GaN, AlGaN - Zakład Fizyki Powierzchni i Nanostruktur

Report
Marcin Miczek
Pomiary i modelowanie komputerowe
struktur mikroelektronicznych
z pasywowanymi warstwami azotków
(GaN, AlGaN)
Zakład Fizyki Powierzchni i Nanostruktur
Instytut Fizyki – Centrum Naukowo-Dydaktyczne
Politechniki Śląskiej
Gliwice, 16 marca 2011 roku
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,
2
fotoluminescencja, próbki).
Finansowanie i aparatura
1. Projekt strukturalny „Innowacyjne technologie
wielofunkcyjnych materiałów i struktur dla
nanoelektroniki, fotoniki, spintroniki i technik
sensorowych” (InTechFun, UDA-POIG.01.03.01159/08, 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 wytwarzania
i 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
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
A lN
5
4
300
G aN
400
500
3
2
1
3 .1
700
1000
In N
3 .2
3 .3
3 .4
s ta ³a s ie c io w a (A )
3 .5
3 .6
5
d ³u g o œæ fa li (n m )
200
6
UV
 Elektronika wysokich
mocy, częstotliwości
i temperatur,
 niebieska,
ultrafioletowa
optoelektronika.
p rz e rw a e n e rg e tyc z n a (e V )





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.
6
Dotychczasowe prace (1/2)
n p . S iO 2 /S i,
S iN x /G a N
C
Q it > 0
Q it < 0
ze sta n a m i
p o w ie rzch n io w ym i
V
szafir
Q it = f(V )
n a syce n ie Q it
Q it = 0
(E F = E C N L )
GaN
Q it = co n st
krzyw a id e a ln a
bramka
izolator
AlGaN
n p . S iN x /A lG a N /G a N
ze sta n a m i
p o w ie rzch n io w ym i
V
7
kontakt
krzyw a id e a ln a
omowy
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.
Dotychczasowe prace (2/2)
Stany zbyt głębokie – bardzo długie czasy emisji.
Możliwości wzbudzenia głębokich stanów:
Mizue, Hashizume,
1. podwyższenie temperatury, Miczek,
Adamowicz: J. Applied Physics 2008
102
101
100
1 0 -1
1 0 -2
1 0 -3
1 0 -4
1 0 -5
1 0 -6
1 0 -7
1 0 -8
1 0 -9
2 .0
f= 1 /
o
300 C
RT
100
o
500 C
1 Hz
o
300 C
RT
80
1 kH z
o
500 C
 e (% )
 (s)
2. oświetlenie – detektor UV na bazie MIS GaN?
60
40
1 MHz
A l 0 ,2 5 G a 0 ,7 5 N
=10
-1 6
cm
1 .5
E CNL
-1 6
=10
cm
t= 1 0 0 s
20
2
1 .0
E C -E (e V )
0 .5
1 GHz
0 .0
ED
0
2 .5
2 .0
1 .5
1 .0
2
0 .5
0 .0
E C -E (e V )
8
Model fotodetektora
1-wymiarowy model dryftowo-dyfuzyjny struktury
metal/SiO2/GaN ze stanami powierzchniowymi
i idealnym izolatorem (brak upływu).
metal SiO2
EF
VG
UV, Φ –
natężenie
rekombinacja
GaN
powierzchniowa
rekombinacja
pasmo-pasmo
EFn
EFp
dryf generacja
stany
powierzchniowe
Dit(E)
PL
UV
bramka
SiO2
n-GaN
5×1015 cm-3
EC
EF
kontakt omowy
EV
rekombinacja
SRH, τSRH
9
Modelowanie fotodetektora
 Równania modelu w stanie ustalonym:
 V
2
x
n
t
 
2

q
 0
 ND  n  p 
 
n
V 
D

n

n
 n
  G  UB  0
x 
x
x 
p
 
p
V 

 pp
 Dp
  G  UB  0
t
x 
x
x 
 Warunki brzegowe: potencjał bramki, rekombinacja
powierzchniowa, ładunek w stanach pow.
 Rozwiązanie numeryczne zmodyfikowaną metodą
różnic skończonych (algorytm Scharfettera-Gummela).
 Analizowana wielkość:  p       p  x ,    p  x , 0   d x 10
T
Powierzchnia a objętość (1/2)
Powierzchnia: gęstość stanów Dit(E), objętość: czas życia τSRH.
Powierzchnia dobrej jakości Dit(E) = 1011 eV-1 cm-2.
1 0 12
1 0 12
-2
S R H
108
106
D it = 1 0
10
4
11
-1
eV cm
-2
 pT, cm
 pT, cm
-2
10
10
S R H = 1 , 1 0 , 1 0 0 n s
n a c h yle n ie = 2
D it = 1 0
1 0 10
8 x1 0
10
-1
eV cm
-2
V G = -1 V
8
 p T ~ lo g 
4 x1 0 1 1
V G = -0 .1 V
106
0
n a c h yle n ie = 1
102
11
11
1 0 10
1 0 14
1 0 18
104
1 0 10
1 0 12
1 0 14
1 0 16
 , fo to n c m
-2
1 0 18
s
-1
 zależność liniowa
1 0 20
108
1 0 10
1 0 12
1 0 14
 , fo to n c m
1 0 16
-2
s
1 0 18
1 0 20
-1
 zależność niemal kwadratowa
przechodząca w logarytmiczną
 „wzmocnienie” ΔpT
11
Powierzchnia a objętość (2/2)
Powierzchnia słabej jakości Dit(E) = 1012 eV-1 cm-2.
1 0 12
S R H
1 0 10
-2
10
108
 pT, cm
 pT, cm
-2
10
1 0 12
n a c h yle n ie = 1
106
10
4
10
2
D it = 1 0
12
-1
eV cm
108
106
-2
D it = 1 0
104
V G = -0 .1 V
10
1 0 10
1 0 12
1 0 14
1 0 16
 , fo to n c m




