ZAK AD TECHNOLOGII STRUKTUR PÓ PRZEWODNIKOWYCH DLA FOTONIKI

Transkrypt

1 ZAK AD TECHLGII STRUKTUR PÓ PRZEWDIKWYCH DLA FTIKI Kierownik:prof. dr hab. in. Anna PITRWSKA tel. (0-prefiks-22) Zespó³: dr hab. in. Jerzy Ciosek, mgr Krystyna Go³aszewska, dr in. Eliana Kamiñska, mgr Andrian Kuchuk, mgr in. Renata Kruszka, mgr Ewa Papis-Polakowska, dr in. Tadeusz T. Piotrowski, dr in. Maciej Piskorski, mgr in. Lidia Ilka, mgr in. Ireneusz Wójcik in. Rados³aw ukasiewicz, in. Micha³ Wiatroszak 1. Wprowadzenie W 2003 r. Zak³ad Technologii Struktur Pó³przewodnikowych dla Fotoniki realizowa³ nastêpuj¹ce projekty badawcze: pracowanie procesów wytwarzania cienkich warstw tlenków i azotków przewodz¹cych dla potrzeb pó³przewodnikowych przyrz¹dów fotonowych, etap II, (projekt statutowy nr , termin realizacji ); Tworzenie stabilnych termicznie kontaktów omowych do przyrz¹dów pó³przewodnikowych du ej mocy/wysokiej temperatury (grant KB nr 7 T11B , termin realizacji ); Procesy obróbki powierzchni struktur pó³przewodnikowych na bazie GaSb i ich zastosowanie w technologii Ÿróde³ i detektorów podczerwieni (grant promotorski KB nr 4 T1B , termin realizacji ); Zród³a promieniowania bursztynowego/zielonego spe³niaj¹ce wymagania zastosowañ wysokotemperaturowych AGETHA (projekt EC nr IST , termin realizacji ); Systemy obrazowania o czêstotliwoœciach terahercowych dla zastosowañ biomedycznych i innych TERAVISI (projekt EC nr IST , termin realizacji ); Tlenki magnetyczne nowej generacji dla in ynierii materia³owej AMRE (projekt EC nr G5D-CT , termin realizacji ),

2 2 Zak³ad Technologii Struktur... Wytwarzanie i optymalizacja kontaktu omowego typu p do Ga DEIS (projekt EC nr G5RD-CT , termin realizacji ); anostrukturalne czujniki fotonowe APHS (projekt EC nr IST , termin realizacji ). Zak³ad œwiadczy³ równie us³ugi badawcze na zamówienie odbiorców zewnêtrznych, m. in. w zakresie opracowania procesu nak³adania masek przewodz¹cych na p³ytki GaAs stosowane do lateralnego wzrostu warstw epitaksjalnych metod¹ LPE. sobn¹ grupê dzia³alnoœci stanowi³y prace recenzenckie na rzecz Komisji Europejskiej zwi¹zane z ocen¹ projektów badawczych zg³aszanych w ramach programów User-Friendly Information Society oraz Growth. 2. Dzia³alnoœæ naukowo-badawcza 2.1. Procesy wytwarzania i w³asnoœci przezroczystych tlenków przewodz¹cych Technologia i w³asnoœci cienkich warstw Zn Tlenek cynku (Zn) dziêki szczególnej kombinacji w³aœciwoœci elektrycznych, optycznych, akustycznych i chemicznych jest materia³em wielofunkcyjnym stosowanym do wytwarzania czujników gazowych, warystorów, p³askoekranowych wyœwietlaczy, przyrz¹dów wykorzystuj¹cych akustyczne fale powierzchniowe, przezroczystych elektrod w elementach fotowoltaicznych, a tak e katalizatorów. Zn jest zwi¹zkiem pó³przewodnikowym II-VI o strukturze heksagonalnej wurcytu, charakteryzuj¹cym siê prost¹ przerw¹ zabronion¹ o szerokoœci 3,3 ev w temperaturze pokojowej. iedomieszkowany Zn wykazuje samoistne przewodnictwo typu n, a domieszkowanie pozwala osi¹gn¹æ bardzo wysok¹ koncentracjê elektronów ~1 cm 3. Podobnie jak w przypadku innych szerokoprzerwowych pó³przewodników II-VI, wytworzenie Zn typu p sprawia ogromne trudnoœci. Jest to spowodowane samokompensacj¹ p³ytkich akceptorów przez ró ne samoistne defekty donorowe, jak luki tlenowe V o lub miêdzywêz³owy cynk Zn i. Dodatkowym problemem jest wodór, stosowany powszechnie w technologii wzrostu kryszta³ów Zn, który wbudowuj¹c siê w pozycje miêdzywêz³owe tworzy p³ytki poziom donorowy zabijaj¹cy dziury. Szybki rozwój optoelektroniki na bazie Ga spowodowa³ intensyfikacjê prac nad krystalizacj¹ i domieszkowaniem Zn, materia³u o podobnej szerokoœci przerwy zabronionej i bardzo zbli onej strukturze krystalicznej. W kontekœcie zastosowañ optoelektronicznych zasadnicz¹ zalet¹ Zn jest nieomal trzykrotnie wy sza energia wi¹zania ekscytonu (60 mev) w porównaniu z Ga (26 mev), co sprawia, e ten materia³ mo e byæ znacznie wydajniejszym emiterem. Ponadto, w odró nieniu od

3 Zak³ad Technologii Struktur... 3 Ga, na rynku s¹ ju dostêpne du e monokrystaliczne pod³o a Zn. Tlenek cynku poddaje siê mokrej obróbce chemicznej. Jest on bardzo odporny na uszkodzenia radiacyjne, a jego koszt wytwarzania jest stosunkowo niski. Pojawiaj¹ce siê w ostatnim okresie doniesienia o uzyskaniu przewodnictwa dziurowego w Zn oraz prace teoretyczne zawieraj¹ce wskazówki postêpowania w celu efektywnego domieszkowania Zn akceptorami zmobilizowa³y do podjêcia wysi³ku w celu opracowania niezawodnej procedury wytwarzania Zn typu p, a dziêki temu przyrz¹dów ze z³¹czem p-n. Cienkie warstwy p-zn hodowano metod¹ epitaksji z fazy gazowej, epitaksji z wi¹zek molekularnych, ablacji laserowej, rozpylania katodowego i utleniania azotku cynku. Jako domieszkê akceptorow¹ stosowano przede wszystkim azot pochodz¹cy z ró nych Ÿróde³, jak H 3,, H 4 3, 2, 2, arsen lub fosfor. W celu zwiêkszenia efektywnoœci wprowadzania akceptorów zaproponowano metodê kodomieszkowania polegaj¹c¹ na jednoczesnym domieszkowaniu reaktywnymi donorami takimi, jak Al, Ga lub In. W ramach prac statutowych prowadzono badania w celu uzyskania przewodnictwa dziurowego w Zn. W pracach nad wytwarzaniem Zn typu p zastosowano utlenianie termiczne cienkich warstw zwi¹zków na bazie Zn lub cienkich warstw metalicznego Zn. Jako domieszkê akceptorow¹ u ywano azotu. Zastosowano trzy metody wytwarzania materia³ów na bazie Zn: wzrost metod¹ epitaksji z wi¹zek molekularnych (MBE) warstw ZnTe domieszkowanych azotem, naparowywanie pró niowe warstw Zn domieszkowanych azotem, osadzanie metod¹ rozpylania katodowego cienkich warstw Zn 3 2. Warstwy ZnTe na pod³o ach GaAs wyhodowano metod¹ MBE w Laboratorium Œrodowiskowym Fizyki i Wzrostu Kryszta³ów iskowymiarowych Instytutu Fizyki PA. Procesy utleniania prowadzono w piecu w przep³ywie tlenu. W celu unikniêcia sublimacji Zn warstwy metalicznego Zn utleniano w temperaturze nieprzekraczaj¹cej 320 o C, a zwi¹zki Zn utleniano w temperaturze do 700 o C. Badania mikrostruktury i charakteryzacjê elektryczn¹ warstw Zn wykonano we wspó³pracy z IF PA, analizê SEM we wspó³pracy z Zak³adem Badañ Materia³ów i Struktur Pó³przewodnikowych, pomiary transmisji z Zak³adem Fizyki i Technologii Struktur iskowymiarowych. Do badañ sk³adu i struktury krystalicznej tlenków stosowano metody spektroskopii masowej jonów wtórnych (SIMS) oraz dyfrakcji rentgenowskiej (XRD). Koncentracjê azotu okreœlano w oparciu o wzorzec Zn: wykonany metod¹ implantacji jonów azotu. Koncentracje innych domieszek okreœlano na podstawie badañ przy u yciu rentgenowskiej mikrosondy elektronowej. Jako materia³ pod³o owy stosowano GaAs, GaP i InP o strukturze kubicznej, Ga oraz szafir o strukturze heksagonalnej, a tak e amorficzny kwarc. Morfologiê powierzchni analizowano metodami SEM i AFM, a rezystywnoœæ warstw mierzono metod¹ sondy czteroostrzowej. Pomiary efektu Halla wykonano zarówno w konfiguracji van der Pauwa, jak i Halla stosuj¹c pr¹d 0,1 10 ma oraz pole magnetyczne

