Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Staż podoktorski w Research Center for Integrated Quantum Electronics (RCIQE) przy Uniwersytecie Hokkaido (Sapporo, Japonia) Raport naukowy Referat w Zakładzie.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Staż podoktorski w Research Center for Integrated Quantum Electronics (RCIQE) przy Uniwersytecie Hokkaido (Sapporo, Japonia) Raport naukowy Referat w Zakładzie."— Zapis prezentacji:

1 Staż podoktorski w Research Center for Integrated Quantum Electronics (RCIQE) przy Uniwersytecie Hokkaido (Sapporo, Japonia) Raport naukowy Referat w Zakładzie Fizyki Stosowanej Instytutu Fizyki Politechniki Śląskiej Gliwice, 2 kwietnia 2008 roku Marcin Miczek [ ]

2 2 Plan referatu 1.Motywacja: Dlaczego (Al)GaN, MISH 2.Wytwarzanie struktur metal/izolator/AlGaN/GaN 3.Charakteryzacja 4.Modelowanie 5.Podsumowanie i plany na przyszłość

3 3 Motywacja: Dlaczego (Al)GaN? niebieska i (nad)fioletowa optoelektronika przyrządy wielkiej częstotliwości mikroelektronika wielkich mocy i wysokich temperatur sensory SiGaAs4H-SiCh-GaNh-AlN przerwa energetyczna, eV 1,11,11,41,43,263,263,46,1 temp. topnienia, °C ruchliwość elektronów, cm 2 /(Vs) natężenie pola przebicia, MV/cm 0,30,423,311 przewodność cieplna W cm -1 K -1 1,50,50,54,51,31,32,5 rozszerzalność cieplna, K -1 2,62,65,75,7~4 3,2 ( ) 5,6 (||) 5,3 ( ) 4,2 (||) wsp. piroelektryczny nC cm -2 K -1 0,0910,75

4 4 Motywacja: Dlaczego MISH? GaN AlGaN bramka kontakt omowy GaN AlGaN izolator bramka kontakt omowy 2DEG ECEC EFEF O – płytki donor (E C –0.03 eV) Zalety izolowanej bramki mniejszy prąd upływu lepsza stabilność termiczna wyższe napięcie przebicia EVEV bramkaizolatorAlGaNGaN polaryzacja spontaniczna + efekt piezoelektryczny Q fix ~10 13 q/cm 2 stany między- powierzchniowe pułapki, ładunek stały i ruchomy wakancja N – głęboki donor (E C –0.37 eV) Ambacher i inni JAP 87 (2000) 334

5 5 Wytwarzanie struktur metal/izolator/AlGaN/GaN Oczyszczenie powierzchni Wycięcie z substratu kawałka ~ 1 cm na 1 cm Odtłuszczenie (aceton, etanol, woda + ultradźwięki) Suszenie w N 2 Kąpiel w HF:H 2 O (1:5) – usunięcie tlenków powierzchniowych i-GaN (2-3 µm ) AlGaN (25 nm) Al 2 O 3 (szafir) Al x Ga 1-x N (x=0,15; 0,25; 0,4) z modulowanym domieszkowaniem: 5 nm niedomieszkowany 15 nm N D ~10 18 cm -3 5 nm nd

6 6 Wytwarzanie struktur Wytwarzanie ultracienkiej warstwy Al 2 O 3 - proces w komorze MBE proces w plazmie N (300°C, 10 min) naniesienie 1-2 nm Al wygrzanie w próżni (700°C, 10 min) GaN AlGaN Al 2 O 3 (szafir) Al 2 O 3 AlGaN wakancja azotowa tlen rodniki azotowe N2N2 Al

7 7 Wytwarzanie struktur Nanoszenie związków krzemu SiO 2 metodą PE-CVD SiN x metodą ECR-CVD SiO 2 albo SiN x GaN AlGaN Al 2 O 3 (szafir) Al 2 O 3 SiH 4 N2ON2O grubość: nm N2N2 RF HV PE-CVD RF ECR-CVD

8 8 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 (N 2, 800 ° C, 1 min) GaN AlGaN Al 2 O 3 (szafir) izolator SPR maska kontakt omowy

9 9 Wytwarzanie struktur bramka GaN AlGaN Al 2 O 3 (szafir) izolator kontakt omowy Nanoszenie bramki – druga fotolitografia jak poprzednio, ale bez trawienia izolatora wygrzanie kontaktu (N 2, 400 ° C, 10 min) średnica: µm

10 10 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 V G (t)=V DC +V AC sin(2πft) C=ΔQ/V AC ECEC EFEF EVEV ETET wychwyt, emisja, przeładowanie stanów stany powierzchniowe pułapki objętościowe 3 mody C-V LF: stany/nośniki nadążają za V AC HF: nie nadążają za V AC, ale nadążają za zmianami V DC DD: nie nadążają ani za V AC, ani za V DC

11 11 Charakteryzacja Charakterystyka C-V struktury metal/izolator/AlGaN/GaN C V th V C GaN q·n 2DEG zubożenie akumulacja w GaN GaN AlGaN ECEC EFEF GaN AlGaN ECEC EFEF obszar czuły na stany powierzchniowe? izolator AlGaN 2DEG GaN napięcie progowe (threshold voltage)

