Upload
bela
View
72
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Marcin Miczek. Pomiary i modelowanie komputerowe struktur mikroelektronicznych z pasywowanymi warstwami azotków (Ga N, AlGaN ) . Zakład Fizyki Powierzchni i Nanostruktur Instytut Fizyki – Centrum Naukowo-Dydaktyczne Politechniki Śląskiej Gliwice, 16 marca 2011 roku. Współpraca. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Pomiary i modelowanie komputerowestruktur mikroelektronicznych
z pasywowanymi warstwami azotków(GaN, AlGaN)
Zakład Fizyki Powierzchni i NanostrukturInstytut Fizyki – Centrum Naukowo-Dydaktyczne Politechniki ŚląskiejGliwice, 16 marca 2011 roku
Marcin Miczek
WspółpracaZFPN: B. Adamowicz, T. Błachowicz (laser Ar+),
P. Bidziński, M. Matys, R. Ucka (dyplomant);
ZFS: J. Bodzenta, S. Kochowski, J. Mazur (AFM);
IF PAN, Warszawa: Z. Żytkiewicz(struktury AlGaN/GaN/szafir);
ITE, Warszawa: A. Piotrowska, E. Kamińska (pasywacja SiO2, Si3N4, kontakty RuSiO);
RCIQE, Sapporo, Japonia: T. Hashizume, C. Mizue,E. Ogawa, M. Tajima, Y. Hori (laser He-Cd, fotoluminescencja, próbki). 2
Finansowanie i aparatura1. Projekt strukturalny „Innowacyjne technologie
wielofunkcyjnych materiałów i struktur dla nanoelektroniki, fotoniki, spintroniki i technik sensorowych” (InTechFun, UDA-POIG.01.03.01-159/08, FSB-33/RMF1/2009): sonda Kelvina, komora próżniowa do pomiarów fotoelektrycznych;
2. Grant MNiSW „Badania wpływu temperatury na właściwości elektronowe struktur metal/izolator/ /AlGaN/GaN” (N N515 606339, PBU-91/RMF1/ 2010): układ grzania i chłodzenia (projekt);
3. Środki inwestycyjne IF: zestaw do wytwarzaniai kontroli próżni. 3
Plan wystąpienia
1. Motywacja i dotychczasowe prace;2. Modelowanie oświetlonej struktury
metal/izolator/GaN pod kątem detekcji ultrafioletu;
3. Pomiary struktur potencjalnych fotodetektorów;
4. Laboratorium pomiarów fotoelektrycznych;5. Podsumowanie i plan dalszej pracy.
4
sta³a sieciowa (A)
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
prze
rwa
ener
gety
czna
(eV
)
1
2
3
4
5
6
d³ug
oϾ
fali
(nm
)
200
300
4005007001000
GaN
InN
UV
AlN
Dlaczego GaN Szeroka przerwa energetyczna (3,4 eV), stabilność chemiczna i termiczna, dobra przewodność cieplna, wysokie pole przebicia, duża prędkość unoszenia elektronów.
5
Elektronika wysokich mocy, częstotliwości i temperatur,
niebieska, ultrafioletowa optoelektronika.
www.arguslab.com
Problem powierzchniElektronowe stany na powierzchni półprzewodnika: rozkład energetyczny w przerwie wzbronionej:
ciągły (nieporządek) i/lub dyskretny (defekty); negatywny wpływ na działanie przyrządów:
wychwyt nośników ładunku, rekombinacja niepromienista, zakotwiczenie (ang. pinning) poziomu Fermiego;
w GaN stany bardzo głębokie! konieczność pasywacji powierzchni (zmniejszenia
gęstości stanów) – technologia, pomiary, modelowanie.
6
V
C
krzywa idealna
Qit=0(EF=ECNL)
ze stanamipowierzchniowymi
Qit<0
Qit>0
V
nasycenie Qit
Qit=const Qit=f(V)
ze stanamipowierzchniowymi
krzywa idealnanp. SiO2/Si,SiNx/GaN
np. SiNx/AlGaN/GaN
Dotychczasowe prace (1/2)Pomiary struktur metal/izolator/AlGaN/GaN:― anomalny wpływ stanów na granicy
izolator/AlGaN na krzywe C-V (przesuwanie, brak zmiany nachylenia),
― ograniczone możliwości charakteryzacji stanów.
7
GaN
AlGaNizolatorbramka kontakt
omow
y
szafir
Dotychczasowe prace (2/2)Stany zbyt głębokie – bardzo długie czasy emisji.Możliwości wzbudzenia głębokich stanów:1. podwyższenie temperatury,
2. oświetlenie – detektor UV na bazie MIS GaN?
8
EC-E (eV)0.00.51.01.52.0
f=1/
1 GHz
1 MHz
1 kHz
1 Hz
(s
)
10-910-810-710-610-510-410-310-210-1100101102
RT300oC
500oC
EC-E (eV)0.00.51.01.52.02.5
e (%
)
0
20
40
60
80
100500oC 300oC RT
ECNL
=10-16 cm2
t=100 s
ED
Al0,25Ga0,75N=10-16 cm2
Miczek, Mizue, Hashizume, Adamowicz: J. Applied Physics 2008
Model fotodetektora1-wymiarowy model dryftowo-dyfuzyjny struktury
metal/SiO2/GaN ze stanami powierzchniowymi i idealnym izolatorem (brak upływu).