4 4 Zak³ad Technologii Struktur... o natê eniu 10 kg. Transmisjê zmierzono metod¹ spektrofotometrii wykorzystuj¹c warstwy Zn wytworzone na obustronnie polerowanym pod³o u kwarcowym. Rysunek 1 przedstawia profile SIMS warstw Zn otrzymanych w rezultacie utleniania ZnTe:. Poziom azotu wprowadzonego do Zn by³ bardzo wysoki i wynosi³ powy ej 0 at./cm Zn by oxidation of ZnTe 10 7 Zn SIMS gnal[c/s ] Te 0,0 0,1 0,2 0,3 Depth [ m] Rys. 1. Profile SIMS warstw Zn wytworzonych przez utlenianie ZnTe: Procesy naparowania Zn prowadzono w pró ni bezolejowej, przy ciœnieniu pocz¹tkowym gazów resztkowych p 0 = 10 6 Torr. W celu u³atwienia wzrostu monokrystalicznego Zn warstwy Zn osadzano na pod³o u Ga, dopasowanym sieciowo do Zn. Domieszkowanie warstw przebiega³o w ten sposób, e azot wprowadzano do zbiornika pró niowego w trakcie osadzania Zn, reguluj¹c jego ciœnienie w zakresie p 2 = Torr zaworem dozuj¹cym umieszczonym w kloszu napylarki. a rys. 2 przedstawiono profile sk³adu warstw Zn oraz Zn: na pod³o u Ga, a na rys. 3 wyniki analizy SIMS warstw Zn wytworzonych na pod³o ach InP i GaP. Eksperymenty te przeprowadzono w celu sprawdzenia mo liwoœci domieszkowania Zn fosforem w trakcie utleniania. W przypadku InP intensywnej dyfuzji fosforu do Zn towarzyszy formowanie siê wytr¹ceñ In. GaP, jako bardziej stabilny termicznie materia³, nie ulega dekompozycji w czasie utleniania Zn. Azotek cynku (Zn 3 2 ) wydaje siê byæ szczególnie obiecuj¹cym materia³em wyjœciowym do wytwarzania Zn domieszkowanego azotem. Warstwy Zn 3 2 gruboœci nm wytwarzano metod¹ reaktywnego rozpylania katodowego w plazmie Ar/ 2 z targetu Zn (99,995%). Parametry procesu osadzania zoptymalizowano pod k¹tem wytwarzania jednorodnych warstw Zn 3 2 pozbawionych wytr¹ceñ Zn. a rys. 4 przedstawiono profile sk³adu warstwy Zn 3 2 po osadzeniu oraz po utlenianiu.

5 Zak³ad Technologii Struktur... 5 a) 10 9 Zn by oxidation b) 10 8 of Zn on Ga 10 7 Zn Ga SIMS gnal [ c/s ] Depth [ m] SIMS gnal [ c/s ] 10 7 Zn Zn: by oxidation of Zn: on Ga Ga 0,0 0,1 0,2 0,3 Depth [ m] Rys. 2. Profile SIMS warstw Zn (a) i Zn: (b) wytworzonych przez utlenianie pró niowo naparowanego Zn na Ga a) b) SIMS gnal [ c/s ] Zn In P Zn:P by Zn oxidation on InP SIMS gnal [ c/s ] Zn Zn on GaP by Zn: oxidation Ga P 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Depth [ m] depth [nm ] Rys. 3. Profile SIMS warstw Zn wytworzonych przez utlenianie pró niowo naparowanego Zn na InP (a) i GaP (b) a) b) SIMSgnal [ c/s ] Zn nm as-deposited substrate 2 Zn SIMSgnal [ c/s ] Zn Zn nm substrate 2 ht@ C, 15 min. ~1 cm -3 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Depth [ m] 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Depth [ m] Rys. 4. Profile SIMS warstwy Zn 3 2 (a) oraz Zn: (b) wytworzonej w efekcie utleniania Zn 3 2

6 6 Zak³ad Technologii Struktur... Za optymaln¹ temperaturê utleniania uznano 600 o C. Procesy prowadzone w temperaturach ni szych by³y d³ugotrwa³e, a wy sze temperatury powodowa³y oddzia³ywania z materia³em pod³o a i wydyfundowywanie sk³adników pod³o a do warstwy Zn. Œwiadectwem tego s¹ profile sk³adu warstw Zn wygrzewanych w tlenie w temperaturze 700 o C przedstawione na rys. 5. W przypadku pod³o a kwarcowego widaæ wyraÿnie obecnoœæ krzemu w warstwie Zn, a w materiale wytworzonym na pod³o u Ga obserwuje siê znacz¹c¹ koncentracjê galu. a) 10 8 Zn nm b) 10 7 substrate 2 ht@ C, 5 min. Zn SIMS gnal [ c/s ] 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Depth [ m] 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Depth [ m] Przeprowadzono badania strukturalne warstw Zn 3 2 oraz warstw Zn w zale noœci od struktury materia³u pod³o owego. Rysunek 6 przedstawia dyfraktogramy rentgenowskie warstw wytworzonych na pod³o ach kwarcowych. iezale nie od pod³o a warstwy Zn 3 2 charakteryzowa³y siê zawsze du ym stopniem perfekcji krystalicznej. Warstwy Zn na pod³o ach 2 by³y polikrystaliczne, podczas gdy na dopasowanych sieciowo pod³o ach Ga monokrystaliczne. SIMS gnal [ c/s ] Zn Ga Zn nm substrate Ga ht@ C, 5 min. Rys. 5. Profile SIMS warstw Zn wytworzonych przez utlenianie Zn 3 2 na pod³o u 2 (a) oraz Ga (b). Proces utleniania prowadzono w temperaturze 700 o C. a) b) 300 Zn Zn nm 250 substrate 2 as-deposited Intensity Intensity 800 Zn Zn nm Zn 10.0 Zn10.1 K Zn substrate o C, 15 min. Zn 10.2 Zn (deg) (deg) Rys. 6. Dyfraktogramy rentgenowskie warstw Zn 3 2 (a) oraz Zn (b) wytworzonych na pod³o u 2

7 Zak³ad Technologii Struktur... 7 W³asnoœci elektryczne warstw Zn domieszkowanych azotem zosta³y zestawione w tab Tabela 1. W³asnoœci warstw Zn wytworzonych na drodze utleniania termicznego zwi¹zków na bazie Zn Materia³ wyjœciowy Utlenianie termiczne [ o C] d Zn Domieszki [at./cm 3 ] [ cm] ZnTe: na GaAs con ~3 9 at./cm nm ~0 p =1 9 cm 3 izolacyjny Zn: na Al ,4 1 m ~0 izolacyjny Tabela 2. W³asnoœci warstw Zn wytworzonych na drodze utleniania termicznego naparowanego pró niowo Zn Materia³ wyjœciowy Utlenianie termiczne [ o C] d Zn [nm] Domieszki [at./cm 3 ] [ cm] Typ Zn na niedomieszkowany izolacyjny Zn: na Ga Zn = cm max n Tabela 3. W³asnoœci warstw Zn wytworzonych na drodze utleniania termicznego warstw Zn 3 2 Materia³ wyjœciowy Utlenianie term. [ o C] d Zn [nm] Domieszki [at./cm 3 ] [ cm] Koncentr. noœników [cm 3 ] [cm 2 / /V s] Typ Zn 3 2 na Al 2 3 Zn32 = =10 2 cm conc 1 1,05 5,4 7 10,9 n Zn 3 : 2 na Al 2 3 Zn32 = =10 2 cm conc , p

