1 / 26

Zakład Fizyki Powierzchni i Nanostruktur

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.

bela
Download Presentation

Zakład Fizyki Powierzchni i Nanostruktur

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Marcin Miczek Pomiary i modelowanie komputerowestruktur mikroelektronicznychz pasywowanymi warstwami azotków(GaN, AlGaN) Zakład Fizyki Powierzchni i Nanostruktur Instytut Fizyki – Centrum Naukowo-Dydaktyczne Politechniki Śląskiej Gliwice, 16 marca 2011 roku

  2. Współpraca ZFPN: 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).

  3. Finansowanie i aparatura • 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; • 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); • Środki inwestycyjne IF: zestaw do wytwarzaniai kontroli próżni.

  4. Plan wystąpienia • Motywacja i dotychczasowe prace; • Modelowanie oświetlonej struktury metal/izolator/GaN pod kątem detekcji ultrafioletu; • Pomiary struktur potencjalnych fotodetektorów; • Laboratorium pomiarów fotoelektrycznych; • Podsumowanie i plan dalszej pracy.

  5. Dlaczego GaN • Szeroka przerwa energetyczna (3,4 eV), • stabilność chemiczna i termiczna, • dobra przewodność cieplna, • wysokie pole przebicia, • duża prędkość unoszenia elektronów. www.arguslab.com • Elektronika wysokich mocy, częstotliwości i temperatur, • niebieska, ultrafioletowa optoelektronika.

  6. Problem powierzchni Elektronowe 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.

  7. 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. omowy bramka kontakt izolator AlGaN GaN szafir

  8. Dotychczasowe prace (2/2) Stany zbyt głębokie – bardzo długie czasy emisji. Możliwości wzbudzenia głębokich stanów: • podwyższenie temperatury, • oświetlenie – detektor UV na bazie MIS GaN? Miczek, Mizue, Hashizume, Adamowicz: J. Applied Physics2008

  9. rekombinacjapowierzchniowa GaN SiO2 metal rekombinacjapasmo-pasmo EF EFn VG EC EF PL EFp UV, Φ –natężenie EV dryf stany powierzchniowe Dit(E) generacja rekombinacjaSRH, τSRH Model fotodetektora UV bramka SiO2 1-wymiarowy model dryftowo-dyfuzyjny struktury metal/SiO2/GaN ze stanami powierzchniowymi i idealnym izolatorem (brak upływu). n-GaN5×1015 cm-3 kontakt omowy

  10. 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:

  11. Powierzchnia a objętość (1/2) Powierzchnia: gęstość stanów Dit(E), objętość: czas życia τSRH.Powierzchnia dobrej jakościDit(E) = 1011 eV-1 cm-2. • zależność niemal kwadratowa przechodząca w logarytmiczną • „wzmocnienie” ΔpT • zależność liniowa

  12. Powierzchnia a objętość (2/2) Powierzchnia słabej jakościDit(E) = 1012 eV-1 cm-2. • 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. Miczek i inni: art. wysłany do Solid State Communications

  13. Mierzalne a niemierzalne ΔpT jest niemierzalne, ale ma wpływ namierzalną fotopojemność (ΔC) orazfotonapięcie powierzchniowe (SPV). Obliczenia metodą elementów skończonych(MES, ang. FEM) w pakiecie COMSOL Multiphysics.

  14. Fotopojemność • Zależność ΔC(Φ) to krzywa w kształcie „S”, • Możliwe przełączanie zakresów za pomocąVG, • Stany powierzchniowe zmniejszają czułośći „przełączalność” zakresów detektora. Dit0 = 1011 Dit0 = 1012 eV-1cm-2 Bidziński, Miczek, Adamowicz, Mizue, Hashizume: JapaneseJ. Applied Physics 2011 – w druku

  15. Charakteryzacja: fotopojemność • Dobra zgodność wyników obliczeń i pomiarów. • Z pomiarów C-V wyznaczono większą gęstość stanów (~1012). Mizue, Miczek, Kotani, Hashizume: JJAP 2009

  16. Charakteryzacja: fotoluminescencja • Pomiary podczas pobytuw 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...

