ZAK AD TECHNOLOGII STRUKTUR PÓ PRZEWODNIKOWYCH DLA FOTONIKI

Transkrypt

1 ZAK AD TECHNOLOGII STRUKTUR PÓ PRZEWODNIKOWYCH DLA FOTONIKI Kierownik: prof. dr hab. in. Anna PIOTROWSKA tel. (0-prefiks Zespó³: mgr Krystyna Go³aszewska, dr in. Marek Guziewicz, mgr in. Pawe³ Jagodziñski, dr in. Eliana Kamiñska, mgr in. Renata Kruszka, mgr in. Rados³aw ukasiewicz, dr Ewa Papis-Polakowska, dr in. Tadeusz T. Piotrowski, mgr in. Pawe³ Skoczylas, mgr in. Artur Szczêsny mgr in. Lidia Ilka, mgr in. Ireneusz Wójcik 1. Wprowadzenie W 2005 r. Zak³ad Technologii Struktur Pó³przewodnikowych dla Fotoniki realizowa³ nastêpuj¹ce projekty badawcze: Technologia funkcjonalnych struktur cienkowarstwowych dla przyrz¹dów pó³przewodnikowych III-V. Etap I (projekt statutowy nr , Wytwarzanie i optymalizacja kontaktu omowego typu p do GaN DENIS (projekt EC nr G5RD-CT , Nanostrukturalne czujniki fotonowe" NANOPHOS (projekt EC nr IST , Hybrydowe pod³o a dla konkurencyjnej elektroniki wysokiej czêstotliwoœci" HYPHEN (projekt EC nr FP-6 IST , Centrum Doskona³oœci Fizyka i Technologia Nanostruktur dla Fotoniki CEPHONA (projekt badawczy nr G5MA-CT , Tranzystory polowe AlGaN/GaN nowej generacji dla elektroniki du ej mocy i wysokiej czêstotliwoœci (projekt badawczy nr 1359/T11/2004/26, Pó³przewodnikowe fotoogniwa GaSb/In(AlGaAsSb do zastosowañ w przyrz¹dach termofotowoltaicznych (projekt badawczy nr 1360/T11/2004/26, Detektory promieniowania THz oparte na mikrometrowych tranzystorach polowych (projekt badawczy we wspó³pracy z Instytutem Fizyki Doœwiadczalnej UW, Wytwarzanie i wykrywanie stanów spl¹tanych w nanostrukturach pó³przewodnikowych (PBZ/KBN/044/P03/2001 we wspó³pracy z Instytutem Fizyki PAN i Instytutem Fizyki Doœwiadczalnej UW.

2 2 Zak³ad Technologii Struktur... Zak³ad œwiadczy³ równie us³ugi badawcze i produkcyjne na zamówienie odbiorców zewnêtrznych oraz kontynuowa³ dzia³alnoœæ edukacyjn¹ we wspó³pracy z Instytutem Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW. Odrêbn¹ grupê dzia³alnoœci stanowi³y prace recenzenckie na rzecz Komisji Europejskiej w 6. Programie Ramowym, w czêœci Human Resources & Mobility. 2. Wyniki dzia³alnoœci naukowo-badawczej G³ówny wysi³ek badawczy Zak³adu jest skoncentrowany na opracowywaniu i optymalizacji metod wytwarzania oraz obróbki technologicznej funkcjonalnych struktur cienkowarstwowych dla nowoczesnych przyrz¹dów pó³przewodnikowych z materia³ów na bazie GaN, GaSb i GaAs. Przedmiotem badañ s¹ cienkowarstwowe struktury z materia³ów metalicznych i dielektrycznych pe³ni¹ce funkcje kontaktów omowych, kontaktów prostuj¹cych, elektrod przezroczystych, pow³ok przeciwodblaskowych oraz pow³ok pasywacyjnych. Optymalizacja ich parametrów jest prowadzona pod k¹tem zastosowania w przyrz¹dach nara onych na dzia³anie podwy szonej temperatury (elektronika wysokotemperaturowa, optoelektronika zastosowañ specjalnych. Program badañ w 2005 r. obejmowa³ nastêpuj¹ce zagadnienia: nowe materia³y tlenkowe dla optoelektroniki, mikroelektroniki i termofotowoltaiki, a w szczególnoœci in ynieriê domieszkowania ZnO oraz przezroczyste tlenki przewodz¹ce jako elektrody w przyrz¹dach fotonicznych i fotowoltaicznych; nowe typy metalizacji pó³przewodnikowych struktur III-V dla elektroniki i optoelektroniki wysokotemperaturowej. Nieod³¹cznym elementem dzia³alnoœci zespo³u by³o doskonalenie metod litografii i charakteryzacji opracowywanych struktur cienkowarstwowych oraz rozwój zaplecza technologicznego Nowe materia³y tlenkowe In ynieria domieszkowania ZnO Badania nad domieszkowaniem ZnO na typ p Przyjêta metoda domieszkowania ZnO na typ p polega na utlenianiu termicznym zwi¹zku cynku zawieraj¹cego du ¹ koncentracjê domieszki akceptorowej. W badaniach zapocz¹tkowanych w poprzednim projekcie statutowym materia³ wyjœciowy stanowi³y warstwy Zn 3 N 2 osadzane metod¹ reaktywnego magnetronowego rozpylania katodowego cynku. Wykazano, e metoda ta umo liwia wytwarzanie cienkich warstw ZnO domieszkowanych azotem na poziomie ~ at./cm 3. Ponadto dowiedziono, e zanieczyszczenie wodorem wyjœciowego Zn 3 N 2 stanowi zasad-

