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 Marcin Miczek
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
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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
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.
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