σ

+σ

+σT

i/Al

SiN x+ ++-

-

-

--

--

-flux

0 100 200 300 400 500Zeit [s]

Ele

ktr

on

en-F

läch

en

dic

hte

[cm

]-2

10

10

10

10

10

1014

13

12

11

10

9

- -+

Al Ga N0.3 0.7

Jegliche Manipulation der Oberflächenladung hat Einfluss auf das 2DEG.


2DEG 2DEG

GaN GaN

AlN AlN

GaN GaN

GaN Ox y

Oberflächenoxid

Kontrollierte Bildung eines Oberflächenoxids.


Wasserstoff-Sensor

Ga-faceTi/AlPt

2DEG

GaNAlN

AlGaN

Al O2 3

-σ

-σ

+σ

+σ

trockene Luft + Testgas

Pt

2DEG

AlGaN

GaN

-+

H2

O

Str

om

än

der

un

g

[mA

]

Zeit [min]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 20 40 60 80

H -Konzentration in ppm2

100

30

500

1600

AlGaN/GaN-Heterostruktur als Sensor für Wasserstoffgas.

Industrie-Partner:


„Herzschlag“

Elektrokardiogramm eines Clusters aus schlagenden Herzzellen.

APL 86 (2005) 33901.

0 2 4 6 8 10 12 14

-40-20

0204060

Zeit [s]

f = 1.7 Hz

Δμ

V

[

V]

DS


2DEG2DEG

H O3+

protonizeddeprotonized

OH-

Protonierte Oberfläche

Säure Base

2DEG reagiert auf die Protonierung oder Deprotonierung der Oberfläche.


pH-Sensor


Sensitivität, Selektivität

Zeit [s]0 100 200 300

0.53

0.54

0.55

0.56

0.57

Sou

rce-

Dra

in S

tro

m

[mA

]

U = 1.0 VU = 0.0 V

DS

Ref

ΔpH = 0.02

5.87

6.53

6.88

7.18

7.447.66

7.97

0 2 4

HKNaCaCl

6 8 10 12

-300

-200

-100

0

100

200

300

pH, pK , pNa, pCa, pCl

+++

-2+

Ob

erfl

äch

enp

ote

nti

al

[mV

]

Sensitivität einer O:GaN/AlGaN/GaN-Struktur auf Protonen in einer wässrigen Lösung.

Dynamikbereich und Selektivität des Sensors.


Mitochondrium und F1-ATPase

Mitochondrium (V ~ 0.5 pl)

ATPase

Zitronen-säure-zyklus

Acetyl-CoA

Pyruvat Fettsäure

ADP+P

ATP

ΔpH = 1.4

NAD

2O

22H O

ATPase

H+

H+H+ H+H+

e-e-

CO2

NADH

H+


Sterile Umgebung


Dosier-System

Dosierkopf für kleinste Tröpfchen wässriger Lösungen:VTropf = 1 nl – 5 plf = 1 – 300 Hz

Kontakte

Glasplatte

Piezoaktor

Düse

Silicium


Direkte optische Messung der Tröpfchen-Volumen bis zu 5 pl!

V = 133 plV = 11 pl

V = 370 plV = 4.5 pl

Tröpfchenvolumen

Industrieller Partner:


Mischen von Nanotröpfchen

Mischen von Nanotröpfchen mit gekreuzten Oberflächenwellen-Bauelementen.


Sensor Array

Sieben transparente AlGaN/GaN-Sensoren in Silicium- oder LTCC-Rahmen.


Sensor-, Dosier- und Positioniersystem

Sterile Umgebung mit kontrollierterLuftfeuchte und Temperatur.

Computer gesteuerte Dosierung, Positionierung und Messung.


Enzym: Lipase

Das Enzym Lipase spaltet Fette in kleine Bestandteile auf. Gespaltene Fette können von der Dünndarmwand aufgenommen werden und über die Blutbahn im ganzen Körper verteilt werden.

Lipase

Leber

Magen

Gallenblase

Zwölffinger-darm Bauchspeicheldrüse


Histone Deacetylase-ähnlicheAmidohydrolase (HDAH)

Das Enzym HDAH wird eingesetzt um Gene zu identifizieren die bei Vorliegen von Krebs in erhöhter Konzentration auftreten.

Enzym: HDAH


Optical Marker

pH-Wert reduziert sich

4-Nitrophenylacetylate

Essigsäure

transparent gelb

Absorption steigt

Reaktion wird durch Enzyme (LIpase, HDAH) katalisiert


Empfindlichkeit des Detektors.

Optische Detektion

Emission der Laserdiode.

λ [nm]350 400 450 500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0Em

issi

on

[r

.u.]

