Zakład Fizyki Powierzchni i Nanostruktur

1. Marcin Miczek Pomiary i modelowanie komputerowestruktur mikroelektronicznychz pasywowanymi warstwami azotków(GaN, AlGaN) Zakład Fizyki Powierzchni i Nanostruktur Instytut Fizyki – Centrum Naukowo-Dydaktyczne Politechniki Śląskiej Gliwice, 16 marca 2011 roku

2. 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).

3. 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 wytwarzaniai kontroli próżni.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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. omowy bramka kontakt izolator AlGaN GaN szafir

8. 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 Physics2008

9. rekombinacjapowierzchniowa GaN SiO2 metal rekombinacjapasmo-pasmo EF EFn VG EC EF PL EFp UV, Φ –natężenie EV dryf stany powierzchniowe Dit(E) generacja rekombinacjaSRH, τSRH Model fotodetektora UV bramka SiO2 1-wymiarowy model dryftowo-dyfuzyjny struktury metal/SiO2/GaN ze stanami powierzchniowymi i idealnym izolatorem (brak upływu). n-GaN5×1015 cm-3 kontakt omowy

10. 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:

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

12. Powierzchnia a objętość (2/2) Powierzchnia słabej jakościDit(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

13. Mierzalne a niemierzalne ΔpT jest niemierzalne, ale ma wpływ namierzalną fotopojemność (ΔC) orazfotonapięcie powierzchniowe (SPV). Obliczenia metodą elementów skończonych(MES, ang. FEM) w pakiecie COMSOL Multiphysics.

14. Fotopojemność • Zależność ΔC(Φ) to krzywa w kształcie „S”, • Możliwe przełączanie zakresów za pomocąVG, • Stany powierzchniowe zmniejszają czułośći „przełączalność” zakresów detektora. Dit0 = 1011 Dit0 = 1012 eV-1cm-2 Bidziński, Miczek, Adamowicz, Mizue, Hashizume: JapaneseJ. Applied Physics 2011 – w druku

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

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

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

18. Laboratorium: komora pomiarowa • Komora z 3 mikromanipulatoramido kontaktów elektrycznych[OmniVac]. • Zestaw wytwarzania i kontrolipróżni [Varian]. • Układ grzania (do 300°C)i chłodzenia ciekłymazotem (projekt).

19. 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].

20. Elektronika • Sonda Kelvina z układemsterująco-pomiarowym [Besocke], • Pikoamperomierz ze źródłemnapięciowym Keithley 6487 • Analizator impedancjiAgilent 4294A(wł.: prof. S. Kochowski)

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

22. 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.

23. Plan dalszej pracy (1/2) • Modelowanie: • badanie wpływu stanów powierzchniowychi 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.

24. 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.

25. Publikacje (1/2) • M. Miczek, B. Adamowicz, T. Hashizume, H. Hasegawa, OpticaApplicata35 (2005) 355. • W. Izydorczyk, B. Adamowicz, M. Miczek, K. Waczyński, Physica Status Solidi A 203 (2006) 2241. • Z. Benamara, N. Mecirdi, B. BachirBouiadjra, 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, OpticaApplicata37 (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 Physics103 (2008) 104510. • K. Ooyama, H. Kato, M. Miczek, T. Hashizume, JapaneseJournal of Applied Physics47 (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.

26. Publikacje (2/2) • C. Mizue, M. Miczek, J. Kotani, T. Hashizume, JapaneseJournal of Applied Physics48 (2009) 020201. • M. Miczek, B. Adamowicz, C. Mizue, T. Hashizume, JapaneseJournal of Applied Physics48 (2009) 04C092. • C. Mizue, Y. Hori, M. Miczek, T. Hashizume, JapaneseJournal of Applied Physics50 (2011) 021001. • P. Bidziński, M. Miczek, B. Adamowicz, C. Mizue, T. Hashizume, JapaneseJournal of Applied Physics50 (2011) – w druku. Dziękuję za uwagę!