1 / 26

Staż podoktorski w Research Center for Integrated Quantum Electronics (RCIQE) przy Uniwersytecie Hokkaido (Sapporo, Ja

Marcin Miczek [ マルチン・ミツェク ]. Staż podoktorski w Research Center for Integrated Quantum Electronics (RCIQE) przy Uniwersytecie Hokkaido (Sapporo, Japonia) Raport naukowy. Referat w Zakła dzie Fizyki Stosowanej Instytutu Fizyki P olitechniki Śląskiej Gliwice, 2 kwietnia 2 008 roku.

berny
Download Presentation

Staż podoktorski w Research Center for Integrated Quantum Electronics (RCIQE) przy Uniwersytecie Hokkaido (Sapporo, Ja

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 [マルチン・ミツェク] Staż podoktorski w Research Center for Integrated Quantum Electronics (RCIQE) przy Uniwersytecie Hokkaido(Sapporo, Japonia)Raport naukowy Referat w Zakładzie Fizyki StosowanejInstytutu Fizyki Politechniki Śląskiej Gliwice, 2 kwietnia 2008 roku

  2. Plan referatu Motywacja: Dlaczego (Al)GaN, MISH Wytwarzanie struktur metal/izolator/AlGaN/GaN Charakteryzacja Modelowanie Podsumowanie i plany na przyszłość

  3. Motywacja: Dlaczego (Al)GaN? niebieska i(nad)fioletowaoptoelektronika przyrządy wielkiej częstotliwości mikroelektronikawielkich mocy i wysokich temperatur sensory

  4. omowy bramka kontakt omowy kontakt izolator bramka AlGaN AlGaN GaN GaN bramka izolator AlGaN GaN Motywacja: Dlaczego MISH? Zalety izolowanej bramki • mniejszy prąd upływu • lepsza stabilność termiczna • wyższe napięcie przebicia O – płytki donor (EC–0.03 eV) wakancja N – głęboki donor (EC–0.37 eV) EC 2DEG EF polaryzacja spontaniczna+ efekt piezoelektrycznyQfix~1013 q/cm2 EV pułapki, ładunek stałyi ruchomy Ambacher i inniJAP 87 (2000)334 stanymiędzy-powierzchniowe

  5. AlGaN (25 nm) i-GaN (2-3 µm) Al2O3 (szafir) Wytwarzanie struktur metal/izolator/AlGaN/GaN AlxGa1-xN (x=0,15; 0,25; 0,4)z modulowanym domieszkowaniem:5 nm niedomieszkowany15 nm ND~1018 cm-35 nm nd • Oczyszczenie powierzchni • Wycięcie z substratu kawałka~ 1 cm na 1 cm • Odtłuszczenie (aceton, etanol, woda+ ultradźwięki) • Suszenie w N2 • Kąpiel w HF:H2O (1:5) – usunięcie tlenków powierzchniowych

  6. AlGaN GaN Al2O3 (szafir) Al N2 Wytwarzanie struktur • Wytwarzanie ultracienkiej warstwy Al2O3- proces w komorze MBE • proces w plazmie N (300°C, 10 min) • naniesienie 1-2 nm Al • wygrzanie w próżni (700°C, 10 min) Al2O3 AlGaN wakancja azotowa tlen rodniki azotowe

  7. Al2O3 AlGaN GaN Al2O3 (szafir) RF RF HV ECR-CVD PE-CVD Wytwarzanie struktur grubość: 10-30 nm • Nanoszenie związków krzemu • SiO2 metodą PE-CVD • SiNx metodą ECR-CVD SiO2 albo SiNx SiH4 N2O N2

  8. izolator maska AlGaN GaN omowy kontakt Al2O3 (szafir) Wytwarzanie struktur • Nanoszenie kontaktu omowego– fotolitografia • naniesienie fotorezystu (SPR6809) • naświetlenie przez maskę(lampa rtęciowa) • utrwalenie (MF-CD-26 i wygrzanie) • mokre trawienie izolatora (BHF, HF) • naniesienie warstw metali (Ti/Al/Ti/Au) • usunięcie fotorezystu (aceton) – lift-off • wygrzanie kontaktu (N2, 800°C, 1 min) SPR