412 nm 419 nm

λ [nm]350 400 450 500

10

10

10

10 Para

nit

rop

hen

ol

Emp

fin

dlic

hke

it [

r.u.] 0

-1

-2

-3


Passivierter AlGaN/GaN-Sensor für die pH-Wert-Messung von Mikro- und Nanotröpfchen.

Ag/AgCl-Referenz

KCl-AgaroseLaser-strahl

Tröpfchen

Sensoraufbau

Laser/Mikrooptischer Aufbau


Nachweis von Enzymen

Optische Detektion einer biochemischen Reaktion (katalytische Reaktion zwischen Lipase und Ac-pnp).

Elektrische Messung des pH-Wertes zum Nachweis einer

biochemischen Reaktion zwischen HDAH und Ac-pnp.

0 5 10 15 20 25 300.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

time [min]

optic

al tr

ansm

issi

on

5 l (Ac-pnp) + 5 l (lipase)μ μ

-2 0 2 4 6 8 10

7.4

7.6

7.8

8.0

8.2

8.4

time [min]

pH

dosi

ng 2

00 n

l

Ac-npn

Ac-npn + HDAH

micro droplet

nano droplet


Applikation, Vision

Identifikation von BakterienpH-Wert Sensoren

Industrielle Partner:


AlN/Si-basierende Mikro- und Nanoresonatorenzur Bestimmung von Viskosität und Temperatur von kleinsten Flüssigkeitsmengen.

Mikro- und Nanoresonatoren

Si

AlGaN

GaN

Au

Nanotröpfchen


Vorteile AlN-basierender Mikro- und Nanomechanik?


Motivation

Innenohr Basilarmembran


100 - 200 nm

Reihen von Haarzellen Innere Haarzelle Flimmerhärchen

1013 Oszillationen in einem Menschenleben!

Mechanische Eigenschaften


Elektromechanische Eigenschaften

Amplitude der Oszillation entspricht dem Durchmesser

eines Atoms

Vergleichbar einer Schwingung des Eifelturms

um 1 cm

HaarzelleFlimmerhaar: Ø 0.2 μm x 10 μm

Masse: 10-13 g

Volumen: 0.3 μm3


Resonator aus AlN:Haar: Ø 80 μmResonatorbreite: 4 μmResonatordicke: 200 nm

Mikro- und Nanoresonatoren


Umgebung 11005.2piezo, Laser (thermisch)

Si-Paddel11 × 0.2 × 0.2

4

82

0.17-- 9.2

0.7 - 3.3

1000

f[MHz]

5

3

2

1

Umgebung 400--500piezo (PZT)SiO2-Resonator(25-400)×(6-20)×2

4.2K, 8T, UHV

21000LorentzAlN-Resonator3.9 × 0.2 × 0.17

~ 6000

500

Q

piezo (ZnO)

Lorentz

Drive & sense

<10 PaSCS on SOI-Resonator100 × 20 × 4

4.2K, 3-8T, UHV

SiC-Resonator1.1 × 0.12 × 0.075

BemerkungMEMS, l × w × t[μm × μm × μm]

- --

~

1. Caltech: X.M.H. Huang, C.A. Zorman, M. Mehregany, M.L. Roukes, Nature 421, 496 (2003).2. Georgia Tech: G. Piazza, R. Abdolvand, F. Ayazi, Proc. IEEE MEMS2003.3. Maryland: B. Piekarski, D. DeVoe, M. Dubey, R. Kaul, J. Conrad, Sensors&Actuators A91, 313 (2001).4. Cornell: L. Sekaric, M. Zalalutdinov, R.B. Bhiladvala, A.T. Zehnder, J.M. Parpia, H.G. Craighead,

Appl. Phys. Lett. 81, 2641 (2002).5. UC Santa Barbara: A.N. Cleland, M. Pophoristic, I. Ferguson, Appl. Phys. Lett. 79, 2070 (2001).

Vergleich von MEMS


Geometrie, Design

d

eig

1eig

hohes Ausgangssignal

?maximaleEmpfindlichkeit

hohe Masse,große Abmessungen

kleinste Abmessungen

optimaler Resonator

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+

⋅⋅≈

eigeigf

w

w

f

Qηρπη

ρ

023

2Gütefaktor

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+

⋅⋅≈ηρπη

ρ

0

Gütefaktor

Δ−≈Δ

Änderung der Eigenfrequenzmm

ffΔ

−≈Δ2

Änderung der Eigenfrequenz


Au-Metallisierung einer AlN/Si-Heterostruktur.

Strukturierung der Au-Schicht.

Anisotropes Ätzen der AlN-Schicht.

Unterätzen des Resonatorbalkensund Realisierung der Au-Kontakte.

Au/AlN/Si-basierende MEMS

Au

AlN

Si-Substrat


piezoelektrische AlN-Resonatoren

SEM-Bilder von AlN-basierenden Mikro- und Nanoresonatoren.


