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!