8 8 Zak³ad Technologii Struktur... Rezystywnoœæ Zn uzyskanego w wyniku utleniania materia³ów osadzonych metod¹ MBE by³a bardzo wysoka, nawet gdy materia³em wyjœciowym by³ silnie domieszkowany azotem ZnTe typu p o koncentracji dziur p =1 9 cm 3, a iloœæ wprowadzonego azotu wynosi³a ~0 at./cm 3. Utlenianie Zn naparowanego w wysokiej pró ni dawa³o izolacyjny Zn, a naparowywanie w atmosferze wzbogaconej w 2 pozwala³o wytworzyæ niskooporowy Zn typu n. Porównuj¹c w³asnoœci Zn wytworzonego z cynku osadzonego w urz¹dzeniu MBE, gdzie Ÿród³em plazmy azotowej jest komórka w. cz. (tab. 1), i cynku naparowanego w atmosferze 2 (tab. 2) widzimy, e przy podobnej w obydwu przypadkach koncentracji azotu u ycie plazmy azotowej pozwala na efektywniejsze domieszkowanie, choæ nie uda³o siê jeszcze uzyskaæ materia³u typu p. Molekularny 2 wbudowuj¹c siê tworzy centra defektowe w Zn, przez co materia³ wykazuje silne przewodnictwo elektronowe. W wyniku utleniania termicznego warstw Zn 3 2 uzyskano warstwy Zn typu p o koncentracji dziur cm 3 i ruchliwoœci cm 2 /V s. ale y zaznaczyæ, e tylko warstwy o gruboœci przekraczaj¹cej 500 nm wykazywa³y przewodnictwo dziurowe. Warstwy cieñsze by³y typu n, co wskazywa³oby na istotny wp³yw stanów powierzchniowych na w³aœciwoœci elektryczne cienkich warstw Zn. Kontynuuj¹c prace nad wytwarzaniem Zn typu p przeprowadzono badania nad kodomieszkowaniem Zn metalami przejœciowymi. Domieszki wprowadzano w postaci cienkich miêdzywarstw w trakcie osadzania warstw Zn 3 2. Zgodnie z wnioskami z prac teoretycznych, w pierwszym rzêdzie przeprowadzono eksperymenty z u yciem miedzi, jednak e warstwy Zn::Cu by³y izolacyjne. Znacz¹cy postêp da³o u ycie chromu. Warstwy Zn::Cr charakteryzowa³y siê przewodnictwem dziurowym i bardzo dobrymi w³asnoœciami elektrycznymi. Rysunek 7 przedstawia profile sk³adu wielowarstwy Zn 3 2 /Cr bezpoœrednio po a) b) SIMS gnal (c/s) Zn Cr SIMS gnal (c/s) 10 7 Zn Cr Zn 3 2 :Cr (650 nm) on Al 2 3 as-deposited 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Depth (µm) Zn 3 2 :Cr (670 nm) on Al ,15min. 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Depth (µm) Rys. 7. Profile SIMS dla wielowarstwy Zn 3 2 /Cr po osadzeniu (a) oraz dla warstwy Zn::Cr typu p (b)

9 Zak³ad Technologii Struktur... 9 osadzeniu oraz po utlenianiu. Pomiary SIMS wykaza³y, e utlenione warstwy s¹ doœæ równomiernie domieszkowane azotem i chromem. W celu scharakteryzowania w³asnoœci krystalicznych warstw p-zncr: przeprowadzono badania przy u yciu dyfraktometru Philips X Pert MPD i promieniowania Cu K 1 ( = 1, A). Dyfraktogram przedstawiony na rys. 8 pokazuje, e mamy do czynienia z polikrystalicznym, heksagonalnym Zn bez wytr¹ceñ innych faz. Szerokoœæ przerwy zabronionej Zn, wyznaczona z pomiarów transmisji (rys. 9), wynosi 3,27 ev dla materia³u domieszkowanego azotem oraz azotem i chromem. W³asnoœci elektryczne warstw Zn::Cr zestawiono w tab Intensity Zn::Cr(655 nm) on 2 5% Cr T (x 100%) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Zn 3 2 ht@ C15min. Zn 3 2 :Cr ht@ C15min. 2 substrate (deg) Rys. 8. Dyfraktogram rentgenowski warstwy p-zn 0,95 Cr 0,05 : na pod³o u 2 0, Wavelength [nm] Rys. 9. Transmisja warstw Zn domieszkowanych azotem, kodomieszkowanych manganem i chromem Tabela 4. W³asnoœci elektryczne warstw Zn:n:Cr wytworzonych na drodze utleniania termicznego Zn 3 2 domieszkowanego Cr Materia³ wyjœciowy Utlenianie termiczne [ o C] d Zn [nm] Domieszki Koncentr. noœników [cm 3 ] [cm 2 /V s] Typ Zn 3 2 :Cr Zn 3 2 :Cr Zn 3 2 :Cr at./cm 3 Cr~1,4% 1 at./cm 3 Cr~4% 1 at./cm 3 Cr~12% 1, p p 4, p Przewodnictwo p-zncr: roœnie ze wzrostem zawartoœci Cr w wyjœciowym Zn 3 2. ale y przy tym podkreœliæ, e obecnoœæ Cr pozwala na wytworzenie materia³u typu p o gruboœci poni ej 400 nm.

10 10 Zak³ad Technologii Struktur... a) b) Rys. 10. brazy SEM (a) i AFM (b) powierzchni warstw Zn wytworzonych na pod³o u Al 2 3 Mikrostrukturê powierzchni warstw Zn wytworzonych na pod³o u Al 2 3 przedstawiono na rys Technologia i w³asnoœci cienkich warstw IT Tlenek indowo-cynowy (IT) jest jednym z wa niejszych materia³ów w grupie przezroczystych tlenków przewodz¹cych. jego atrakcyjnoœci decyduj¹: dobre przewodnictwo elektronowe, wysoka transmisja w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni, dobra adhezja do pod³o y zarówno pó³przewodnikowych, jak i szkie³ oraz materia³ów organicznych, stabilnoœæ w³aœciwoœci chemicznych. Cienkie warstwy IT znajduj¹ zastosowanie w elementach optoelektronicznych takich, jak organiczne diody elektroluminescencyjne (LEDs), ogniwa s³oneczne, lasery jako przezroczyste kontakty omowe, a tak e jako warstwy czynne w optycznych czujnikach gazów. Wysokiej jakoœci warstwy IT mog¹ byæ wykonywane ró nymi metodami (naparowanie pró niowe, naparowanie reaktywne, rozpylanie katodowe, nanoszenie chemiczne sol-gel ), a magnetronowe rozpylanie katodowe stanowi wœród nich wa n¹ technikê, której podstawowymi zaletami s¹: wysoka jakoœæ otrzymywanych warstw, du a szybkoœæ osadzania i mo liwoœæ bardzo precyzyjnej kontroli gruboœci warstwy. Celem pracy by³o okreœlenie optymalnych warunków nak³adania warstw IT, mog¹cych s³u yæ jako przezroczyste kontakty omowe do optoelektronicznych przyrz¹dów pó³przewodnikowych na bazie GaAs, Ga i GaSb, oraz scharakteryzowanie otrzymanych warstw pod wzglêdem wybranych parametrów elektrycznych i optycznych. Charakteryzacja materia³ów tlenkowych obejmowa³a pomiary rezystancji warstw IT (sonda czteroostrzowa i metoda TLM), szybkoœci ich nak³adania (pomiar gruboœci wykonywano za pomoc¹ profilometru Tencor -step 200), transmisji widmowej (spektrofotometr Perkin Elmer Lambda 9 w Zak³adzie Fizyki i Technologii Struktur iskowymiarowych ITE) oraz pomiary elipsometryczne (elipsometr spektroskopowy VASE J. A. Woollam w Zak³adzie Badania Struktur MS)