-2
1 0 18
s
-1
S R H
n a c h yle n ie = 1
1 0 20
12
-1
eV cm
-2
V G = -1 V
2
1 0 10
1 0 12
1 0 14
1 0 16
 , fo to n c m
-2
1 0 18
s
1 0 20
-1
zmniejszenie ΔpT w porównaniu z przypadkiem Dit=1011 eV-1 cm-2,
liniowa zależność ΔpT(Φ) w obu przypadkach, brak „wzmocnienia”,
dominacja rekombinacji powierzchniowej,
Miczek i inni: art. wysłany do
12
τSRH ma niewielkie znaczenie.
Solid State Communications
Mierzalne a niemierzalne
ΔpT jest niemierzalne, ale ma wpływ na
mierzalną fotopojemność (ΔC) oraz
fotonapięcie powierzchniowe (SPV).
Obliczenia metodą elementów skończonych
(MES, ang. FEM) w pakiecie COMSOL Multiphysics.
13
Fotopojemność
Dit0 = 1011
Dit0 = 1012 eV-1cm-2
 Zależność ΔC(Φ) to krzywa w kształcie „S”,
 Możliwe przełączanie zakresów za pomocą VG,
 Stany powierzchniowe zmniejszają czułość
i „przełączalność” zakresów detektora.
Bidziński, Miczek,
Adamowicz, Mizue,
Hashizume: Japanese
J. Applied Physics 2011
– w druku
14
Charakteryzacja: fotopojemność
Mizue, Miczek, Kotani,
Hashizume: JJAP 2009
 Dobra zgodność wyników obliczeń i pomiarów.
 Z pomiarów C-V wyznaczono większą gęstość stanów (~1012).
15
Charakteryzacja: fotoluminescencja
P L (je d n . u m o w n e )
UV
 Pomiary podczas pobytu
YL
w RCIQE (wrzesień 2010):
GL
laser He-Cd (325 nm)
X
i spektrometr IR/VIS/UV.
IR
BL
 Widoczne przejścia: pasmo-pasmo i ekscytonowe (UV),
1
2
3
przez defekty (VIS, IR) oraz
h  (e V )
interferencja w GaN.
 Możliwość charakteryzacji jakości powierzchni oraz
objętości warstw GaN – konieczne modelowanie...
4
16
Fotoluminescencja – znów modelowanie
EC
Modyfikacja modelu:
dołożenie kanałów
rekombinacji przez
defekty.
10
VGa–ON
IR
EV
p a s m o -p a s m o
D it0 = 1 0
U /
UV
Sedhain, Li, Lin, Jiang
APL 2010
0
d e fe k ty
10
YL
11
po
zch
w ie r
-1
eV cm
N d e f = 5 x1 0
-1
p o w ie rz c h n ia
16
cm
-2
-3
n ia
p a s m o -p a s m o
D it0 = 1 0
12
eV cm
N d e f = 5 x1 0
1 0 -2
1 0 15 1 0 16 1 0 17 1 0 18 1 0 19 1 0 20 1 0 21 1 0 22 1 0 6
Matys, Adamowicz
 (fo to n c m
-2
-1
s )
108
-1
16
cm
d e fe k ty
-2
-3
1 0 10 1 0 12 1 0 14 1 0 16 1 0 18 1 0 20
 (fo to n c m
-2
-1
s )
17
Laboratorium: komora pomiarowa
 Komora z 3 mikromanipulatorami
do kontaktów elektrycznych
[OmniVac].
 Zestaw wytwarzania i kontroli
próżni [Varian].
 Układ grzania (do 300°C)
i chłodzenia ciekłym
azotem (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 źródłem
napięciowym Keithley 6487
 Analizator impedancji
Agilent 4294A
(wł.: prof. S. Kochowski)
20
Laboratorium – stan docelowy
Pomiar
― (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 powierzchniowych
i 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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
M. Miczek, B. Adamowicz, T. Hashizume, H. Hasegawa, Optica Applicata
35 (2005) 355.
W. Izydorczyk, B. Adamowicz, M. Miczek, K. Waczyński, Physica Status
Solidi A 203 (2006) 2241.
Z. Benamara, N. Mecirdi, B. Bachir Bouiadjra, 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,
Optica Applicata 37 (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
Physics 103 (2008) 104510.
K. Ooyama, H. Kato, M. Miczek, T. Hashizume, Japanese Journal of Applied
Physics 47 (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.
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

similar documents