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 Stosowanej Instytutu Fizyki Politechniki Śląskiej Gliwice, 2 kwietnia 2008 roku

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

Motywacja: Dlaczego (Al)GaN? Si GaAs 4H-SiC h-GaN h-AlN przerwa energetyczna, eV 1,1 1,4 3,26 3,4 6,1 temp. topnienia, °C 1412 1240 2830 2500 3000 ruchliwość elektronów, cm2/(Vs) 1350 8500 720 900 1100 natężenie pola przebicia, MV/cm 0,3 0,4 2 3,3 11 przewodność cieplna W cm-1 K-1 1,5 0,5 4,5 1,3 2,5 rozszerzalność cieplna, 10-6 K-1 2,6 5,7 ~4 3,2 () 5,6 (||) 5,3 () 4,2 (||) wsp. piroelektryczny nC cm-2 K-1 0,091 0,75 niebieska i (nad)fioletowa optoelektronika przyrządy wielkiej częstotliwości mikroelektronika wielkich mocy i wysokich temperatur sensory

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

Wytwarzanie struktur metal/izolator/AlGaN/GaN AlxGa1-xN (x=0,15; 0,25; 0,4) z modulowanym domieszkowaniem: 5 nm niedomieszkowany 15 nm ND~1018 cm-3 5 nm nd i-GaN (2-3 µm) AlGaN (25 nm) Al2O3 (szafir) 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

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 GaN AlGaN Al2O3 (szafir) Al N2 AlGaN wakancja azotowa tlen rodniki azotowe

Wytwarzanie struktur Nanoszenie związków krzemu SiO2 metodą PE-CVD grubość: 10-30 nm Nanoszenie związków krzemu SiO2 metodą PE-CVD SiNx metodą ECR-CVD SiO2 albo SiNx GaN AlGaN Al2O3 (szafir) Al2O3 RF ECR-CVD RF HV PE-CVD CVD – chemical vapor deposition, osadzanie z fazy gazowej SiH4 N2O N2

Wytwarzanie struktur Nanoszenie kontaktu omowego – fotolitografia maska 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 kontakt omowy GaN AlGaN Al2O3 (szafir) izolator

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

Charakteryzacja VG(t)=VDC+VACsin(2πft) C=ΔQ/VAC 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 EC EF EV ET 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 stany powierzchniowe pułapki objętościowe wychwyt, emisja, przeładowanie stanów

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

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

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

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

Modelowanie Model matematyczny Równanie Poissona-Boltzmanna: GaN AlGaN izolator bramka kontakt omowy VG VOhm Model matematyczny Równanie Poissona-Boltzmanna: Warunki brzegowe: VG znane, 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

Shockleya-Reada-Halla PR 87 (1952) 387, 835 Modelowanie Model Shockleya-Reada-Halla PR 87 (1952) 387, 835 Ładunek w stanach powierzchniowych Bardzo długie czasy emisji z głębokich poziomów: Współczynnik efektywnej emisji: ! Al0,25Ga0,75N, σ=10-16 cm2 E=EC–1 eV, T=300 K τ~3 miesiące

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

teoretyczna krzywa C-V Modelowanie Aproksymacja całki Fermiego-Diraca wzorem Aymericha-Humeta SSE 24 (1981) 981 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 C i FORTRAN-ie 77 teoretyczna krzywa C-V

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

Wpływ stanów o rozkładzie ciągłym Modelowanie Wpływ stanów o rozkładzie ciągłym Przesunięcie krzywej bez zmiany nachylenia Wartość i znak przesunięcia zależy od T, Dit0 i ECNL

Wpływ temperatury przy ustalonym Dit(E) Modelowanie Wpływ temperatury przy ustalonym Dit(E) Przesunięcie zależy monotonicznie od Dit0 i jest zawsze w stronę ujemnych napięć (temperatura zwiększa efektywną emisję elektronów  końcowy ładunek w stanach jest większy)

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

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

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

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

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

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.