3 Zak³ad Technologii Struktur... 3 nicz¹ przeszkodê w osi¹gniêciu efektywnego przewodnictwa dziurowego w ZnO. Dziêki obni eniu koncentracji wodoru poni ej at./cm 3 otrzymano materia³ typu p o koncentracji dziur ~ cm 3 i ruchliwoœci ~10 cm 2 /V s. W obecnym etapie badañ zastosowano materia³ wyjœciowy wolny od zanieczyszczeñ wodorem. Jest to epitaksjalny ZnTe:N hodowany w warunkach wysokiej pró ni metod¹ epitaksji z wi¹zek molekularnych (MBE. ZnTe jest zwi¹zkiem pó³przewodnikowym II-VI o strukturze blendy cynkowej. Domieszkowanie azotem pozwala wytworzyæ materia³ typu p o koncentracji swobodnych noœników ³adunku siêgaj¹cej cm 3. Procesy MBE cienkich warstw ZnTe prowadzono w Œrodowiskowym Laboratorium Fizyka i wzrost kryszta³ów niskowymiarowych Instytutu Fizyki PAN. Na monokrystalicznych pod³o ach SI ZnTe i SI GaAs o orientacji (001 wpierw hodowano niedomieszkowany, wysokooporowy bufor ZnTe, a nastêpnie warstwy ZnTe domieszkowane atomowym azotem ze Ÿród³a plazmowego w.cz. Procesy utleniania prowadzono w temperaturze 600 o C w atmosferze O 2. W celu utlenienia warstwy ZnTe gruboœci 0,15 1,0 m przyjêto czas wygrzewania w 600 o C od 4 do 25 min. Analiza rentgenowska utlenionych warstw ZnTe:N (rys. 1 wykaza³a obecnoœæ polikrystalicznego ZnO o preferowanej orientacji (001 oraz œladowe iloœci metalicznego Te. Ziarna ZnO charakteryzuj¹ siê struktur¹ kolumnow¹ o d³ugoœci równej Intensity (arb.u ZnTe 002 (K Te 101 ZnTe 002 (K ZnO 002 ZnO 100 ZnTe:N/ZnTe/GaAs oxidized C, 20 min. ZnO 101 Te 110 Te 102 Te 201 ZnTe 004 (K GaAs 004 (K ZnO Te 113 ZnTe 004 (K GaAs 004 (K (deg Rys. 1. Dyfraktogram rentgenowski (promieniowanie FeK utlenionej struktury ZnTe:N/ZnTe/GaAs gruboœci warstwy ZnO (rys. 2a. W wyniku transformacji kubicznego ZnTe w heksagonalny ZnO powierzchnia utlenionych warstw staje siê nierówna z chropowatoœci¹ rms = nm w zale noœci od czasu trwania obróbki termicznej (rys. 2b. Na rys. 3 przedstawiono g³êbokoœciowe profile sk³adu dwóch utlenionych próbek ZnTe:N/ZnTe/ GaAs ró ni¹cych siê gruboœci¹ warstwy buforowej ZnTe. Z powodu du ej chropowatoœci powierzchni oraz nieco ró ni¹cej siê prêdkoœci trawienia warstw ZnO, ZnTe i GaAs w trakcie pomiaru SIMS przy interpretacji wyników nale y wzi¹æ pod uwagê rozmycie miêdzypowierzchni ZnO/ZnTe i ZnTe/GaAs. Przybli one po³o enie tych miêdzypowierzchni zaznaczono na wykresach przerywan¹ lini¹. Œrednia koncentracja azotu wbudowanego do ZnO wynosi at./cm 3. Analiza SIMS ujawni³a ponadto znaczn¹ outdyfuzjê As z GaAs w kierunku miêdzy-

4 4 Zak³ad Technologii Struktur... a b Rys. 2. Mikrostruktura ZnO typu p: a obraz SEM przekroju poprzecznego warstwy ZnO typu p, b obraz AFM powierzchni ZnO a b ZnO ZnTe GaAs Concentration of N, As, H [ at/cm 3 ] Zn O N H Te As Ga Depth [ m] SIMS Signal [ c/s ] 23 GaAs 10 ZnO ZnTe 10 8 powierzchni ZnO/ZnTe z maksimum umiejscowionym w ZnO. Œrednia koncentracja As w ZnO jest porównywalna z koncentracj¹ azotu. Nale y zauwa yæ, e podobn¹ do As migracjê Ga w kierunku powierzchni obserwowano tylko w przypadku cienkich warstw buforowych (rys. 3a. Przy gruboœci przekraczaj¹cej 3 mga pochodz¹cy z dekomponowanego GaAs by³ akumulowany w ZnTe przy miêdzypowierzchni z GaAs (rys. 3b. Aby uzyskaæ pewnoœæ, e migracja As nie zmodyfikowa³a w³aœciwoœci bufora ZnTe, przeprowadzono dodatkowe analizy SIMS i pomiary przewodnictwa bufora po strawieniu warstwy ZnO. Nie stwierdzono obecnoœci As w ZnTe, jak równie nie uleg³y zmianie w³asnoœci izolacyjne ZnTe. Pomiary SIMS pozwoli³y zlokalizowaæ wytr¹cenia Te w warstwie ZnO. Poniewa transformacja ZnTe w ZnO postêpuje od powierzchni w g³¹b materia³u, wiêc Te sublimuj¹cy w pocz¹tkowej fazie procesu, po uformowaniu siê ci¹g³ej warstwy ZnO, jest pu³apkowany w ZnO. Concentration of N, As, H [ at/cm 3 ] Zn O N H Te Ga As Depth [ m] Rys. 3. Profile g³êbokoœciowe SIMS utlenionych struktur ZnTe:N/ZnTe/GaAs dla ró nych gruboœci bufora ZnTe (d ZnTe : a d ZnTe = 2,5 m, b d ZnTe =5 m SIMS Signal [ c/s ]