9
n-GaN5×1015 cm-3
SiO2
bramka
kontakt omowy
UV
UV, Φ –natężenie
EC
EF
EV
rekombinacjaSRH, τSRH
rekombinacjapasmo-pasmo
generacja
EFp
EFn
EF
SiO2
dryf
GaNmetal
VG
rekombinacjapowierzchniowa
PL
stany powierzchniowe
Dit(E)
Modelowanie fotodetektora Równania modelu w stanie ustalonym:
Warunki brzegowe: potencjał bramki, rekombinacja powierzchniowa, ładunek w stanach pow.
Rozwiązanie numeryczne zmodyfikowaną metodą różnic skończonych (algorytm Scharfettera--Gummela).
Analizowana wielkość: 10
2
20
0
0
D
n n B
p p B
V q N n pxn n VD n G Ut x x xp p VD p G Ut x x x
, ,0Tp p x p x dx
Powierzchnia a objętość (1/2)Powierzchnia: gęstość stanów Dit(E), objętość: czas życia τSRH.
Powierzchnia dobrej jakości Dit(E) = 1011 eV-1 cm-2.
11
, foton cm-2 s-1
1010 1012 1014 1016 1018 1020
pT,
cm
-2
102
104
106
108
1010
1012
SRH
nachylenie = 1
Dit=1011 eV-1cm-2
VG=-0.1 V
SRH= 1, 10, 100 ns
, foton cm-2 s-1
108 1010 1012 1014 1016 1018 1020
pT,
cm
-2104
106
108
1010
1012 nachylenie = 2
1010 1014 1018
pT ~ log
0
4x1011
8x1011
Dit=1011 eV-1cm-2
VG=-1 V
zależność liniowa zależność niemal kwadratowa przechodząca w logarytmiczną
„wzmocnienie” ΔpT
Powierzchnia a objętość (2/2)Powierzchnia słabej jakości Dit(E) = 1012 eV-1 cm-2.
12
zmniejszenie ΔpT w porównaniu z przypadkiem Dit=1011 eV-1 cm-2, liniowa zależność ΔpT(Φ) w obu przypadkach, brak „wzmocnienia”, dominacja rekombinacji powierzchniowej, τSRH ma niewielkie znaczenie.
, foton cm-2 s-1
1010 1012 1014 1016 1018 1020
pT,
cm
-2
102
104
106
108
1010
1012
nachylenie = 1
SRH
Dit=1012 eV-1cm-2
VG=-0.1 V
, foton cm-2 s-1
1010 1012 1014 1016 1018 1020 p
T, c
m-2
102
104
106
108
1010
1012
nachylenie = 1 SRH
Dit=1012 eV-1cm-2
VG=-1 V
Miczek i inni: art. wysłany do Solid State Communications
Mierzalne a niemierzalne
13
ΔpT jest niemierzalne, ale ma wpływ namierzalną fotopojemność (ΔC) orazfotonapięcie powierzchniowe (SPV).
Obliczenia metodą elementów skończonych(MES, ang. FEM) w pakiecie COMSOL Multiphysics.
Bidziński, Miczek, Adamowicz, Mizue, Hashizume: JapaneseJ. Applied Physics 2011 – w druku
Fotopojemność
Zależność ΔC(Φ) to krzywa w kształcie „S”, Możliwe przełączanie zakresów za pomocą VG, Stany powierzchniowe zmniejszają czułość
i „przełączalność” zakresów detektora. 14
Dit0 = 1012 eV-1cm-2
Dit0 = 1011
Charakteryzacja: fotopojemność
Dobra zgodność wyników obliczeń i pomiarów. Z pomiarów C-V wyznaczono większą gęstość stanów (~1012).
15
Mizue, Miczek, Kotani, Hashizume: JJAP 2009
Charakteryzacja: fotoluminescencja Pomiary podczas pobytu
w RCIQE (wrzesień 2010):laser He-Cd (325 nm)i spektrometr IR/VIS/UV.
Widoczne przejścia: pasmo--pasmo i ekscytonowe (UV),przez defekty (VIS, IR) orazinterferencja w GaN.
Możliwość charakteryzacji jakości powierzchni oraz objętości warstw GaN – konieczne modelowanie...
16
h (eV)1 2 3 4
PL
(jedn
. um
owne
)
UV
IR
YL
X
GL
BL
Fotoluminescencja – znów modelowanie
Modyfikacja modelu: dołożenie kanałów rekombinacji przez defekty.