  17. Fotoluminescencja – znów modelowanie EC YL Sedhain, Li, Lin, JiangAPL 2010 Modyfikacja modelu: dołożenie kanałów rekombinacji przez defekty. UV VGa–ON IR EV Matys, Adamowicz

  18. Laboratorium: komora pomiarowa • Komora z 3 mikromanipulatoramido kontaktów elektrycznych[OmniVac]. • Zestaw wytwarzania i kontrolipróżni [Varian]. • Układ grzania (do 300°C)i chłodzenia ciekłymazotem (projekt).

  19. 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].

  20. Elektronika • Sonda Kelvina z układemsterująco-pomiarowym [Besocke], • Pikoamperomierz ze źródłemnapięciowym Keithley 6487 • Analizator impedancjiAgilent 4294A(wł.: prof. S. Kochowski)

  21. Laboratorium – stan docelowy Pomiar • (foto)pojemności, • (foto)prądu, • kontaktowej różnicy potencjałów (CPD), • fotonapięcia powierzchniowego (SPV) w funkcji • napięcia, • częstotliwości, • temperatury, • natężenia światła, • długości fali.

  22. 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.

  23. Plan dalszej pracy (1/2) • Modelowanie: • badanie wpływu stanów powierzchniowychi defektów objętościowych na dynamikę różnych kanałów rekombinacji, • uwzględnienie prądów upływu, • studnia kwantowa na granicy AlGaN/GaN. • Projekt fotodetektora na bazie struktur metal/izolator/GaN i metal/izolator/AlGaN/GaN: • analiza wyników dotychczasowych pomiarów, • projekt nowych struktur i ich wykonanie w ITE, • pomiary charakterystyk nowych struktur.

  24. Plan dalszej pracy (2/2) • Laboratorium pomiarów fotoelektrycznych: • modernizacja układu sterująco-pomiarowego sondy Kelvina (R. Ucka – praca dyplomowa), • układ grzania i chłodzenia w komorze próżniowej (M. Setkiewicz – grant MNiSW), • różne źródła UV, VIS (lasery, LD, LED, lampy), • szerokopasmowy monochromator.

  25. Publikacje (1/2) • M. Miczek, B. Adamowicz, T. Hashizume, H. Hasegawa, OpticaApplicata35 (2005) 355. • W. Izydorczyk, B. Adamowicz, M. Miczek, K. Waczyński, Physica Status Solidi A 203 (2006) 2241. • Z. Benamara, N. Mecirdi, B. BachirBouiadjra, L. Bideux, B. Gruzza,C. Robert, M. Miczek, B. Adamowicz, Applied Surface Science 252 (2006) 7890. • B. Adamowicz, M. Miczek, T. Hashizume, A. Klimasek, P. Bobek, J. Żywicki, OpticaApplicata37 (2007) 327. • P. Tomkiewicz, B. Adamowicz, M. Miczek, H. Hasegawa, J. Szuber, Applied Surface Science 254 (2008) 8046. • M. Miczek, C. Mizue, T. Hashizume, B. Adamowicz, Journal of Applied Physics103 (2008) 104510. • K. Ooyama, H. Kato, M. Miczek, T. Hashizume, JapaneseJournal of Applied Physics47 (2008) 5426. • P. Tomkiewicz, S. Arabasz, B. Adamowicz, M. Miczek, J. Mizsei, D.R.T. Zahn, H. Hasegawa, J. Szuber, Surface Science 603 (2009) 498.

  26. Publikacje (2/2) • C. Mizue, M. Miczek, J. Kotani, T. Hashizume, JapaneseJournal of Applied Physics48 (2009) 020201. • M. Miczek, B. Adamowicz, C. Mizue, T. Hashizume, JapaneseJournal of Applied Physics48 (2009) 04C092. • C. Mizue, Y. Hori, M. Miczek, T. Hashizume, JapaneseJournal of Applied Physics50 (2011) 021001. • P. Bidziński, M. Miczek, B. Adamowicz, C. Mizue, T. Hashizume, JapaneseJournal of Applied Physics50 (2011) – w druku. Dziękuję za uwagę!

More Related