5 Zak³ad Technologii Struktur... 5 Warstwy ZnO wytworzone na strukturach z grubym buforem na pod³o u GaAs wykazywa³y przewodnictwo typu p z koncentracj¹ dziur powy ej cm 3. Warstwy ZnO typu p, otrzymane po utlenieniu podobnych warstw ZnTe:N wyhodowanych na pod³o u ZnTe, charakteryzowa³y siê ~1,5 rzêdu ni sz¹ koncentracj¹ dziur. Aby dok³adniej zbadaæ rolê As jako domieszki akceptorowej w ZnO, utleniono niedomieszkowane warstwy ZnTe gruboœci 4 5 m wyhodowane na pod³o u GaAs. Otrzymane warstwy podobnie jak poprzednio charakteryzowa³y siê koncentracj¹ dziur przewy szaj¹c¹ cm 3, co dowodzi, e domieszk¹ odpowiedzialn¹ za bardzo wysokie przewodnictwo dziurowe jest As. Poniewa urz¹dzenie MBE wyposa one jest równie w komórkê Mn, istnieje mo liwoœæ wyhodowania struktur ZnTe:N:Mn. Okazuje siê, e domieszkowanie Mn powoduje obni enie koncentracji dziur w ZnO typu p. Utlenienie Zn 0,98 Mn 0,02 Te pozwoli³o wytworzyæ ZnO z zawartoœci¹ Mn ~0,5% i koncentracj¹ dziur ~ cm 3. W³asnoœci elektryczne warstw ZnO zosta³y przedstawione w tab. 1. Tabela 1. W³asnoœci elektryczne typowych warstw ZnO wytworzonych na drodze utleniania warstw ZnTe wyhodowanych MBE na pod³o ach ZnTe lub GaAs Materia³ wyjœciowy GaAs/ZnTe(5 m/ ZnTe:N(0,5 m GaAs/ZnTe(3,5 m ZnTe(001/ZnTe:N GaAs/ZnTe(5 m/ Zn 0,98 Mn 0,02 Te:N (0,7 m Utlen termicz. 600 o C 8 min. 600 o C 8 min. 600 o C 12 min. 600 o C 16 min. d ZnO [ m] Domieszki Typ p [cm 3 ] [cm 2 /V s] [ cm] 1 N, As p 1, ,5 0,15 1 As p 2, ,4 0,09 2 N p 6, ,2 0,1 1,8 N, As, Mn p 9, ,1 7,1 Anomalnie wysokie wartoœci ruchliwoœci dziur w utlenionym ZnTe s¹ najprawdopodobniej zwi¹zane z obecnoœci¹ metalicznego Te. Taki znacz¹cy wzrost ruchliwoœci obserwowano wczeœniej w warstwach pó³przewodnikowych zawieraj¹cych metaliczne wytr¹cenia. Wytwarzanie ZnO typu n Warstwy ZnO typu n osadzano metod¹ magnetronowego rozpylania katodowego w modzie r.f., w plazmie Ar z targetu ZnO (99,95%. Gruboœæ warstw wynosi³a 0,4 0,6 m.

6 6 Zak³ad Technologii Struktur... Pomiary transportowe wykaza³y, e ZnO charakteryzuje siê przewodnictwem elektronowym, przy czym koncentracja swobodnych noœników ³adunku jest na poziomie ~ cm 3, a ruchliwoœæ ~2 cm 2 /V s. Wytwarzanie izolacyjnego ZnO Wysokooporowy ZnO wytwarzano metod¹ reaktywnego rozpylania katodowego w plazmie O 2 -Ar, z targetu metalicznego Zn (99,995%. Ca³kowite ciœnienie w czasie procesu wynosi³o p = mbar, a ciœnienie cz¹stkowe tlenu p O2 = mbar. Z³¹cze p-n na bazie ZnO W celu zweryfikowania w³asnoœci warstw ZnO o przewodnictwie dziurowym i elektronowym wykonano struktury z³¹czowe p-n i p-i-n. Na rys. 4a przedstawiono dyfraktogram rentgenowski z³¹cza p-n wykonanego zgodnie z opisanymi wczeœniej procedurami. Warstwy ZnO typu n, nanoszone metod¹ rozpylania katodowego na ZnO typu p, charakteryzuj¹ siê struktur¹ podobn¹ do warstw ZnO typu p z wyraÿnie zaznaczon¹ tekstur¹ (001. Potwierdzeniem tego jest równie obraz przekroju poprzecznego warstwy ZnO typu n pokazany na rys. 4b. Intensity (arb.u. a b ZnTe 002 (K ZnO 101 K ZnO 002 K z³¹cze na bazie ZnO ZnO typu p GaAs/ZnTe/ZnMn.003 Te:N (~0.7 m O C 16 min, dox.~1.8 m p= 9.72 x10 16 cm -3, =9.08 cm 2 /Vs ZnO typu n sputt. dox.=0.6 m =1x10-2 cm ZnTe 004 (K GaAs 004 (K ZnTe 004 (K GaAs 004 (K (deg Rys. 4. Mikrostruktura z³¹cza p-n na bazie ZnO: a dyfraktogram rentgenowski (promieniowanie FeK struktury p-n na bazie ZnO, b obraz SEM przekroju poprzecznego warstwy ZnO typu n Obróbka technologiczna z³¹czy p-n polega³a na uformowaniu struktur mesa i wykonaniu kontaktów omowych do obszarów p i n ZnO. Metalizacjê kontaktow¹ stanowi³a dwuwarstwa Cr(10nm/Au(100nm osadzana metod¹ rozpylania katodowego. W przypadku ZnO typu p metalizacjê dodatkowo wygrzewano w 350 o C w przep³ywie N 2. Kontakty omowe do ZnO typu n formowano w 200 o C w atmosferze N 2. Z³¹cza p-n z silnie domieszkowanymi warstwami ZnO:As charakteryzowa³y siê w³asnoœciami tunelowymi. Do wytworzenia z³¹czy prostuj¹cych p-n u yto mniej przewodz¹cych warstw ZnO:Mn:As typu p. Warstwy ZnO:As o koncentracji dziur na poziomie cm 3 zosta³y wykorzystane w z³¹czach prostuj¹cych p-i-n. Charakterystyki I-V z³¹czy prostuj¹cych p-n oraz p-i-n przedstawiono na rys. 5.