11 Zak³ad Technologii Struktur pozwalaj¹ce na wyznaczenie zale noœci widmowych wspó³czynnika za³amania i wspó³czynnika ekstynkcji oraz gruboœci warstwy i jej rodzaju. a podstawie pomiarów transmisji wyznaczano tak e szerokoœæ przerwy zabronionej badanych tlenków. Warstwy tlenku indowo-cynowego nak³adano metod¹ magnetronowego rozpylania katodowego z targetu IT (90% In 2 3 :10% Sn 2 ) o czystoœci 99,99% w atmosferze argonu i temperaturze otoczenia w urz¹dzeniu Leybold Z400. Badano wp³yw mocy Ÿród³a RF (w zakresie W) oraz ciœnienia argonu (p Ar = mbar) na rezystywnoœæ warstwy (rys. 11). ajni sz¹ rezystywnoœæ, ~ cm, uzyskano dla mocy na poziomie 100 W (I = 100 ma, U~1 kv). Zmiana ciœnienia argonu w granicach od mbar do mbar przy sta³ym pr¹dzie katody I = 150 ma powoduje wzrost rezystywnoœci warstwy od 7, do 1, cm. a) b) Rezystywnoœæ ( cm) 2.5x x x x x x10-3 Traget IT p Ar =5x10-3 mbar Rezystywnoœæ ( cm) 1.1x x x x x x10-3 Target IT I = 150 ma Pr¹d katody (ma) 6.0x10-4 2x10-3 4x10-3 6x10-3 8x10-3 1x10-2 Ciœnienie Ar (mbar) Rys. 11. Zale noœæ rezystywnoœci warstwy IT od wartoœci pr¹du katody (a) i ciœnienia Ar (b) Wprowadzenie niewielkiej domieszki tlenu do plazmy Ar + spowodowa³o wielokrotny wzrost rezystywnoœci warstwy: z 7, cm do 5, cm dla p 2 = = mbar i 2, cm dla p 2 = mbar (rys. 12a). Jak widaæ, w przypadku warstw otrzymywanych metod¹ sputteringu RF z targetu IT obecnoœæ tlenu ma negatywny wp³yw na rezystywnoœæ warstwy IT. Poziom rezystywnoœci warstwy jest równie zwi¹zany z jej gruboœci¹. Wp³yw gruboœci warstwy przedstawiono na rys. 12b. Profile SIMS warstwy otrzymanej na pod³o u GaAs przy pr¹dzie I = 150 ma i ciœnieniu argonu p Ar = mbar s¹ pokazane na rys. 13, a obrazy SEM i AFM powierzchni tej warstwy na rys. 14. Warstwy IT osadzone na pod³o ach kwarcowych zosta³y poddane obróbce termicznej w temperaturze 300 C w ci¹gu 1 godz. w atmosferze azotu. Rezystywnoœæ warstw spad³a do poziomu cm, przy czym najwiêkszy spadek wartoœci obserwowano dla warstw osadzanych przy P > 200 W.

12 12 Zak³ad Technologii Struktur... a) b) Rezystywnoœæ ( cm) 2.5x10-2 Target IT I = 150 ma 2.0x10-2 p = 2x10-3 mbar 1.5x x x10-3 Rezystywnoœæ ( cm) 8.0x10-4 Traget IT I=150mA 6.0x10-4 p Ar =5x10-3 mbar 4.0x x x10-4 4x10-4 6x10-4 8x10-4 1x10-3 Ciœnienie 2 (mbar) Gruboœæ warstwy (nm) Rys. 12. Zale noœæ rezystywnoœci warstwy IT od ciœnienia tlenu (a) i gruboœci warstwy (b) In Ga As Sygna³ SIMS (c/s) Sn G³êbokoœæ trawienia (nm) Rys. 13. Profil SIMS warstwy IT na pod³o u GaAs a) b) rms = 2.4 nm Rys. 14. braz SEM (a) i AFM (b) powierzchni IT na pod³o u GaAs (d = 100 nm, I = 150 ma, p Ar = mbar) a rys. 15 przedstawiono zale noœci widma transmisji warstw IT od warunków osadzania. Zwiêkszenie zarówno mocy Ÿród³a RF, jak i ciœnienia Ar obni a wyraÿnie poziom transmisji warstwy w ca³ym zakresie pomiarowym. a podstawie pomiarów transmisji wyznaczono szerokoœæ przerwy zabronionej wytworzonego tlenku indowo-cynowego E g, która wynosi 3,9 ev. Zwiêkszenie

13 Zak³ad Technologii Struktur a) b) Transmisja 0.6 IT 0.4 p = 5x10-3 mbar d = 200 nm I = 100 ma 0.2 I = 150 ma I = 220 ma D³ugoœæ fali (nm) Transmisja 0.6 IT I = 150 ma 0.4 d = 200 nm p = 2x10-3 mbar 0.2 p = 5x10-3 mbar p = 1x10-2 mbar D³ugoœæ fali (nm) Rys. 15. Zale noœci widmowe transmisji warstw IT od warunków osadzania mocy RF powoduje zmniejszenie szerokoœci przerwy energetycznej, natomiast zmiany ciœnienia Ar nie maj¹ adnych konsekwencji. a rys. 16 przedstawiono obraz zmian transmisji warstw w wyniku obróbki termicznej (warunki wygrzewania T = 300 o C, 2, t = 1 godz.). ajwiêkszy wp³yw obserwuje siê dla d³ugoœci fali powy ej 750 nm. bróbka termiczna powoduje przesuniêcie granicy pasma absorpcji w kierunku fal krótszych. Szerokoœæ przerwy zabronionej zwiêksza siê z 3,92 ev do 4,56 ev Transmisja IT,d=200nm p=5x10-3 mbar I=150mA po osadzeniu po 300 o C, 1 h, D³ugoœæ fali (nm) Rys. 16. Zale noœci widmowe transmisji warstw IT przed i po procesie obróbki termicznej a) b) Wspó³czynnik za³amania Target IT p Ar =5x10-3 mbar = 550 nm d=200nm Wspó³czynnik za³amania Target IT I = 150 ma = 550 nm d = 200 nm Pr¹d katody I (ma) x10-3 4x10-3 6x10-3 8x10-3 1x10-2 Ciœnienie Ar (mbar) Rys. 17. Zale noœæ wspó³czynnika za³amania warstwy IT od pr¹du katody (a) i ciœnienia argonu (b)

14 14 Zak³ad Technologii Struktur... Index of refraction 'n' n ito ptical Constants k I=150mA p = 2.5x10-3 mbar d=200nm Extinction Coefficient 'k' Wavelength (nm) Rys. 18. Zale noœci widmowe wspó³czynników za³amania i ekstynkcji wyznaczone metod¹ elipsometrii spektroskopowej Pomiary elipsometryczne daj¹ obraz zmian wartoœci wspó³czynników za³amania i ekstynkcji w zakresie widmowym od 300 nm do 1100 nm. Zale noœæ zmian wartoœci wspó³czynnika za³amania dla = 550 nm od mocy RF i ciœnienia Ar przedstawiono na rys. 17, a przyk³ad zale noœci widmowych wspó³czynników za³amania i ekstynkcji obliczonych metod¹ elipsometrii spektroskopowej dla warstw IT na rys Technologia i w³asnoœci kompozytów tlenkowych uk³adu Zr-- Kompozytowe materia³y tlenkowe stanowi¹ klasê materia³ów o nowych w³asnoœciach fizyko-chemicznych w stosunku do chemicznie czystych materia³ów tlenkowych. Warstwy materia³ów kompozytowych charakteryzuj¹ siê w³asnoœciami poœrednimi w odniesieniu do ich poszczególnych sk³adników. Poprzez zmianê proporcji sk³adników w kompozycie mo na wp³ywaæ na takie parametry, jak: d³ugoœæ fali, dla której wystêpuje krawêdÿ pasma absorpcji; poziom absorpcji promieniowania w funkcji d³ugoœci fali; wartoœæ wspó³czynnika za³amania; odpornoœæ materia³u na uszkodzenia mechaniczne; odpornoœæ materia³u na oddzia³ywanie chemiczne, szczególnie na oddzia³ywania czynników œrodowiskowych (np. wilgotnoœci); odpornoœæ materia³u na dzia³anie promieniowania, a w szczególnoœci promieniowania laserowego o du ej gêstoœci mocy; poziom naprê eñ w warstwach; kinetykê i iloœæ gazów adsorbowanych na powierzchni (parametry rozpatrywane w sensorach gazów). Te w³asnoœci materia³owe maj¹ podstawowe znaczenie przy projektowaniu warstw kompozytowych dla przyrz¹dów optoelektronicznych, choæ w praktyce wystêpuje koniecznoœæ kompromisowego wyboru poszczególnych cech, poniewa s¹ one we wzajemnej korelacji.