  9. izolator AlGaN GaN omowy kontakt Al2O3 (szafir) średnica: 200-600 µm Wytwarzanie struktur • Nanoszenie bramki – druga fotolitografia • jak poprzednio, ale bez trawienia izolatora • wygrzanie kontaktu (N2, 400°C, 10 min) bramka

  10. EC EF ET EV VG(t)=VDC+VACsin(2πft) C=ΔQ/VAC Charakteryzacja • Metoda C-V(-T) • Wyznaczanie objętościowych (domieszkowanie) oraz powierzchniowych (rozkład gęstości stanów, potencjał powierzchniowy, gęstość ładunku stałego, 2DEG) parametrów struktury MISH • Oszacowanie parametrów tranzystora polowego (MISHFET): napięcie progowe, transkonduktancja • Badanie stabilności termicznej i głębokich poziomów stany powierzchniowe • 3 „mody” C-V • LF: stany/nośniki nadążają za VAC • HF: nie nadążają za VAC, ale nadążają za zmianami VDC • DD: nie nadążają ani za VAC, ani za VDC pułapki objętościowe wychwyt, emisja, przeładowanie stanów

  11. 2DEG izolator AlGaN GaN ? obszar czuły nastany powierzchniowe EC AlGaN GaN EC EF GaN AlGaN EF Charakteryzacja Charakterystyka C-V struktury metal/izolator/AlGaN/GaN C akumulacja w GaN q·n2DEG CGaN V zubożenie Vth napięcie progowe(threshold voltage)

  12. Charakteryzacja • Sprzęt pomiarowy • Analizator impedancji HP 4192A LF • Mała komora próżniowa z pompą rotacyjną • Kontroler temperatury MMR K-20 (zjawisko Joule’a-Thomsona) • Parametry pomiarowe • Częstotliwość: f=100 kHz • Amplituda sygnału zmiennego: VAC=20 mV • Napięcie bramki: od 0 V w dół poniżej napięcia progowego i z powrotem do 0 V • Temperatura: od pokojowej do 300°C i z powrotem • Szybkość zmian temperatury: co najwyżej 10°C/min

  13. SiO2/(Al2O3)/AlGaN/GaN Charakteryzacja • Nachylenie krzywej C-V praktycznie nie zmienia się z temperaturą • Znaczne przesunięcie Vthw stronę zera z temp. – ładunek ruchomy w SiO2? • Al2O3 znacznie zmniejsza histerezę krzywych C-V

  14. SiNx/(Al2O3)/AlGaN/GaN Charakteryzacja • Lepsza stabilność termiczna w porównaniu z MISH z SiO2 • Węższa pętla histerezy – zwłaszcza w wyższych temp. • Przesunięcie Vth z temp. w stronę ujemnych napięćw strukturze z SiNx/Al2O3

  15. VG bramka izolator AlGaN kontakt omowy GaN VOhm Modelowanie • Modelmatematyczny • Równanie Poissona-Boltzmanna: • Warunki brzegowe: VGznane, VOhm=0 • Warunki interfazowe: • O czym trzeba pamiętać w AlGaN/GaN • głębokie zubożenie (deep depletion) w GaN i AlGaN: p(VG<0)≈p(VG=0)<<<n • Qfix=Qpiezo+Qspont, Dit≈0 @ AlGaN/GaN • Dit(E) @ izolator/AlGaN – pomiar C-V HF

  16. Model Shockleya-Reada-HallaPR 87 (1952)387, 835 Modelowanie • Ładunek w stanach powierzchniowych • Bardzo długie czasy emisji z głębokich poziomów: • Współczynnik efektywnej emisji: ! Al0,25Ga0,75N, σ=10-16 cm2E=EC–1 eV, T=300 K τ~3 miesiące