7 Zak³ad Technologii Struktur ,0x10-4 3,0x10-4 p-zno:as/i-zno/n-zno 1 m/0.1 m/0.4 m p-zno:as:mn/n-zno 1.2 m/0.4 m Current [A] 2,0x10-4 1,0x10-4 0, Voltage [V] Rys. 5. Charakterystyki I-V z³¹czy prostuj¹cych p-n i p-i-n na bazie ZnO Podsumowuj¹c wyniki otrzymane w obecnym etapie badañ nad domieszkowaniem warstw ZnO, za najwa niejsze nale y uznaæ uzyskanie rekordowego przewodnictwa swobodnych noœników ³adunku w materiale typu p oraz pokazanie, e arsen pozwala znacznie efektywniej ni azot domieszkowaæ ZnO na typ p. Z uwagi na znaczn¹ ró nicê w wielkoœci promieni jonowych tlenu i arsenu domieszkowanie przez podstawienie tlenu jest ma³o prawdopodobne. Realne jest natomiast podstawianie cynku przez arsen, co jest równoznaczne z utworzeniem donora. Taki scenariusz jest spójny z niedawno opublikowanym modelem teoretycznym, zgodnie z którym w trakcie domieszkowania ZnO domieszk¹ grupy V o du ym promieniu jonowym domieszka podstawia cynk. Jednoczeœnie tworz¹ siê dwie wakansje cynkowe i powstaje kompleks As Zn 2 V Zn, który jest p³ytkim akceptorem o energii jonizacji ~150 mev Przezroczyste tlenki przewodz¹ce jako elektrody w przyrz¹dach fotonicznych i termofotowoltaicznych Fotodetektory oraz ogniwa s³oneczne i termofotowoltaiczne to grupa przyrz¹dów, dla których przezroczyste elektrody maj¹ szczególne znaczenie. O ile w przypadku ogniw s³onecznych ich zastosowanie jest szeroko opisywane, o tyle nieliczne prace informuj¹ o przezroczystych elektrodach tlenkowych dla przyrz¹dów pracuj¹cych w zakresie œredniej podczerwieni wytwarzanych ze zwi¹zków poczwórnych dopasowanych sieciowo do GaSb. W tych przyrz¹dach standardowo s¹ stosowane metalizacje kontaktowe na bazie Ti/Pt/Au, Ti/Ni/Au lub Au/Zn/Au. Przedstawione wyniki dotycz¹ efektów zastosowania tlenku cynku, tlenku kadmu i tlenku rutenowo-krzemowego w procesie wytwarzania przyrz¹dów fotonicznych wykorzystuj¹cych struktury typu GaSb/InGaAsSb/AlGaAsSb wytwarzane w konwencjonalnym stanowisku LPE, charakteryzuj¹ce siê wykrywalnoœci¹ na poziomie 10 8 cm Hz 1/2 /W. Kontakty przezroczyste by³y osadzane metod¹ rozpylania katodowego: CdO i RuSiO 4 reaktywnie z targetów Cd i Ru 1 Si 1 w atmosferze Ar-O, ZnO z targetu ZnO w atmo-