15 Zak³ad Technologii Struktur Z punktu widzenia optycznych zastosowañ kompozytów korzystnie jest, gdy krawêdÿ pasma absorpcji wystêpuje dla krótszych fal. Tego typu kompozyty znajduj¹ zastosowanie w uk³adach laserowych generuj¹cych promieniowanie w zakresie ultrafioletu oraz przy projektowaniu bramek elektronicznych o coraz mniejszych wymiarach. Przesuniêcie krawêdzi w kierunku krótszych fal powi¹zane jest równie z ni szym poziomem absorpcji promieniowania w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni. Fakt ten wp³ywa na zmniejszenie strat cieplnych przepuszczanego promieniowania. W przypadku wi¹zek laserowych du ych mocy materia³ taki wykazuje wiêksz¹ odpornoœæ na uszkodzenia. W 2003 r. by³y prowadzone badania nad wytwarzaniem kompozytów Zr-- na bazie tlenków 2 i Zr 2. Wybór tych tlenków by³ podyktowany relatywnie du ¹ ró nic¹ wspó³czynników za³amania obu materia³ów (n Zr2 = 2,05, n 2 = 1,44 dla = = 550 nm) oraz po³o eniem krawêdzi ich pasm absorpcji (190 nm dla materia³u litego 2 i 280 nm dla Zr 2 ). a podstawie diagramu fazowego uk³adu 2 -Zr 2 mo na stwierdziæ, e dla proporcji 2 :Zr 2 = 1:1 wystêpuje jeden zwi¹zek Zr 4, a zatem istnieje mo liwoœæ otrzymania materia³u kompozytowego o sk³adzie regulowanym proporcjami obu tlenków. Dobieraj¹c odpowiednio iloœci tlenków uzyskuje siê mo liwoœæ kontrolowanej zmiany wspó³czynnika za³amania kompozytu Zr-- w przedziale 1,44 2,05 oraz regulowania po³o enia krawêdzi pasma absorpcji w zakresie nm. Takie postêpowanie ma wa ny aspekt praktyczny, umo - liwia bowiem uzyskanie materia³u o ¹danej wartoœci wspó³czynnika za³amania lub krawêdzi pasma przewodnictwa w sytuacji, gdy nie istnieje czysty chemicznie tlenek o odpowiednich parametrach. astêpnym powodem wyboru obu tlenków jest fakt ich powszechnego stosowania jako materia³ów warstw w zwierciad³ach laserowych odpornych na dzia³anie wi¹zek du ej mocy. Wi¹ e siê to z zastosowaniem tlenków krzemu i cyrkonu w technice laserowej dla generacji (zwierciad³a laserowe, pow³oki antyrefleksyjne na elementach aktywnych optycznie) i przesy³ania wi¹zek (dzielniki wi¹zek, polaryzatory, zwierciad³a i pow³oki antyrefleksyjne na elementach pasywnych, filtry interferencyjne) w zakresach od ultrafioletu (UV) do bliskiej podczerwieni (IR). Warstwa kompozytowa by³a nanoszona metod¹ jednoczesnego parowania z dwóch tygli, w których materia³ by³ topiony niezale nie sterowanym dzia³em elektronowym. Proces przeprowadzono w urz¹dzeniu A1000 firmy Leybold w Instytucie ptoelektroniki WAT (IE). Przed procesem osadzania powierzchnie p³askorównoleg³ych pod³o y ze szk³a BK7 i (100) by³y myte w gor¹cych rozpuszczalnikach organicznych i p³ukane w wodzie dejonizowanej. W trakcie procesu nanoszenia pod³o a by³y umieszczone na karuzeli w odleg³oœci ok. 80 cm od Ÿróde³ parowania i obraca³y siê z prêdkoœci¹ 6 obr./min. Materia³ami Ÿród³owymi by³y pastylki 1gZr 2 o czystoœci 99,5% i granulki 2 (99,95%) o wymiarach 1 3 mm. Procesy prowadzono przy ciœnieniu bazowym 0,3 mpa, temperaturze pod³o y 553 K i reaktywnym dotlenianiu przy ciœnieniu tlenu p 2 = 8 mpa. Gruboœæ nanoszonych

16 16 Zak³ad Technologii Struktur... warstw, kontrolowana miernikiem optycznym MS2000, wynosi³a 8 x 550/4 nm. Szybkoœæ nanoszenia (pomiar miernikami kwarcowymi) wynosi³a 4,2 nm/s dla 2 i 1,6 nm/s dla Zr 2. Warstwy kompozytowe charakteryzowano metodami optycznymi (spektrometr Lambda 9 Perkin Elmer IE WAT, elipsometr VASE J. A. Woollam), rentgenowskimi (XRD Philips X Pert MPD; Cu K, IF PA, XPS VG Scientific; Mg K IChF PA) i za pomoc¹ mikroskopu si³ atomowych (AFM anoscope IIIa, IF PA). Badania XRD wykaza³y amorficzn¹ strukturê niewygrzewanej warstwy Zr-- na pod³o u (krzywa a na rys. 19). Warstwê Zr-- poddano nastêpnie obróbce termicznej zarówno technik¹ RTP, jak i w piecu grzanym oporowo. Wygrzewanie warstw metod¹ RTP przez okres 10 min nie powodowa³o zmiany struktury a do temperatury 1273 K (krzywe b i c ). Wygrzewanie w piecu grzanym oporowo przez 1 godz. w temperaturze 1373 K i 1473 K wywo³a³o pojawienie siê szerokich pików œwiadcz¹cych o wykrystalizowywaniu siê tetragonalnej struktury Zr 2 (krzywe d i e) e Zr d Zr2 I [cps] 2000 c 1000 b a angle 2 [deg] Rys. 19. Dyfraktogram rentgenowski warstwy Zr-- na pod³o u (100): bez wygrzewania (krzywa a); po wygrzewaniu metod¹ RTP przy temperaturze T = 873 K, t = 10 min, 2 (2 l/min) (krzywa b); po wygrzewaniu metod¹ RTP przy temperaturze T = 1273 K, t = 10 min, 2 (2 l/min) (krzywa c); po wygrzewaniu w piecu grzanym oporowo przy temperaturze T = 1373 K, t = 1 godz., w powietrzu (krzywa d); po wygrzewaniu w piecu grzanym oporowo przy temperaturze T = 1473 K, t = 1 godz., w powietrzu (krzywa e) Rys. 20. Charakterystyka przegl¹dowa widma XPS dla Zr 0,28 0,72 2

17 Zak³ad Technologii Struktur Badania XPS umo liwi³y okreœlenie sk³adu badanej warstwy Zr 0,28 0,72 2. Bior¹c pod uwagê szybkoœci nanoszenia (iloœci) tlenków sk³adowych, otrzymano sk³ad zgodny z oczekiwaniami. Charakterystyka przegl¹dowa widma XPS zosta³a przedstawiona na rys. 20. a rys. 21 pokazano obrazy AFM powierzchni warstwy Zr-- na³o onej na pod³o a ze szk³a BK7 (rms = 1,729 nm, rys. a) i (100) (rms = 1,409 nm, rys. b), a na rys. 22 wynik analizy powierzchni Zr-- na pod³o u krzemowym poddanej obróbce termicznej metod¹ RTP w temperaturze 1273 K przez 10 min w atmosferze tlenu. a) b) Rys. 21. brazy AFM powierzchni warstwy Zr-- na³o onej na pod³o a ze szk³a BK7 (a) i (100) (b) Rys. 22. Wynik analizy powierzchni Zr-- na pod³o u krzemowym po obróbce termicznej metod¹ RTP w temperaturze 1273 K przez 10 min w atmosferze tlenu

18 18 Zak³ad Technologii Struktur... Metod¹ elipsometrii spektroskopowej wyznaczono wartoœci zespolonego wspó³czynnika za³amania otrzymanej warstwy Zr-- na pod³o u (100) (rys. 23) a) b) Model Cauchy 2 Zr-- 679,89 nm 1 2 /13.3% void nm 0 (100) pod³o e nm Rys. 23. Model elipsometryczny (a) oraz zale noœci dyspersyjne wspó³czynników za³amania i ekstynkcji (b) warstwy Zr-- w zakresie widmowym od 250 nm do 1100 nm. Wyznaczona gruboœæ fizyczna warstwy wynosi 680 nm, wspó³czynnik za³amania dla d³ugoœci fali = 550 nm wynosi 1,625, a krawêdÿ pasma absorpcji odpowiada d³ugoœci fali = 250 nm Procesy wytwarzania i w³asnoœci azotków przewodz¹cych Stabilne termicznie metalizacje maj¹ decyduj¹cy wp³yw na wydajnoœæ i niezawodnoœæ przyrz¹dów pó³przewodnikowych stosowanych w uk³adach du ej mocy i/lub du ej czêstotliwoœci. Jednym z nowoczesnych rozwi¹zañ w tej dziedzinie jest zastosowanie przewodz¹cych mieszanin amorficznych, sk³adaj¹cych siê z trzech elementów: metalu z grupy trudnotopliwych (TM), tj. tantalu, wolframu, tytanu lub molibdenu, krzemu (alternatywnie boru lub wêgla) oraz azotu. ajwiêcej prac poœwiêconych jest badaniom mieszanin TM--, a prezentowane wyniki wskazuj¹ na ich doskona³¹ stabilnoœæ termiczn¹ wynikaj¹c¹ z faktu, e przejœcie z fazy amorficznej do krystalicznej nastêpuje dopiero w temperaturze powy ej 800 o C. Wyj¹tkowa kombinacja takich cech, jak doœæ niska rezystywnoœæ, amorficzna struktura wolna od dróg ³atwej dyfuzji, a tak e wysoka odpornoœæ termiczna i chemiczna sprawiaj¹, e materia³y te znajduj¹ coraz szersze zastosowanie jako bariery dyfuzyjne w systemach metalizacji przyrz¹dów pó³przewodnikowych. W 2003 r. by³y badane procesy osadzania oraz stabilnoœæ termiczna cienkich amorficznych warstw Ta- i Ta-- oraz ich przydatnoœæ jako barier dyfuzyjnych dla Au i Ag w uk³adach metalizacji Au/GaAs i Ag/GaAs. Podstawow¹ kwesti¹ tych badañ by³o okreœlenie wp³ywu zawartoœci azotu w warstwach Ta-- na ich mikrostrukturê, w³asnoœci elektryczne i barierowe.

