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 SiO 2 , Si 3 N 4 , kontakty RuSiO); RCIQE, Sapporo, Japonia: T. Hashizume, C. Mizue, E. Ogawa, M. Tajima, Y. Hori (laser He-Cd, fotoluminescencja, próbki).

2

Finansowanie i aparatura

1. 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 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.

AlN

6 Elektronika wysokich mocy, częstotliwości i temperatur, 5 4 3

GaN

2 niebieska,

ultrafioletowa optoelektronika

.

1 3.1

www.arguslab.com

3.2

3.3

3.4

staіa sieciowa (A) 3.5

InN

3.6

200 300 400 500 700 1000 5

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)

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.

krzywa idealna

np. SiO 2 /Si, SiN x /GaN

Q it =0 (E F =E CNL ) Q it <0 krzywa idealna bramka izolator AlGaN GaN szafir Q it =const Q it =f(V) nasycenie Q it

np. SiN x /AlGaN/GaN

Q it >0 ze stanami powierzchniowymi ze stanami powierzchniowymi 7 V V

Dotychczasowe prace (2/2)

Stany zbyt głębokie – bardzo długie czasy emisji.

Możliwości wzbudzenia głębokich stanów: 1. podwyższenie temperatury, Miczek, Mizue, Hashizume, Adamowicz: J. Applied Physics 2008 2. oświetlenie – detektor UV na bazie MIS GaN?

10 2 10 1 10 0 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 2.0

500 o C Al 0,25 Ga 0,75 N  =10 -16 cm 2 1.5

300 1.0

E C -E (eV) o C 0.5

RT f=1/  1 Hz 1 kHz 1 MHz 0.0

1 GHz 100 80 60 40 20 0 2.5

500 o C 2.0

300 o C E CNL RT  =10 -16 cm 2 t=100 s 1.5

E C -E (eV) 1.0

0.5

E D 0.0

8

Model fotodetektora

1-wymiarowy model dryftowo-dyfuzyjny struktury metal/SiO 2 /GaN ze stanami powierzchniowymi i idealnym izolatorem (brak upływu).

E F metal V G UV, Φ – natężenie SiO 2 rekombinacja powierzchniowa GaN rekombinacja pasmo-pasmo E Fn E Fp PL E C E F

UV

bramka SiO 2 n-GaN 5×10 15 cm -3 kontakt omowy stany powierzchniowe D it (E) dryf generacja E V rekombinacja SRH, τ SRH 9

   

Modelowanie fotodetektora

Równania modelu w stanie ustalonym:  2

V



x

2  

q

0 

N D p

 

n



t

  

x

  

D n



n



x



n



n



V



x

  

B

 0 

p



t

  

x

  

D p



p



x



p



p



V



x

  

B

 0 Warunki brzegowe: potencjał bramki, rekombinacja powierzchniowa, ładunek w stanach pow.

Rozwiązanie numeryczne zmodyfikowaną metodą różnic skończonych (algorytm Scharfettera -Gummela).

Analizowana wielkość: 

p T

  ,

dx

10

Powierzchnia a objętość (1/2)

Powierzchnia: gęstość stanów D

it

(E), objętość: czas życia τ

SRH

.

Powierzchnia dobrej jakości D

it

(E) = 10 11 eV -1 cm -2 .

10 12 10 10  SRH = 1 , 10 , 100 ns  SRH 10 12 nachylenie = 2 10 8 10 6 10 4 10 2 D it =10 11 eV -1 cm -2 V G =-0.1 V nachylenie = 1 10 10 10 8 10 6 D it =10 11 eV -1 cm -2 8x10 11 V G =-1 V  p T ~ log  4x10 11 0 10 10 10 14 10 18 10 10 10 12 10 14 10 16 10 18 10 20 10 4 10 8 10 10 10 12 10 14 10 16 10 18 10 20  , foton cm -2 s -1  zależność liniowa  , foton cm -2 s -1   zależność niemal kwadratowa przechodząca w logarytmiczną „wzmocnienie” Δp

T

11

Powierzchnia a objętość (2/2)

Powierzchnia słabej jakości D

it

(E) = 10 12 eV -1 cm -2 .

10 12  SRH 10 12 10 10 10 10 10 8 nachylenie = 1 10 8 nachylenie = 1  SRH 10 6 10 6 10 4 D it =10 12 eV -1 cm -2 V G =-0.1 V 10 4 D it =10 12 eV -1 cm -2 V G =-1 V 10 2 10 2 10 10 10 12 10 14 10 16 10 18 10 20 10 10 10 12 10 14 10 16 10 18 10 20  , foton cm -2 s -1  , foton cm -2 s -1     zmniejszenie Δp

T

w porównaniu z przypadkiem D

it

=10 11 eV -1 cm -2 , liniowa zależność Δp

T

(Φ) w obu przypadkach, brak „wzmocnienia”, dominacja rekombinacji powierzchniowej,

τ

SRH ma niewielkie znaczenie.

Miczek i inni: art. wysłany do 12 Solid State Communications

Mierzalne a niemierzalne

Δp T

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

D it0 = 10 11

Fotopojemność

D it0 = 10 12 eV -1 cm -2    Zależność ΔC(Φ) to krzywa w kształcie „S”, Możliwe przełączanie zakresów za pomocą V

G

, 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 (~10 12 ).

15

  

Charakteryzacja: fotoluminescencja

Pomiary podczas pobytu w RCIQE (wrzesień 2010): laser He-Cd (325 nm) i spektrometr IR/VIS/UV.

YL GL X Widoczne przejścia: pasmo -pasmo i ekscytonowe (UV), przez defekty (VIS, IR) oraz interferencja w GaN.

1 IR 2 h  (eV) BL 3 Możliwość charakteryzacji jakości powierzchni oraz objętości warstw GaN – konieczne modelowanie...

UV 4 16

Fotoluminescencja – znów modelowanie

Modyfikacja modelu: dołożenie kanałów

rekombinacji przez

defekty.

UV YL V Ga –O N E C Sedhain, Li, Lin, Jiang APL 2010 IR E V 10 0 pasmo-pasmo defekty powierzchnia 10 -1 D it0 = 10 11 eV -1 cm -2 N def = 5x10 16 cm -3 pasmo-pasmo defekty pow ierzc hnia D it0 = 10 12 eV -1 cm -2 N def = 5x10 16 cm -3 10 -2 10 15 10 16 Matys, Adamowicz 10 17 10 18 10 19 10  (foton cm -2 s -1 ) 20 10 21 10 22 10 6 10 8 10 10  10 12 10 14 (foton cm -2 10 16 s -1 ) 10 18 10 20 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

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

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.

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