8 8 Zak³ad Technologii Struktur... sferze Ar. Dla porównania wykonano strukturê ze standardowym kontaktem Au/Zn/Au w formie siatki szerokoœci 10 μm powoduj¹cej zakrycie ok. 9% powierzchni czynnej. Struktury przeznaczone do pomiarów nie by³y poddawane procesowi pasywacji, nie stosowano tak e pow³ok przeciwodbiciowych. Rysunek 6a przedstawia charakterystyki pr¹dowo-napiêciowe w kierunku przewodzenia i zaporowym badanych struktur. Zastosowanie kontaktu przezroczystego z CdO lub ZnO na ca³ej powierzchni czynnej powoduje trzykrotn¹ redukcjê rezystancji szeregowej. Nieco gorszy efekt, czyli dwukrotn¹ redukcjê rezystancji szeregowej, uzyskano stosuj¹c RuSiO 4. Na rys. 6b przedstawiono zale noœæ rezystancji ró niczkowej R od napiêcia polaryzacji. Wartoœæ R 0 dla struktur z przezroczystymi kontaktami wynosi œrednio 90 (R 0 A =21 cm 2 ; w przypadku kontaktu standardowego R 0 =40 (R 0 A = =8 cm 2. Maksymalna wartoœæ R dla struktur z kontaktami TCO wynosi (R A =28 32 cm 2 i pojawia siê przy polaryzacji 0,05 V. Zale noœæ widmow¹ wykrywalnoœci struktur GaSb/In(AlGaAsSb przedstawiono na rys. 6c. Obserwuje siê tu znaczn¹ przewagê struktur z kontaktami CdO i ZnO. W ich przypadku wykry- a b Natê enie pr¹du (ma standardowy kontakt Au/Zn/Au CdO ZnO RuSiO 4 R S =1.3 R S =1.3 R S =1.7 R S =4 Rezystancja ró niczkowa ( Standardowy kontakt Au/Zn/Au CdO ZnO RuSiO Napiêcie (V Napiêcie (V c Wykrywalnoœæ (cmhz 1/2 /W 8x10 8 7x10 8 6x10 8 5x10 8 4x10 8 3x10 8 2x10 8 1x10 8 CdO ZnO RuSiO 4 standardowy kontakt Au/Zn/Au D³ugoœæ fali (µm Rys. 6. Charakterystyki detektorów GaSb/InGaAsSb/AlGaAsSb z przezroczystymi elektrodami

9 Zak³ad Technologii Struktur... 9 walnoœæ dla d³ugoœci fali 2,0 μm wynosi 7, cmhz 1/2 /W. Dla kontaktów RuSiO 4 uzyskano wykrywalnoœæ cmhz 1/2 /W, podobn¹ jak dla nieprzezroczystego kontaktu metalicznego. Zale noœæ fotonapiêcia obwodu otwartego U oc od fotopr¹du obwodu zwartego I sc dla fotodiod z trzema rodzajami kontaktów przezroczystych pokazano na rys. 7a. W przypadku struktur z kontaktami CdO i ZnO zaobserwowano nawet 40% wzrost wartoœci U oc dla ni szych poziomów promieniowania w stosunku do pozosta³ych analizowanych struktur. Wa nym dla ogniw termofotowoltaicznych zagadnieniem jest zale noœæ ich parametrów od temperatury, w praktyce pracuj¹ one zwykle w temperaturze do ok. 60 o C. W kontaktach tlenkowych mechanizmem dominuj¹cym jest emisja polowa, ca³kowicie niezale na od temperatury. Wyniki pomiarów opornoœci w³aœciwej kontaktów TCO/AlGaAsSb metod¹ c-tlm z dla temperatur o C pokazuj¹, e wartoœæ r c pozostaje sta³a w granicach b³êdu pomiarowego. a b U oc (mv I SC (ma CdO ZnO RuSiO Au/Zn/Au Zale noœæ fotonapiêcia obwodu otwartego U oc od fotopr¹du obwodu zwartego I sc w funkcji temperatury pokazano na przyk³adzie ogniwa TPV z kontaktem CdO (rys. 7b. Obserwuje siê istotny spadek wartoœci U oc ze wzrostem temperatury. Charakter tych zmian jest zdeterminowany konstrukcj¹ struktury detektorowej i nie zale y od rodzaju zastosowanego przezroczystego kontaktu omowego Nowe typy metalizacji pó³przewodnikowych struktur III-V dla elektroniki i optoelektroniki wysokotemperaturowej Stale rosn¹ce zapotrzebowanie na energiê elektryczn¹ (œwiatowe prognozy mówi¹ o globalnym zapotrzebowaniu w 2025 r. na poziomie 60 TW przy ograniczonych zasobach konwencjonalnych Ÿróde³ energii i coraz groÿniejszych skutkach efektu cieplarnianego na Ziemi sprawia, e racjonalna gospodarka energi¹ elektryczn¹ staje U oc (mv CdO I sc (ma T=20 o C T=40 o C T=60 o C T=75 o C Rys. 7. Zale noœæ fotonapiêcia obwodu otwartego U oc od fotopr¹du obwodu zwartego I sc : a dla ró nych kontaktów przezroczystych, b w funkcji temperatury dla kontaktu CdO