19 Zak³ad Technologii Struktur pornoœæ warstw wyznaczano sond¹ czteroostrzow¹, gruboœæ warstw mierzono profilometrem TECR -step 200, pomiary naprê eñ wykonywano za pomoc¹ optycznego miernika naprê eñ TECR FLX Sk³ad warstw oznaczano metod¹ RBS stosuj¹c 2 MeV wi¹zkê jonów He +, a analizê danych prowadzono za pomoc¹ programu symulacyjnego RUMP (we wspó³pracy z Instytutem Problemów J¹drowych im. A. So³tana). Mikrostrukturê badano metod¹ XRD (Philips X Pert MPD; Cu K IF PA), morfologiê i chropowatoœæ powierzchni metod¹ AFM (anoscope IIIa, IF PA). Cienkie warstwy uk³adu Ta-- by³y wytwarzane metod¹ reaktywnego rozpylania katodowego RF w urz¹dzeniu Leybold L560 z u yciem targetu Ta 5 3 o czystoœci 99,95%. Urz¹dzenie to jest wyposa one w katody magnetronowe. Przep³yw gazów procesowych (Ar i 2 ) jest regulowany za poœrednictwem przep³ywomierzy MFC, a pocz¹tkowe ciœnienie w komorze pró niowej wynosi typowo mbar. Warstwy Ta-- by³y osadzane na pod³o ach z pó³izolacyjnego GaAs o orientacji (100). Przed procesem osadzania metalizacji pod³o a GaAs myto w rozpuszczalnikach organicznych, a nastêpnie trawiono kolejno w roztworach H 4 H:H 2 2 :H 2 = 20:7:973 (t = 1 min) oraz H 4 H:H 2 = 1:10 (t = 15 s) i suszono w strumieniu czystego 2. Charakteryzacja otrzymywanych warstw obejmowa³a pomiary sk³adu chemicznego, mikrostruktury, rezystywnoœci i naprê eñ oraz okreœlenie zale noœci tych charakterystyk od podstawowych parametrów procesu osadzania: przep³ywu azotu i mocy RF. Celem okreœlenia stabilnoœci termicznej kontaktów GaAs/Ti-- poddano je procesom obróbki termicznej w konwencjonalnym piecu z przep³ywem argonu. Zakres stosowanych temperatur obróbki termicznej obejmowa³ o C, czas wygrzewania 5 min. Dla wybranych struktur procesy obróbki termicznej by³y prowadzone w piecu RTP (Ar, 300 s). W celu okreœlenia w³asnoœci barierowych Ta-- (jako bariery antydyfuzyjnej) w uk³adach metalizacji zawieraj¹cych Au i Ag (typowe warstwy monta owe) przeprowadzono analogiczne badania struktur dwuwarstwowych GaAs/Ta--/Au i GaAs/Ta--/Ag, w których wierzchnie warstwy (Au, Ag) wytwarzano metod¹ naparowywania pró niowego. trzymane wyniki wykaza³y, e stosuj¹c jako materia³ wyjœciowy stop (target) Ta 5 3 oraz zak³adaj¹c standardowe parametry procesu rozpylania katodowego w atmosferze obojêtnej (Ar, P = W, p = mbar), uzyskuje siê struktury cienkowarstwowe Ta- charakteryzuj¹ce siê stosunkiem zawartoœci Ta: = 2, rezystywnoœci¹ 2, cm, naprê eniami 1 GPa i struktur¹ drobnokrystaliczn¹ o znacznym stopniu zamorfizowania. Rozpylanie reaktywne w atmosferze Ar + 2 w zasadniczy sposób wp³ywa na kinetykê procesu wzrostu, a co za tym idzie na sk³ad chemiczny, mikrostrukturê, w³asnoœci elektryczne i mechaniczne otrzymywanych struktur cienkowarstwowych uk³adu Ta--.

20 20 Zak³ad Technologii Struktur... Wp³yw parametrów osadzania przep³ywu 2 i mocy RF na sk³ad chemiczny, rezystywnoœæ i naprê enia warstw Ta-- przedstawiono na rys. 24. trzymane wyniki wskazuj¹ na monotoniczn¹ zale noœæ rezystywnoœci warstw Ta-- od mocy RF i przep³ywu 2 : zmniejszanie siê rezystywnoœci przy wzroœcie mocy RF i wzrost rezystywnoœci przy wzroœcie zawartoœci azotu w warstwie. Z kolei zale noœæ naprê eñ w funkcji mocy RF i przep³ywu azotu ma charakter niemonotoniczny, co nak³ada dodatkowe ograniczenia w wyborze optymalnych warunków procesu. a) Sk³ad warstwy [ at% ] P = 200 W f Ar = 100 sccm Ta Sk³ad warstwy [ at% ] Ta f 2 = 8 sccm f Ar = 100 sccm Przep³yw azotu f 2 [ sccm ] Moc P RF [W] b) 10-1 P = 200 W f Ar = 100 sccm 10-1 Ta Rezystywnoœæ [ cm] Ta Ta Ta Rezystywnoœæ [ cm] f 2 = 8 sccm f Ar = 100 sccm Ta Ta Przep³yw azotu f 2 [ sccm ] Moc P RF [W] c) aprê enia [GPa] -0.5 Ta Ta Ta P = 200 W f Ar = 100 sccm aprê enia [GPa] Ta Ta f 2 = 8 sccm f Ar = 100 sccm Ta Przep³yw azotu f 2 [sccm] Moc P RF [W] Rys. 24. Sk³ad chemiczny (a), opornoœæ (b) i naprê enia (c) warstw Ta--w funkcji przep³ywu 2 i mocy RF

21 Zak³ad Technologii Struktur Przep³yw azotu ma bardzo istotny wp³yw na sk³ad chemiczny i strukturê krystaliczn¹ warstw Ta--, o czym œwiadcz¹ dyfraktogramy XRD przedstawione na rys. 25. Wraz ze wzrostem zawartoœci azotu w warstwie nastêpuje przejœcie od struktury drobnokrystalicznej do amorficznej. ajbardziej perspektywicznymi w odniesieniu do metalizacji stabilnych termicznie wydawa³y siê warstwy o sk³adzie Ta 0,40 0,24 0,36 oraz Ta 0,34 0,25 0,41. a) Liczba zliczeñ GaAs(200) GaAs(400) GaAs/Ta (100 nm) b) [ deg] Liczba zliczeñ GaAs(200) GaAs(400) GaAs/Ta (100 nm) c) Liczba zliczeñ [ deg] P RF = 200 W Ta f 2 = 20 sccm Ta f 2 = 12 sccm Ta f 2 = 10 sccm Ta f 2 = 8 sccm Ta f 2 = 5 sccm Ta f 2 = 2 sccm Ta [ deg] Rys. 25. Wp³yw parametrów procesu reaktywnego rozpylania katodowego (P = 200 W, f 2 =2 20 sccm) na mikrostrukturê warstw Ta x 1 x y y: a), b) pe³ne widma XRD kontaktów GaAs/Ta 0,67 0,33 i GaAs/ /Ta 0,34 0,25 0,41, c) fragmenty widm XRD ilustruj¹ce strukturê warstw Ta-- o rosn¹cej zawartoœci azotu

22 22 Zak³ad Technologii Struktur... S³usznoœæ przyjêtych za³o eñ w pe³ni potwierdzi³y wyniki badañ odpornoœci termicznej analizowanych metalizacji: wyniki analiz XRD (tabl. 5, rys. 26), AFM (rys. 27) i SIMS (rys. 28) kontaktów GaAs/Ta- i GaAs/Ta-- oraz analiz rezystancji i RBS struktur GaAs/Ta--/Au i GaAs/Ta--/Ag poddanych obróbce termicznej (rys ). Tabela 5. Wp³yw obróbki termicznej na mikrostrukturê kontaktów GaAs/Ta x 1 x y y Metalizacja d = 100 nm bróbka termiczna 600 o C, 5 min 800 o C, 5 min 1000 o C, 5 min GaAs/Ta 0,67 0,33 Ta 0,67 0,33 Ta Ta 2 Ta Ta 2 GaAs/Ta 0,34 0,25 0,41 Ta 0,34 0,25 0,41 Ta 0,34 0,25 0,41 Ta 5 3 +Ta 0,2 0,8 a) b) Liczba zliczeñ Liczba zliczeñ T = C GaAs(200) T = C po osadzeniu GaAs/Ta (100 nm) -Ta 5 3 -Ta [ deg ] GaAs (200) T = C T = C po osadzeniu 1000 GaAs/Ta (100nm) [ deg ] GaAs (400) GaAs(400) -Ta.2.8 -Ta 5 3 Rys. 26. Wp³yw procesów wygrzewania na mikrostrukturê kontaktów: a) GaAs/Ta 0, 6 7 0,33, b) GaAs/ /Ta 0,34 0,25 0,41