200 µm

Gepulste Anregung

Signal Signal

Signal

- -

-

-

U

US

D

t

t

0

?

Resonator

Generator 1 Generator 2

Verstärker

U

U

T

Trigger

t

Oszi

Q =ln(2) ln(2)

π πt0.5

Tp= N


Eigenfrequenz, Güte

Eigenfrequenz und Güte von SiC- und AlN-Resonatoren mit Breiten von 1 μm und Dicken von etwa 150 nm.

50 100 150 250Resonatorlänge [ m]μ

50 100 150 250Resonatorlänge [ m]μ

60

100

200

400

600

1000

2000

10

10

10

10

10

in Luft

in Vakuum

AlN

SiCEi

genf

requ

enz

[kH

z]

Güt

e Q

1

2

3

4

5


Applikation

U-förmiger AlN-Resonator (150 μm x 50 μm x 200 nm) in Luft.

Resonator bedeckt durch ein Nano-tröpfchen von Isoprophanol.


Adhärierte Gewebszelle auf einem Mikroresonator.

AlN-Resonator: 75 μm x 8 μm x 200 nmfeig = 420 kHz

Nach dem Adhärieren der Zelle:feig = 61.7 kHz

Zellmasse: 1.5 ngMittlere Zelldichte: ~ 1.5 g/cm³

Applikation, Vision

Δf = - f eig eig12

Δmm


Vision

Biomimetischer Sensor

Nanodrähte

AlGaN/GaN

Al O2 3

2DEG

Nanodraht

Depletion

Drehmomentdurch

StrömungKraft auf AlGaN


InN für „optische“ Applikationen?


THz-Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen mit Frequenzen von 0.1 – 10 THz.Wellenlänge: 30 μm – 3 mmEnergie: 0.4 – 40 meV

Interessanter Übersichtsartikel:Ferguson and Zhang in Nature 2002“Materials for THz science and technology”

THz-Strahlung

http://www.iaf.fhg.de


Silicon Gold

D. Clery, Science 297 (2002) 761

Bei Frequenzen von etwa 100 GHz reflektieren Wasser und Metalle

elektromagnetische Wellen. Papier und Kleidung sind nahezu transparent.

THz-Strahlung ist wie Röntgenstrahlung aber kann über Entfernungen von mehr als 25 m eingesetzt werden.

Applikation


Verdächtige Stelle an einermenschlichen Stirn.

THz-Bild mit „hot spot“.Krebszellen-Cluster reichern Wasser an.

Detektion von Hautkrebs durch Histologie.

Nutung der THz-Strahlung


InN-ProbeChopper

Strahlteiler

parabolischerSpiegel

Zeitverzögerungs-strecke

Spiegel und Linse

fs-Laser (1060 nm, 800 nm)

Trigger Signal

SHG

THz-Antenne(LT-GaAs)

S. Riehemann, G. Notni, A. Tünnermann

Erzeugung von THz-Strahlung


Photo-Dember Effekt

fs-La

serp

uls

- -- -

n ~ 3 - 5

THz+ ++ +

p-InAsInN

Am

plit

ude

des

E-Fe

lds

[r.E

.]

Zeit [ps]

-10

-5

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20 25 30 35

Schematische Darstellung des Photo-Dember Effekts; Trennung der photogenerierten Ladungs-träger.

Abstrahlung einer THz-Welledurch oszillierende eh-Dipole.


Spek

tral

e A

mp

litud

e [r

.E.]

p-InAsInN

p-InAsInN

Frequenz [THz]1 2 3 4 5

10

10

10

10

10

0

-1

-2

-3

-4

Frequenz [THz]1 2 3

10

10

10

10

0

-1

-2

-3

THz-Strahlung aus InAs & InN

Die spektrale Amplitude wird aus der Amplitude des elektrischen Feldes E(t) mit Hilfe FFT berechnet.

Anregung mit λ = 1060 nm. Anregung mit λ = 800 nm.


Was ist besonders an InN?

800 nm 1060 nm

<100> <111>

InAs

GaSb

InP

InN

GaAs

k

E

GaSb

InP

InN

GaAs

InAs

10

10

10

10

10

10

10

10 10Energiedifferenz [eV]

no

rm.T

Hz-

Emis

sio

n[%

]

-2

2

3

-1

-1

0

0

1

1

Bandstrukturen verschiedener Verbindungshalbleiter (links). Auf die Emission von InAsnormierte Intensität der THz-Strahlung in Abhängigkeit von der Energiedifferenz

zwischen Γ-Punkt und dem nächst höheren Leitungsbandminimum (rechts).


Photo-Dember Effekt:

hoher Absorptionskoeffizient

hohes μn/μp-Verhältnis

geringe Hintergrund-Dotierung

Oberflächenleitfähigkeit?