10 10 Zak³ad Technologii Struktur... siê imperatywem dzia³añ wysoko uprzemys³owionych spo³eczeñstw XXI w. Wagê tego problemu podkreœlaj¹ nie tylko specjalistyczne opracowania i miêdzynarodowe uregulowania prawne (protokó³ Kyoto, ale równie szeroko zakrojone dzia³ania badawczo-wdro eniowe podjête przez przemys³ œwiatowy. Przemys³ elektroniczny, w tym przemys³ pó³przewodnikowy, ma do odegrania szczególn¹ rolê. Prace badawcze s¹ skoncentrowane na dwóch zagadnieniach: opracowaniu alternatywnych pó³przewodnikowych Ÿróde³ energii elektrycznej oraz opracowaniu nowej generacji przyrz¹dów pó³przewodnikowych dla energoelektroniki i technik sensorowych. Pierwsze z nich to pó³przewodnikowe przyrz¹dy fotowoltaiczne i termofotowoltaiczne, drugie to pó³przewodnikowe przyrz¹dy mocy/wysokiej czêstotliwoœci przeznaczone do pracy w wysokich temperaturach (> 350 o C. Pierwszoplanowym zadaniem jest podwy szenie temperatury pracy przyrz¹dów pó³przewodnikowych do poziomu 350 o C (aktualna norma to 30 o C dla urz¹dzeñ powszechnego u ytku i 125 o C dla urz¹dzeñ wojskowych. Pozwoli³oby to na zasadnicze oszczêdnoœci energii zu ywanej obecnie przez systemy ch³odzenia wszystkich przyrz¹dów mocy i na oszczêdnoœci energii wynikaj¹ce ze zwiêkszenia skali integracji oraz mo liwoœci umieszczenia czujników i uk³adów kontrolnych w strefie wysokiej temperatury. Opracowanie wysokotemperaturowych przyrz¹dów mocy oraz wysokiej czêstotliwoœci wymaga wprowadzenia pó³przewodników o przerwie zabronionej znacznie szerszej ni przerwa energetyczna Si czy GaAs, charakteryzuj¹cych siê znacz¹co wy szymi wartoœciami natê enia pola elektrycznego, przy którym nastêpuje przebicie, lepszym przewodnictwem cieplnym oraz odpornoœci¹ na dzia³anie wysokich temperatur. W tej grupie potencjalnymi kandydatami s¹ azotki grupy III (GaN, AlN i BN, SiC oraz diament. Celem badañ prowadzonych w Zak³adzie jest pog³êbienie wiedzy odnoœnie aktywowanych termicznie oddzia³ywañ w strukturach metal/gan i mo liwej kontroli procesów interdyfuzji. Rysunek 8 przedstawia widma RBS typowego kontaktu omowego p-gan/pdau po wygrzewaniu w temperaturze o C, œwiadcz¹ce o bardzo ograniczonej stabilnoœci termicznej metalizacji na bazie Au w kontakcie z GaN i o koniecznoœci stosowania barier antydyfuzyjnych separuj¹cych obszar kontaktu od zewnêtrznych (np. monta owych warstw z³ota. Yield [a.u.] GaN/Pd(20 nm/au (130 nm as dep. 300 o C 500 o C 800 o C Ga Ga Pd Au Channel Rys. 8. Widma 2 MeV He + RBS metalizacji p-gan/pd(20 nmau(130 nm poddanej obróbce termicznej RTP w N 2

11 Zak³ad Technologii Struktur Bior¹c pod uwagê wczeœniejsze doœwiadczenia zespo³u, w obecnym etapie prac kontynuowano badania nad cienkowarstwowymi barierami antydyfuzyjnymi z materia³ów uk³adu Ta-Si-N i Ti-Si-N dla metalizacji na bazie z³ota do GaN. Warstwy barierowe by³y wytwarzane technik¹ reaktywnego rozpylania katodowego, a ich w³asnoœci strukturalne, mechaniczne i elektryczne okreœlano na podstawie pomiarów XRD i RBS (mikrostruktura, profile sk³adu chemicznego, pomiarów naprê eñ (Tencor TM FLX oraz pomiarów rezystywnoœci (sond¹ czterostrzow¹. Optymalizowano procesy osadzania warstw TiSiN oraz TaSiN pod k¹tem niskiej rezystywnoœci, niskich naprê eñ oraz amorficznej struktury. Za optymalne uznano warstwy o sk³adzie Ta 0,24 Si 0,25 N 0,41 iti 26 Si 17 N 57. Przedstawione na rys. 9 wyniki pomiarów profili sk³adu chemicznego kontaktów technik¹ RBS potwierdzaj¹ przyjêt¹ hipotezê GaN/Pd/Au/TaSiN/Au Au as deposited a b o C, 3 min. 500 o C, 3 min. 800 o C, 3 min. Ga Pd Ta Au Channel GaN/Pd/Au/TiSiN/Au W ramach wspó³pracy z Uniwersytetem w Bremie wykonano badania TEM przekrojów poprzecznych kontaktów wielowarstwowych zawieraj¹cych barierê antydyfuzyjn¹ o zoptymalizowanych w³asnoœciach. Wyniki badañ mikrostruktury kontaktów przedstawione na rys. 10 i 11 œwiadcz¹ o stabilnoœci metalizacji p-gan/pdau/ta 0,24 Si 0,25 N 0,41 /Au a do temperatury 700 o C Si ( ( ( ( as dep. 400 o C, 3 min. 700 o C, 3 min. 800 o C, 3 min. Channel Rys. 9. Widma 2 MeV He + RBS kontaktów do p-gan z warstwami barierowymi: a Pd(20 nmau(130 nm/ /Ta 0,24 Si 0,25 N 0,41 (100 nm/au(50 nm, b Pd(20 nmau(130 nm/ti 26 Si 17 N 57 (100 nm/au(100 nm po obróbce termicznej w N 2 a b Ga Pd Ti Au Au Rys. 10. Obrazy mikroskopowe XTEM i EDS kontaktów p-gan/pd(20 nm/au(130 nm/ta 0,34 Si 0,2 5N 0,41 (100 nm/ /Au(100nm poddanych obróbce termicznej w atmosferze Ar przez 3 min. Mikrostruktura i sk³ad chemiczny kontaktu wygrzewanego w temperaturze 400 o C: a jasne pole, b EDS