23 Zak³ad Technologii Struktur a) b) c) d) e) f) Rys. 27. brazy AFM powierzchni warstw: Ta 0,67 0,33 po osadzeniu (a) i wygrzewaniu w 700 o C, 5 min (b), Ta 0,40 0,24 0,36 po osadzeniu (c) i wygrzewaniu w 900 o C, 5 min (d), Ta 0,34 0,25 0,41 po osadzeniu (e) i wygrzewaniu w 900 o C, 5 min (f)

24 24 Zak³ad Technologii Struktur... a) b) c) As As As Liczba zliczeñ [ c/s ] Ta GaAs/Ta po osadzeniu Ga Liczba zliczeñ [ c/s ] Ta GaAs/Ta o C, 5 min, Ar Ga Liczba zliczeñ [ c/s ] Ta GaAs/Ta o C, 5 min, Ar Ga Liczba zliczeñ [ c/s ] Czas trawienia [ s ] Ta GaAs/Ta po osadzeniu Ga Czas trawienia [ s ] d) e) f) Liczba zliczeñ [ c/s ] Ta GaAs/Ta o C, 5 min, Ar Ga Liczba zliczeñ [ c/s ] Czas trawienia [ s ] Ta GaAs/Ta o C, 5 min, Ar Ga Czas trawienia [ s ] Czas trawienia [ s ] Czas trawienia [ s ] g) h) i) Liczbazliczeñ[c/s ] Ta GaAs/Ta po osadzeniu Ga Czas trawienia [ s ] Liczba zliczeñ [ c/s ] GaAs/Ta o C, 5 min, Ar Ta Ga Czas trawienia [ s ] Liczba zliczeñ [ c/s ] Ta Ga GaAs/Ta o C, 5 min, Ar Czas trawienia [ s ] Rys. 28. Profile SIMS warstw: Ta 0,67 0,33 po osadzeniu (a) i wygrzewaniu w 600 o C (b) i 700 o C (c), Ta 0,40 0,24 0,36 po osadzeniu (d) i wygrzewaniu w 700 o C(e)i800 o C (f), Ta 0,34 0,25 0,41 po osadzeniu (g) i wygrzewaniu w 900 o C (h) i 1000 o C(i)

25 Zak³ad Technologii Struktur Rezystancja warstwy [ /kw. ] GaAs/Au GaAs/Ta /Au GaAs/Ta /Au GaAs/Ta /Au GaAs/Ta /Au d Au =90nm d Ta-- =100nm Temperatura wygrzewania [ o C] Rys. 29. Wp³yw temperatury wygrzewania kontaktów GaAs/Ta--/Au na rezystancjê warstwy a) atê enie 1.0x 8.0x 6.0x 4.0x 0.7 Energia [MeV] GaAs/Ta (110nm)/Au(90nm) po osadzeniu Ar, T = C,t=5min. Ta Au x GaAs b) atê enie 1.0x x 6.0x 4.0x GaAs/Ta (110 nm)/au(90nm) po osadzeniu Ar, T = C, t = 5 min. Ta Au 2.0x 0.0 GaAs umer kana³u Rys. 30. Widma RBS kontaktów GaAs/Ta 0,53 0,20 0,27 /Au i GaAs/Ta 0,34 0,25 0,41 /Au przed wygrzewaniem (a) i po procesie wygrzewania w Ar w temperaturze 800 o C(b) Rezystancja warstwy [ /kw. ] GaAs/Ag GaAs/Ta /Ag GaAs/Ta /Ag GaAs/Ta /Ag GaAs/Ta /Ag d Ta-- = 110 nm d Ag = 115 nm Temperatura wygrzewania [ 0 C] Rys. 31. Wp³yw temperatury wygrzewania kontaktów GaAs/Ta--/Ag na rezystancjê warstwy

26 26 Zak³ad Technologii Struktur... a) atê enie b) atê enie 3.0x 2.5x 2.0x 1.5x 1.0x 5.0x 3.5x x 2.5x 2.0x 1.5x 1.0x Energia [MeV] GaAs/Ta (110nm)/Ag(115nm) po osadzeniu Ar, T = C, t = 5 min. Ga,As 2MeV He + 10 o tilt Ag,Ta GaAs/Ta 2MeV He + 10 o (100nm)/Ag(115nm) tilt po osadzeniu Ag,Ta Ar, T = 700 o C,t=5min. Ar, T = 800 o C,t=5min. Ga, As 5.0x umer kana³u Rys. 32. Widma RBS kontaktów GaAs/Ta 0,53 0,20 0,27 /Ag i GaAs/Ta 0,34 0,25 0,41 /Ag przed (a) i po procesie wygrzewania (b) 3. Wspó³praca miêdzynarodowa W ramach 5. Programu Ramowego UE realizowano cztery projekty we wspó³pracy z nastêpuj¹cymi oœrodkami: AGETHA: ational Microelectronics Research Centre, Cork, Irlandia (koordynator); Centre ational de la Recherche Scientifique, Pary, Francja; THMS CSF S.A., Pary, Francja; Universidad Politecnica de Madrid, Madryt, Hiszpania; The Provost Fellows and Scholars of the College of the Holy and Undivided Trinity of Queen Elisabeth near Dublin, Dublin, Irlandia; The University of Surrey, Surrey, Wielka Brytania; Infineon Technologies AG, Monachium, iemcy (u ytkownik); BAE Systems (perations) Limited, Farnbough, Wielka Brytania (u ytkownik). TERAVISI University of Leeds, Leeds, Wielka Brytania (koordynator); Technische Universiteit Delft, Delft, Holandia; Johann Wolfgang Goethe Universität Frankfurt/Main, Frankfurt, iemcy;

27 Zak³ad Technologii Struktur Femtolasers Productions GmbH, Wiedeñ, Austria (u ytkownik); Toshiba Research Europe Ltd., Cambridge, Wielka Brytania (u ytkownik); Technische Universität Wien, Wiedeñ, Austria; Instytut Fizyki PA, Warszawa. DEIS ACRE AB, Szwecja; Linköping University, Linköping, Szwecja; Centrum Badañ Wysokociœnieniowych UIPRESS PA, Warszawa; kmetic, Finlandia; Universität Bremen, Brema, iemcy; SRAM-pto Semiconductors GmbH, iemcy; Instytut Fizyki PA, Warszawa. AMRE The Provost, Fellows and Scholars of the College of the Holy and Undivided Trinity of Queen Elizabeth near Dublin, Dublin, Irlandia; Centre ational de la Recherche Scientifique, Pary, Francja; Consejo Superior de Investigaciones Cientificas, Madryt, Hiszpania; Universidad de Zaragoza, Saragossa, Hiszpania; Université de Pary -Sud XI, rsay, Francja; Thomson-CSF, Pary, Francja; avarra de Componentes Electronicos S.A., Tudela, Hiszpania; Analisi Tecnologia Innovara Per a Processos Industrials Competitus, Cerdanyola Valles, Hiszpania; Inocermic Gesellschaft für Innovative Keramik mbh, Hermsdorf, iemcy; Instytut Fizyki PA, Warszawa. APHS ational Research Foundation, Ateny, Grecja; THALES, Pary, Francja; Jenasensoric E.V., Jena, iemcy; Cybernetix, Marsylia, Francja; 3D Digital Design & Development Ltd, Broxbourne, Wielka Brytania; Foundation for Research and Technology - Hellas, Iraklion, Grecja; The Weizmann Institute of Science, Rehovot, Izrael; Universite de Droit, d Economie et des Sciences d Aix-Marseille, Marsylia, Francja; Universita Degli Study di Lecce, Lecce, W³ochy; Institutul ational de Cercetare Dezvoltare Pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei, Bukareszt, Rumunia; Centre ational de la Recherche Scientifique, Pary, Francja.