Photo-Dember Effekt

fs-La

serp

uls

---

-

n ~ 3 - 5

THz

+ ++ +


InN-bedeckte Pyramiden

Vision

Substrate (Saphir, GaN, Si)

fs-L

aser

puls

THz-Emission

InN

Pyramide(GaN, Si)

+

+--

--+

+

InN-Nanodrähte

fs-La

serp

uls

- --

+++

THz

InN

Si(111) mit Gate


AlGaN/GaN-HEMTs für Klasse-S Verstärker


Duplexfilter

Test und Diagnose

Kühlung

HF-Verstärker

StromverteilungKühlung

Schnittstellen

Radio- undBasisbahnkarten

UMTS-Basisstation, Lucent OneBTS

PADuplexer

RF/BBDigitaler

Controller

ZentraleGeräte

PS

TOC RF20 W

AC Power6184 W

DC Power5526 W

Wärme658 W

Wärme328 W

Wärme288 W

Wärme2820 W

818 W

328 W490 W

618 W

Ver

lust

leis

tung

du

rch

Wär

me

5734

W

Basisstation

Dr. G. Fischer


Klasse-S Verstärker

PADuplexer

RF/BBDigitaler

Controller

ZentraleGeräte

PS

TOC RF20 W

AC Power1568 W

DC Power1380 W

Wärme188 W

Wärme150 W

Wärme130 W

Wärme180 W

200 W

150 W50 W

180 W

Ver

lust

leis

tung

du

rch

Wär

me

1398

W

IntegrierterHF-Modulator

RF in (analog)

Bandpassfilter

Treiber

RF out (analog)

SiGe 1-bitQuantisierer

Rau

sch

leis

tung

ssp

ektr

um

Sign

alre

kon

stru

ktio

n

Ref/Clock

GaN-Schaltverstärker

1-bit

1-bit

Betriebsfrequenz 2 GHz


HEMTs für Klasse A & S Verstärker

Klasse-A

Klasse-S

“off”

“on”

4 W/mm

Sou

rce-

Dra

in S

tro

md

ich

te

[A/m

m]

Sou

rce-

Dra

in S

tro

md

icht

e [

A/m

m]

600

400

200

800

1000

1200

0

600

400

200

800

1000

1200

0

V = 0 Vg

-1 V

-2 V

-4 V

g = 300 mS/mmm

-3 V

Source-Drain Spannung [V] Source-Drain Spannung [V]2520151050 2520151050

Ausgangskennlinienfeld eines AlGaN/GaN-HEMTs bei Betrieb in einem Klasse-A oder -S Verstärker.


„normally-off“ HEMT

Gate-Recess, Barrierendicke: 10 nmGatelänge: 100 – 150 nmTransitfrequenz: 60 GHzmax. Frequenz: > 120 GHz

10

10

10

10

11

12

13

14

105 15 25 3520 30 400Barrieren-Dicke [nm]

2D

EG

Flä

ch

en

lad

un

gsd

ich

te[c

m]

x = 0.45

x = 0.30

x = 0.15

-2

Ti/Al/Ti/Au

Ti/Ni/Au

SiN

Al Ga N

Al Ga N

GaN

V:SiC

0.2

0.13

0.7

0.87

AlN

2DEG

„mobileGaN“


Applikation

Evolution der Plattform für die Basisstations-Funktionalität.

Basisstation Basisstation Router

Switch

Wireless Line Card


Mikrostrukturen und Systeme aus GaN-basierendenVerbindungshalbleitern besitzen ein riesiges Potential für

grundlagen- & anwendungsorientiertes Forschen sowie innovative Produkte

Fazit und Ergebnisse

Ausgewählte Beispiele hierfür sind:

AlGaN/GaN-HEMT´s für neuartige Verstärkerarchitekturen,

GaN-Sensoren zum Nachweis biochemischer Reaktionen,

AlN-basierende Mikro- und Nanoresonatoren sowie

InN-Strukturen zur Erzeugung von THz-Strahlung.


Analysis of virusesIdentification of bacteria

Kollegen, Mitarbeiter

A. SchoberC. Buchheim, M. Fischer, M. Himmerlich,S. Krischok, J.A. Schaefer, H. Romanus, E. Remdt, J. Burgold, F. Weise,H. Wurmus, K.H. Drüe, M. Hintz, I. Koch, H. Thust,R. Goldhahn

M. Kittler, F. Schwierz,R. Mastylo, E. Manske, G. Jäger, Ch. Knedlik, G. Winkler, L. Spiess, A. Spitznas, T. Kerekes, H. Döllefeld,T. Sändig,M. EickhoffG. SteinhoffT. SuskiM. Hein

Documents

GaN-basierende Mikro- und O. Ambacher V. Cimalla ... · einer AlN/Si-Heterostruktur. Strukturierung der Au-Schicht. Anisotropes Ätzen der AlN-Schicht. Unterätzen des Resonatorbalkens