12 12 Zak³ad Technologii Struktur... a b Rys. 10. Obrazy mikroskopowe XTEM i EDS kontaktów p-gan/pd(20 nm/au(130 nm/ta 0,34 Si 0,2 5N 0,41 (100 nm/ /Au(100nm poddanych obróbce termicznej w atmosferze Ar przez 3 min. Mikrostruktura i sk³ad chemiczny kontaktu wygrzewanego w temperaturze 700 o C: a jasne pole, b EDS 3. Wspó³praca miêdzynarodowa W ramach 5. i 6. Programu Ramowego Zak³ad uczestniczy³ w realizacji czterech projektów europejskich: DENIS, NANOPHOS, HYPHEN, CEPHONA, œciœle wspó³pracuj¹c z oœrodkami europejskimi stanowi¹cymi konsorcja tych projektów. Za szczególne osi¹gniêcie Zak³adu nale y uznaæ zorganizowanie miêdzynarodowego sympozjum na temat nanostrukturalnych czujników fotonowych Workshop on Nanostructured Photonic Sensor, na którym referaty wyg³osili œwiatowej s³awy eksperci z W³och, Francji i Polski. Publikacje 2005 [P1] DOBOSZ D., YTKIEWICZ Z. R., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., GO ASZEWSKA K., PIOTROWSKI T. T.: Properties of ZrN Films as Substrate Masks in Liquid Phase Epitaxial Lateral Overgrowth of Compound Semiconductors. Cryst. Res. Technol nr 4/5 s [P2] GRABECKI G., WRÓBEL J., DIETL T., JANIK E., ALESZKIEWICZ M., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., SPRINGHOLZ G., BAUER G.: Disorder Suppression and Precise Conductance Quantization in Constructions of PbTe Quantum Wells. Phys. Rev. B 2005 vol. 72 s [P3] GRABECKI G., WRÓBEL J., DIETL T., JANIK E., ALESZKIEWICZ M., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., SPRINGHOLZ G., BAUER G.: PbTe-a New Medium for Quantum Ballistic Devices. Physica E (w druku. [P4] GUZIEWICZ E., KOPALKO K., SADOWSKI J., GUZIEWICZ M., GO ACKI Z.: Zn(MnO Surface Alloy Studied by Synchrotron Radiation Photoemission. Acta Phys. Pol. A 2005 vol. 108 s [P5] JELINEK M., KLINI A., KOCOUREK T., ZEIPL R., SANTONI A., FOTAKIS C., KAMIÑSKA E.: Subpicosecond and Enhanced Nanosecond PLD to Grow ZnO Films in Nitrogen Ambient. Surf. & Coatings Technol nr 200 s [P6] KAMIÑSKA E., KOSSUT J., PIOTROWSKA A., PRZE DZIECKA E., DOBROWOLSKI R., DYNOWSKA E., BUTKUTE R., BARCZ A., JAKIE A R., ALESZKIEWICZ M., JANIK E., KOWALCZYK E.: Transparent p-type ZnO by Oxidation of Zn-Based Compounds. AIP Conf. Proc nr 772 s

13 Zak³ad Technologii Struktur [P7] KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., KOSSUT J., BARCZ A., BUTKUTE R., DOBROWOLSKI R., DYNOWSKA E., JAKIE A R., UKASIEWICZ R., ALESZKIEWICZ M., WOJNAR P., KOWALCZYK E.: Transparent p-type ZnO Films Obtained by Oxidation of Sputter-Deposited Zn 3 N 2. Solid State Commun vol. 135 nr 1 2 s [P8] KAMIÑSKA E., PRZE DZIECKA E., PIOTROWSKA A., KOSSUT J., DYNOWSKA E., DOBROWOLSKI W., BARCZ A., JAKIE A R., USAKOWSKA E., RATAJCZAK J.: ZnO-Based p-n Junction with p-type ZnO by ZnTe Oxidation. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (w druku. [P9] KUCHUK A., KLADKO V. P., MACHULIN V. F., LYTVYN O. S., KORCHOVYI A. A., PIOTROWSKA A., MINIKAYEV R. A., JAKIE A R.: Effect of Nitrogen in Ta-Si-N Thin Films on Properties and Diffusion Barrier Performances. Metallofiz. Noveishie Tekhnol vol. 27 nr 5 s [P10] MADAMOPOULOS N., SIGANAKIS G., TSIGARA A., AtHANASEKOS L., PISPAS S., VAINOS N., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., PERRONE A., RISTOUSCU C., KIBASI K.: Diffractive Optical Elements for Photonic Gas Sensors. Proc. of SPIE, 6008 Nanosensing: Materials and Devices II 60081K (2005. [P11] MAZINGUE T., SPALLUTO L., ESCOUBAS L., FlORY F., JELINEK M., MIHALESCU I., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., PERRONE A.: Optical Sensitivity of Thin Films to Hydrocarbons and Ozone. Proc. of SPIE, 5963 Advanced in Optical Thin Films II 59631K (2005. [P12] PAPIS E., PIOTROWSKA A., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKI T. T., KUD A A., SZADE J., WINIARSKI A., WAWRO A.: Electrochemical Sulphur Passivation of InGaAsSb and AlGaAsSb Surfaces. Mat. IV Int. Workshop on Semiconductor Surface Passivation SSP 2005, Ustroñ, Appl. Surface Sci. (w druku. [P13] PIOTROWSKA A., KAMINSKA E., GUZIEWICZ M., DYNOWSKA E., STONERT A., TUROS A., FIGGE S., KRÖGER R., HOMMEL D.: Anti-Diffusion Barriers for Gold-Based Metallization to p-gan. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (w druku. [P14] PRZE DZIECKA E., KAMIÑSKA E., DYNOWSKA E., DOBROWOLSKI W., JAKIE A R., K OPOTOWSKI., SAWICKI M., KIECANA K., KOSSUT J.: p-type ZnO and ZnMnO by Oxidation of Zn(MnTe Films. phys. stat. sol. (c 2005 vol. 2 nr 3 s [P15] SAWICKI M., WANG K.-Y., EDMONDS K. W., CAMPION R. P., STADDON C. R., FARLAY N. R. S., FAXON C. T., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., DIETL T., GALLAGHER B. L.: In-Plane Uniaxial Anisotropy Rotation in (Ga,MnAs Thin Films. Phys. Rev B 2005 vol. 71 s [P16] SZCZÊSNY A., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., SZMIDT J.: GaN materia³ do konstrukcji przyrz¹dów pracuj¹cych przy wysokich czêstotliwoœciach (HEMT i w ekstremalnych warunkach. Elektronika 2005 nr 2 3 s [P17] SZCZÊSNY A., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., GUZIEWICZ M., JAGODZIÑSKI P., MROCZYÑSKI R., SZMIDT J.: Ru-Si-O/AlN,Si 3 N 4 Schottky Contats for n-type GaN and AlGaN. J. of Superhard Mater. (w druku. Konferencje 2005 [K1] GO ASZEWSKA K., PIOTROWSKA A., KAMIÑSKA E., RUTKOWSKI,GOTSZALK T., SZELOCH R., SKOCZYLAS P., UKASIEWICZ R., PIOTROWSKI T. T., KOWALCZYK E., KRUSZKA R., JAGODZIÑSKI P.: Thin Film Transparent Conducting Oxides as Ohmic Contacts to GaSb/In(AlGaAsSb Thermophotovoltaic Cells. SPIE Int. Congress on Optics and Optoelectronics. Warszawa, [K2] GRABECKI G., WRÓBEL J., DIETL T., JANIK E., ALESZKIEWICZ M., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., SPRINGHOLZ G., BAUER G.: Suppression of Nanoscale Disorder in PbTe Nano-