17 (foton cm-2 s-1)
1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022
U/
10-2
10-1
100
powierzchnia
defekty pasmo-pasmo
Dit0 = 1011 eV-1cm-2
Ndef = 5x1016 cm-3
(foton cm-2 s-1)
106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020
powierzchnia
defekty
pasmo-pasmo
Dit0 = 1012 eV-1cm-2
Ndef = 5x1016 cm-3
Matys, Adamowicz
EC
VGa–ON
EV
UVYL
IR
Sedhain, Li, Lin, JiangAPL 2010
Laboratorium: komora pomiarowa Komora z 3 mikromanipulatorami
do kontaktów elektrycznych[OmniVac].
Zestaw wytwarzania i kontrolipróżni [Varian].
Układ grzania (do 300°C)i chłodzenia ciekłymazotem (projekt).
18
Optyka VIS/UV Lampa deuterowa i halogenowa
(200 nm – 2,5 μm) [Avantes].
miernik mocy światła [Standa](1 μW – 3 W, 190 nm – 20 μm),
filtr szary obrotowy [Newport],
filtry dichroiczne (pasmowoprzepustowe),
płytka światłodzieląca, światłowód itd.
mikroskop stereoskopowy [DeltaOptical].
19
Elektronika Sonda Kelvina z układem
sterująco-pomiarowym [Besocke],
Pikoamperomierz ze źródłemnapięciowym Keithley 6487
Analizator impedancjiAgilent 4294A(wł.: prof. S. Kochowski)
20
Laboratorium – stan docelowyPomiar― (foto)pojemności,― (foto)prądu,― kontaktowej różnicy potencjałów (CPD),― fotonapięcia powierzchniowego (SPV)w funkcji― napięcia,― częstotliwości,― temperatury,― natężenia światła,― długości fali.
21
Podsumowanie Stany powierzchniowe wywierają duży wpływ na
zjawiska fotoelektronowe w strukturach opartych na GaN,
jednak dynamicznego wkładu defektów objętościowych nie można pominąć.
Zrozumienie i wykorzystanie zjawisk zachodzących w strukturach półprzewodnikowych wymaga posłużenia się: teorią, eksperymentem, modelowaniem komputerowym.
22
Plan dalszej pracy (1/2)1. Modelowanie:
a. badanie wpływu stanów powierzchniowychi defektów objętościowych na dynamikę różnych kanałów rekombinacji,
b. uwzględnienie prądów upływu,c. studnia kwantowa na granicy AlGaN/GaN.
2. Projekt fotodetektora na bazie struktur metal/izolator/GaN i metal/izolator/AlGaN/GaN:a. analiza wyników dotychczasowych pomiarów,b. projekt nowych struktur i ich wykonanie w ITE,c. pomiary charakterystyk nowych struktur.
23
Plan dalszej pracy (2/2)3. Laboratorium pomiarów fotoelektrycznych:
a. modernizacja układu sterująco-pomiarowego sondy Kelvina (R. Ucka – praca dyplomowa),
b. układ grzania i chłodzenia w komorze próżniowej (M. Setkiewicz – grant MNiSW),
c. różne źródła UV, VIS (lasery, LD, LED, lampy),d. szerokopasmowy monochromator.
24
Publikacje (1/2)1. M. Miczek, B. Adamowicz, T. Hashizume, H. Hasegawa, Optica Applicata
35 (2005) 355.2. W. Izydorczyk, B. Adamowicz, M. Miczek, K. Waczyński, Physica Status
Solidi A 203 (2006) 2241.3. Z. Benamara, N. Mecirdi, B. Bachir Bouiadjra, L. Bideux, B. Gruzza,
C. Robert, M. Miczek, B. Adamowicz, Applied Surface Science 252 (2006) 7890.
4. B. Adamowicz, M. Miczek, T. Hashizume, A. Klimasek, P. Bobek, J. Żywicki, Optica Applicata 37 (2007) 327.
5. P. Tomkiewicz, B. Adamowicz, M. Miczek, H. Hasegawa, J. Szuber, Applied Surface Science 254 (2008) 8046.
6. M. Miczek, C. Mizue, T. Hashizume, B. Adamowicz, Journal of Applied Physics 103 (2008) 104510.
7. K. Ooyama, H. Kato, M. Miczek, T. Hashizume, Japanese Journal of Applied Physics 47 (2008) 5426.
8. P. Tomkiewicz, S. Arabasz, B. Adamowicz, M. Miczek, J. Mizsei, D.R.T. Zahn, H. Hasegawa, J. Szuber, Surface Science 603 (2009) 498.
25
Publikacje (2/2)9. C. Mizue, M. Miczek, J. Kotani, T. Hashizume, Japanese Journal of Applied
Physics 48 (2009) 020201.10. M. Miczek, B. Adamowicz, C. Mizue, T. Hashizume, Japanese Journal of
Applied Physics 48 (2009) 04C092.11. C. Mizue, Y. Hori, M. Miczek, T. Hashizume, Japanese Journal of Applied
Physics 50 (2011) 021001.12. P. Bidziński, M. Miczek, B. Adamowicz, C. Mizue, T. Hashizume, Japanese
Journal of Applied Physics 50 (2011) – w druku.
26
Dziękuję za uwagę!