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, fotoluminescencja, próbki).

Finansowanie i aparatura 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; 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); Środki inwestycyjne IF: zestaw do wytwarzania i kontroli próżni.

Plan wystąpienia Motywacja i dotychczasowe prace; Modelowanie oświetlonej struktury metal/izolator/GaN pod kątem detekcji ultrafioletu; Pomiary struktur potencjalnych fotodetektorów; Laboratorium pomiarów fotoelektrycznych; Podsumowanie i plan dalszej pracy.

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 Elektronika wysokich mocy, częstotliwości i temperatur, niebieska, ultrafioletowa optoelektronika.

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.

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. GaN AlGaN izolator bramka kontakt omowy szafir

Dotychczasowe prace (2/2) Stany zbyt głębokie – bardzo długie czasy emisji. Możliwości wzbudzenia głębokich stanów: podwyższenie temperatury, oświetlenie – detektor UV na bazie MIS GaN? Miczek, Mizue, Hashizume, Adamowicz: J. Applied Physics 2008

rekombinacja pasmo-pasmo Model fotodetektora 1-wymiarowy model dryftowo-dyfuzyjny struktury metal/SiO2/GaN ze stanami powierzchniowymi i idealnym izolatorem (brak upływu). n-GaN 5×1015 cm-3 SiO2 bramka kontakt omowy UV UV, Φ – natężenie EC EF EV rekombinacja SRH, τSRH rekombinacja pasmo-pasmo generacja EFp EFn SiO2 dryf GaN metal VG rekombinacja powierzchniowa 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:

Powierzchnia a objętość (1/2) Powierzchnia: gęstość stanów Dit(E), objętość: czas życia τSRH. Powierzchnia dobrej jakości Dit(E) = 1011 eV-1 cm-2. zależność niemal kwadratowa przechodząca w logarytmiczną „wzmocnienie” ΔpT zależność liniowa

Powierzchnia a objętość (2/2) Powierzchnia słabej jakości Dit(E) = 1012 eV-1 cm-2. 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. Miczek i inni: art. wysłany do 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.

Fotopojemność Zależność ΔC(Φ) to krzywa w kształcie „S”, Dit0 = 1012 eV-1cm-2 Dit0 = 1011 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

Charakteryzacja: fotopojemność Mizue, Miczek, Kotani, Hashizume: JJAP 2009 Dobra zgodność wyników obliczeń i pomiarów. Z pomiarów C-V wyznaczono większą gęstość stanów (~1012).

Charakteryzacja: fotoluminescencja Pomiary podczas pobytu w RCIQE (wrzesień 2010): laser He-Cd (325 nm) i spektrometr IR/VIS/UV. Widoczne przejścia: pasmo- -pasmo i ekscytonowe (UV), przez defekty (VIS, IR) oraz interferencja w GaN. Możliwość charakteryzacji jakości powierzchni oraz objętości warstw GaN – konieczne modelowanie...

Fotoluminescencja – znów modelowanie EC VGa–ON EV UV YL IR Modyfikacja modelu: dołożenie kanałów rekombinacji przez defekty. Sedhain, Li, Lin, Jiang APL 2010 Matys, Adamowicz

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).

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].

Elektronika Sonda Kelvina z układem sterująco-pomiarowym [Besocke], Pikoamperomierz ze źródłem napięciowym Keithley 6487 Analizator impedancji Agilent 4294A (wł.: prof. S. Kochowski)

Laboratorium – stan docelowy Pomiar (foto)pojemności, (foto)prądu, kontaktowej różnicy potencjałów (CPD), fotonapięcia powierzchniowego (SPV) w funkcji napięcia, częstotliwości, temperatury, natężenia światła, długości fali.

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.

Plan dalszej pracy (1/2) Modelowanie: badanie wpływu stanów powierzchniowych i defektów objętościowych na dynamikę różnych kanałów rekombinacji, uwzględnienie prądów upływu, studnia kwantowa na granicy AlGaN/GaN. Projekt fotodetektora na bazie struktur metal/izolator/GaN i metal/izolator/AlGaN/GaN: analiza wyników dotychczasowych pomiarów, projekt nowych struktur i ich wykonanie w ITE, pomiary charakterystyk nowych struktur.

Plan dalszej pracy (2/2) Laboratorium pomiarów fotoelektrycznych: modernizacja układu sterująco-pomiarowego sondy Kelvina (R. Ucka – praca dyplomowa), układ grzania i chłodzenia w komorze próżniowej (M. Setkiewicz – grant MNiSW), różne źródła UV, VIS (lasery, LD, LED, lampy), szerokopasmowy monochromator.

Publikacje (1/2) 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.

Dziękuję za uwagę! Publikacje (2/2) C. Mizue, M. Miczek, J. Kotani, T. Hashizume, Japanese Journal of Applied Physics 48 (2009) 020201. M. Miczek, B. Adamowicz, C. Mizue, T. Hashizume, Japanese Journal of Applied Physics 48 (2009) 04C092. C. Mizue, Y. Hori, M. Miczek, T. Hashizume, Japanese Journal of Applied Physics 50 (2011) 021001. P. Bidziński, M. Miczek, B. Adamowicz, C. Mizue, T. Hashizume, Japanese Journal of Applied Physics 50 (2011) – w druku. Dziękuję za uwagę!