28 28 Zak³ad Technologii Struktur... PUBLIKACJE 2003 Publikacje [P1] ADREARCZYK T., JARSZYÑSKI J., WRÓBEL J., KARCZEWSKI G., WJTWICZ T., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PITRWSKA A., PPVIÆ D., DIETL T.: Quantum Hall Ferromagnet in Magnetically Doped Quantum Wells. Acta Phys. Pol. A 2003 vol. 104 s. 93. [P2] CHW W. H., STEES D. P., PITRWSKI T. T., PITRWSKA A., G ASZEWSKA K.: A Fully Integrated Distributed Frequency Tripler for Broadband Harmonic Generation. Proc. of 2003 IEEE Asia Pacific Conf. on Applied Electromagnetism, Kuala Lumpur, Malezja, [P3] CISEK J., PASZKWICZ W., PAKWSKI P., FIRAK J., STAIS AWEK U., PATR Z.: Modification of Zirconium xide Film Microstructure During Post-Deposition Annealing. Vacuum 2004 vol. 72 nr 2 s [P4] CISEK J.: Main Thesis of Light Transmittance Law. Proc SPIE, ptical Systems Design 2003, Saint-Etienne, Francja, , s [P5] DBSZ D., YTKIEWICZ Z. R., PITRWSKI T. T., KAMIÑSKA E., PAPIS E., PITRWSKA A.: Application of Tungsten Films for Substrate Masking in Liquid Phase Epitaxial Lateral vergrowth of GaAs. Cryst. Res. Technol vol. 38 nr 3 5 s [P6] DBSZ D., YTKIEWICZ Z. R., KAMIÑSKA E., PAPIS E., PITRWSKA A.: Epitaxial Lateral vergrowth of GaSb Layers by Liquid Phase Epitaxy. J. Crystal Growth 2003 vol. 253 s [P7] GRABECKI G., WRÓBEL J., DIETL T., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PITRWSKA A., RATUSZA A., SPRIGHLZ G., BAUER G.: Ballistic Transport in PbTe-Based anostructures. Physica E (w druku). [P8] GRABECKI G., WRÓBEL J., FRC K., ALESZKIEWICZ M., GUZIEWICZ M., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PITRWSKA A., SHTRIKMA H., DIETL T.: Unidirectional Transmission of Electrons in a Magnetic Field Gradient. Physica E (w druku). [P9] GUZIEWICZ M., PITRWSKA A., PITRWSKI T. T., G ASZEWSKA K., ILKA L., WÓJCIK I., K TCKI J., ASZCZ A., MGLIÑSKI R., WIÑSKI J., RATAJCZAk R.: AgTe/ZrB 2 /Au Multilayer Metallization for Improved hmic Contacts to n-gasb. Proc. of SPIE, Solid St. Crystals vol s [P10] JARSZYÑSKI J., ADREARCZYK T., KARCZEWSKI G., WRÓBEL J., WJTWICZ T., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PITRWSKA A., PPVIÆ D., DIETL T.: Using Quantum Hall Ferromagnet in Magnetically Doped Quantum Wells. Phys. Rev. Lett vol. 89 s [P11] KAMIÑSKA E., PITRWSKA A., G ASZEWSKA K., KRUSZKA R., KUCHUK A., SZADE J., WIIARSKI A., BARCZ A., JASIÑSKI J., LILIETAL-WEBER Z.: Engineering Zn/Ga Interfaces for Tunneling hmic Contacts to Ga. Mat. Res. Soc. Symp. Proc vol. 747 s. V [P12] KAMIÑSKA E., G ASZEWSKA K., PITRWSKA A., KUCHUK A., KRUSZKA R., PAPIS E., SZELCH R., JAUS P., GTSZALK T., BARCZ A.: Study of Long-Term Stability of hmic Contacts to Ga. phys. stat. sol. (c) 2003 (zg³.). [P13] KAMIÑSKA E., PITRWSKA A., KSSUT J., BUTKUTE R., DBRWLSKI W., G ASZEWSKA K., BARCZ A., JAKIE A R., DYWSKA E., PRZEZDZIECKA E., WAWER D.: p-type in Zn: by Codoping with Cr. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (zg³.). [P14] K TCKI J., ASZCZ A., RATAJCZAK J., PHILLIPP F., GUZIEWICZ M., PITRWSKA A.: Transmission Electron Microscopy Study of Au/ZrB 2 /AgTe Contacts to GaSb. Mater. Chem. a. Physics 2003 vol. 81 nr 2 3 s

29 Zak³ad Technologii Struktur [P15] KUCHUK A., CISEK J., PITRWSKA A., KAMIÑSKA E., WAWR A., LYTVY. S., WICKI L., RATAJCZAK R.: Barrier Properties of Ta-- Films in Ag and Au Containing Metallization. Vacuum (przyj. do druku). [P16] KUCHUK A., KAMIÑSKA E., PITRWSKA A., G ASZEWSKA K., DYWSKA E., LYTVY. S., WICKI L., RATAJCZAK R.: Amorphous Ta-- Diffusion Barriers on GaAs. Thin Solid Films (przyj. do druku). [P17] KUD A A., PAPIS E., RZDKIEWICZ W., WAWR A., SZADE P. J., WIIARSKI A.: Influence of Solvent in Sulphur Solution on ptical Properties of GaSb Surface. Woollam Ellipsometry Sem., LT riel GmbH & Co. KG J. A. Woollam Co., Inc. Sem. Rep., s USER: Lot-intern, Password: polarization, [P18] PAPIS E., PITRWSKA A., PITRWSKI T. T., G ASZEWSKA K., ILKA L., KRUSZKA R., RATAJCZAK J., K TCKI J., WRÓBEL J., ALESZKIEWICZ M., UKASIEWICZ R.: Fabrication of GaSb Microlenses by Photo- and e-beam Lithography and Dry Etching. Solid St. Phenom. (przyj. do druku). [P19] PITRWSKA A., KAMIÑSKA E., BARCZ A., G ASZEWSKA K., WRZESIÑSKA H., PITRW- SKI T. T., DYWSKA E., JAKIE A R.: Stable hmic Contacts on GaAs and Ga Devices for High Temperatures. Mat. Res. Soc. Symp. Proc vol. 743 s. V [P20] PISKRSKI M., PITRWSKA A., PITRWSKI T. T., G ASZEWSKA K., PAPIS E., K TCKI J., RATAJCZAK J., ADAMCZEWSKA J., BARCZ A., WAWR A.: LPE Growth and Characterisation of GaInAsSb and GaAlAsSb Quaternary Layers on (100) GaSb Substrates. Thin Solid Films (przyj. do druku). [P21] PISKRSKI M., PITRWSKA A., PAPIS E., PITRWSKI T. T., G ASZEWSKA K., WAWR A., ADAMCZEWSKA J., BARCZ A., JAKIELA R.: Liquid Phase Epitaxy of (100) riented GaInAsSb with High Indium Concentration in Liquid Phase. Proc. of SPIE, Solid State Crystals vol s [P22] WHITE H. J., PRUDLEY G. M., PASER K., BAUR E., PISS M.-A., LACEFIELD D., DEMIERRY P., SACHEZ GARCIA M., KAMIÑSKA E., BRADLEY L., CRBETT B., MAASKAT P.: Extended Temperature Range and Data Link Performance of Ga RC-LEDs. Proc. of 29 th Europ. Conf. on ptical Communication, Rimini, W³ochy, , s Konferencje [K1] CHW W. H., STEES D. P., PITRWSKI T. T., PITRWSKA A., G ASZEWSKA K.: A Fully Integrated Distributed Frequency Tripler for Broadband Harmonic Generation IEEE Asia Pacific Conf. on Applied Electromagnetism, Kuala Lumpur, Malezja, (wyst.). [K2] CHW W. H., STEES D. P., PITRWSKI T. T., PITRWSKA A.: onlinear Wave Propagation Using HBV Diodes for Ultrafast Electronics. The Royal Society Scientific Discussion Meet. The Terahertz Gap: the Generation of Far-Infrared Radiation and Its Applications, Londyn, Wielka Brytania, (plakat). [K3] CHW W. H., STEES D. P., PITRWSKI T. T., PITRWSKA A., G ASZEWSKA K.: ovelty in the Design of an ptimum Performance Broadband Frequency Multiplier. ational URSI Symp., University of Leeds, Wielka Brytania, (wyst.). [K4] CISEK J.: Main Thesis of Light Transmittance Law. Conf. ptical Systems Design 2003, Saint-Etienne, Francja, (plakat). [K5] CISEK J., PASZKWICZ W., PAKWSKI P., KUD A A., PITRWSKA A., G ASZEWSKA K., STAIS AWEK U.: Amorphous Zr - licate Thin Films. Europ. Congr. on Advanced Materials and Processes, EURMAT 2003, Lozanna, Szwajcaria, (plakat).