12 12 Charakteryzacja Sprzęt pomiarowy Analizator impedancji HP 4192A LF Mała komora próżniowa z pompą rotacyjną Kontroler temperatury MMR K-20 (zjawisko Joulea-Thomsona) Parametry pomiarowe Częstotliwość: f=100 kHz Amplituda sygnału zmiennego: V AC =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 13 Charakteryzacja Nachylenie krzywej C-V praktycznie nie zmienia się z temperaturą Znaczne przesunięcie V th w stronę zera z temp. – ładunek ruchomy w SiO 2 ? Al 2 O 3 znacznie zmniejsza histerezę krzywych C-V SiO 2 /(Al 2 O 3 )/AlGaN/GaN

14 14 Charakteryzacja Lepsza stabilność termiczna w porównaniu z MISH z SiO 2 Węższa pętla histerezy – zwłaszcza w wyższych temp. Przesunięcie V th z temp. w stronę ujemnych napięć w strukturze z SiN x /Al 2 O 3 SiN x /(Al 2 O 3 )/AlGaN/GaN

15 15 Modelowanie Model matematyczny Równanie Poissona-Boltzmanna: Warunki brzegowe: V G znane, V Ohm =0 Warunki interfazowe: GaN AlGaN izolator bramka kontakt omowy VGVG V Ohm O czym trzeba pamiętać w AlGaN/GaN głębokie zubożenie (deep depletion) w GaN i AlGaN: p(V G <0)p(V G =0)<<

16 16 Modelowanie Model Shockleya-Reada-Halla PR 87 (1952) 387, 835 Ładunek w stanach powierzchniowych Bardzo długie czasy emisji z głębokich poziomów: Współczynnik efektywnej emisji: Al 0,25 Ga 0,75 N, σ= cm 2 E=E C –1 eV, T=300 K τ~3 miesiące !

17 17 Modelowanie Modyfikacja wzoru na obsadzenie stanów r. Fermiego-Diraca dla V G =0 V G <0, η e =1V G =0 EFEF EF0EF0 V G <0, η e <1 EFEF EF0EF0 ECEC EF0EF0 EVEV E CNL donory akceptory D it (E)

18 18 Modelowanie Algorytm Gummela IEEE TED 11 (1964) 455. Procedura numeryczna Linearyzacja równania: V 1 (x)=V 0 (x)+δV(x) Dyskretyzacja (metoda różnic skończonych): równanie różniczkowe równania różnicowe A·δV=R Metoda kolejnych przybliżeń: V n+1 =V n +δV n dopóki δV n nie jest wystarczająco małe Obliczenie całkowitego ładunku i różniczkowej pojemności: Aproksymacja całki Fermiego-Diraca wzorem Aymericha-Humeta SSE 24 (1981) 981 Program w C i FORTRAN-ie 77 teoretyczna krzywa C-V

19 19 Modelowanie Wpływ stanów dyskretnych na krzywą C-V i-GaN (3 µm) i-AlGaN (5 nm) kontakt omowy n-AlGaN (15 nm) N D =2×10 18 cm -3 i-AlGaN (5 nm) SiN x (5 nm) bramka Przesunięcie krzywej bez zmiany nachylenia (jak dla ładunku stałego) Przesunięcie nie zależy od temperatury

20 20 Modelowanie Wpływ stanów o rozkładzie ciągłym Przesunięcie krzywej bez zmiany nachylenia Wartość i znak przesunięcia zależy od T, D it0 i E CNL

21 21 Modelowanie Wpływ temperatury przy ustalonym D it (E) Przesunięcie zależy monotonicznie od D it0 i jest zawsze w stronę ujemnych napięć (temperatura zwiększa efektywną emisję elektronów końcowy ładunek w stanach jest większy)

22 22 Modelowanie Wyjaśnienie anomalnego zachowania Poziom Fermiego poniżej E V, gdy V G bliskie V th Niska efektywna emisja stany zamrożone

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

24 24 Modelowanie Normalne zachowanie dla 5-nm AlGaN Jak uzyskać normalne zachowanie C-V? Zapewnić, by E F >E V, gdy V GV th cieńszy AlGaN Zwiększyć emisję zwiększyć temperaturę i-GaN (3 µm) i-AlGaN (5 nm) kontakt omowy SiN x (5 nm) bramka

25 25 Modelowanie Porównanie z eksperymentem Dobra zgodność modelu z eksperymentem Dwuwarstwa SiN x /Al 2 O 3 jest obiecującym pasywantem powierzchni AlGaN i izolatorem dla struktur MIS(H)

26 26 Podsumowanie i plany na przyszłość Wnioski AlGaN/GaN zmiana nachylenia krzywej C-V 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

27 27 Literatura źródłowa Tablica na slajdzie 3 H. Okumura, Present status and future prospect of widegap semiconductor high-power devices, Jpn. J. Appl. Phys. 45 (2006) 7565 – przerwa, ruchliwość elektronów, pole przebicia, przewodność cieplna. Modelowanie M. Miczek, C. Mizue, T. Hashizume, B. Adamowicz, Effects of interface states and temperature on the C-V behavior of metal/insulator/AlGaN/GaN heterostructure capacitors, J. Appl. Phys. – w druku.


Pobierz ppt "Staż podoktorski w Research Center for Integrated Quantum Electronics (RCIQE) przy Uniwersytecie Hokkaido (Sapporo, Japonia) Raport naukowy Referat w Zakładzie."

Podobne prezentacje


Reklamy Google