  17. dla VG=0 VG<0, ηe<1 EC akceptory EF0 EF0 EF0 EF EF ECNL Dit(E) donory EV Modelowanie r. Fermiego-Diraca • Modyfikacja wzoru na obsadzenie stanów VG=0 VG<0, ηe=1

  18. Aproksymacja całki Fermiego-Diraca wzorem Aymericha-HumetaSSE 24 (1981) 981 Modelowanie • Procedura numeryczna • Linearyzacja równania: V1(x)=V0(x)+δV(x) • Dyskretyzacja (metoda różnic skończonych):równanie różniczkowe  równania różnicowe A·δV=R • Metoda kolejnych przybliżeń:Vn+1=Vn+δVn dopóki δVn nie jest wystarczająco małe • Obliczenie całkowitego ładunku i różniczkowej pojemności: Algorytm Gummela IEEE TED 11 (1964) 455. Program w Ci FORTRAN-ie 77 teoretyczna krzywa C-V

  19. bramka SiNx (5 nm) i-AlGaN (5 nm) n-AlGaN (15 nm) ND=2×1018 cm-3 i-AlGaN (5 nm) i-GaN (3 µm) kontakt omowy Wpływ stanów dyskretnych na krzywą C-V Modelowanie • Przesunięcie krzywej bez zmiany nachylenia (jak dla ładunku stałego) • Przesunięcie nie zależy od temperatury

  20. Wpływ stanów o rozkładzie ciągłym Modelowanie • Przesunięcie krzywejbez zmiany nachylenia • Wartość i znak przesunięcia zależyod T, Dit0 i ECNL

  21. Wpływ temperatury przy ustalonym Dit(E) Modelowanie • Przesunięcie zależy monotonicznie od Dit0 i jest zawszew stronę ujemnych napięć (temperatura zwiększa efektywną emisję elektronów  końcowy ładunekw stanach jest większy)

  22. Wyjaśnienie anomalnego zachowania Modelowanie • Poziom Fermiego poniżej EV, gdy VG bliskie Vth • Niska efektywna emisja stany „zamrożone”

  23. Normalne a anomalne zachowanie C-V Modelowanie zachowanie anomalne zachowanie normalne • Klasyczna analiza C-V może zaniżać Dit,a nawet być całkowicie nieprzydatna • Należy mierzyć C-V w wyższych temperaturach

  24. bramka SiNx (5 nm) i-AlGaN (5 nm) i-GaN (3 µm) kontakt omowy Normalne zachowanie dla 5-nm AlGaN Modelowanie • Jak uzyskać normalne zachowanie C-V? • Zapewnić, by EF>EV, gdy VG≈Vth  cieńszy AlGaN • Zwiększyć emisję  zwiększyć temperaturę

  25. Porównanie z eksperymentem Modelowanie • Dobra zgodność modelu z eksperymentem • Dwuwarstwa SiNx/Al2O3 jest obiecującym pasywantem powierzchni AlGaN i izolatorem dla struktur MIS(H)

  26. Podsumowanie i plany na przyszłość • Wnioski • Stany @ AlGaN/GaN  zmiana nachylenia krzywej C-V • Stany @ izolator/AlGaN  przesunięcie krzywej (zachowanie anomalne) • Normalne zachowanie C-V dla struktur z cienkim AlGaN • Pomiar C-V w wyższych temp.  szerszy zakres energetyczny badanych stanów powierzchniowych • Nieznane efekty termiczne uniemożliwiają zwykłą analizę C-V • Plan dalszej pracy • Pomiary elektryczne: spektroskopia impedancyjna i DLTS • Pomiary mikroskopowe: AFM (jakość izolatorów i kontaktów) • Pomiary optyczne: jakość izolatorów i granicy izolator/AlGaN • Charakteryzacja chemiczna (w tym profile składu): SAM, SIMS • Lepsze modelowanie: upływ, trójkątna studnia z 2DEG

More Related