14 14 Zak³ad Technologii Struktur... structures. XXXIV Int. School on the Physics of Semiconducting Compounds Ustroñ Jaszowiec, [K3] GRABECKI G., WRÓBEL J., DIETL T., JANIK E., ALESZKIEWICZ M., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., SPRINGHOLZ G., BAUER G.: PbTe-a New Medium for Quantum Ballistic Devices. 16th Int. Conf. on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-16. Albuquerque, NM, USA, [K4] GUZIEWICZ E., KOPALKO K., SADOWSKI J., GUZIEWICZ M., GO ACKI Z.: Zn(MnO Surface Alloy Studied by Synchrotron Radiation Photoemission. XXXIV Int. School on the Physics of Semiconducting Compounds 2005, Ustroñ Jaszowiec, [K5] KAMIÑSKA E., ILCZUK E., PIOTROWSKA A., KOSSUT J., BARCZ A., JAKIE A R., DOBROWOLSKI W., UKASIEWICZ R.: Effect of Atmosphere on the Thermally Activated Diffusion of Ga and As across ZnTe/GaAs Interface. XXXIV Int. School on the Physics of Semiconducting Compounds 2005, Ustroñ Jaszowiec, [K6] KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., GO ASZEWSKA K., GUZIEWICZ M., JAGODZIÑSKI P., KRUSZKA R., KUD A A., KOWALCZYK E., MADAMOPOULOS N., VAINOS N., ESCOUBAS L., MAZINGUE T., COURIS S.: Deposition, Characterisation and Patterning of Materials for Nanostructured Photonic Sensors. Workshop on Nanostructured Photonic Sensors. Warszawa, [K7] KAMIÑSKA E., PRZE DZIECKA E., PIOTROWSKA A., KOSSUT J., DYNOWSKA E., DOBROWOLSKI W., BARCZA., JAKIE A R., LUSAKOWSKAE., RATAJCZAKJ.: ZnO-Based p-n Junction with p-type ZnO by ZnTe Oxidation. MRS Fall Meet. 2005, Boston, USA, [K8] KAMIÑSKA E., PRZE DZIECKA E., PIOTROWSKA A., KOSSUT J., UKASIEWICZ R., JAGODZIÑSKI P., GO ASZEWSKA K., DYNOWSKA E., DOBROWOLSKI W., JAKIE AR., USAKOWSKA E.: Study of Key Technological Processes to Achieve ZnO p-n Junction. 12th Int. Conf. on II-VI Compounds. Warszawa, [K9] PAPIS E., PIOTROWSKA A., GO ASZEWSKA K., UKASIEWICZ R., PIOTROWSKI T. T., KAMIÑSKA E., KRUSZKA R., KUD A A., RUTKOWSKI J., SZADE J., WINIARSKI A., WAWRO A.: Properties of InGaAsSb and AlGaAsSb Surfaces under Sulphide Treatments Studies using XPS and VASE Techniques. SPIE Int. Congress on Optics and Optoelectronics. Warszawa, [K10] PAPIS E., PIOTROWSKA A., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKI T. T., KUD A A., SZADE J., WINIARSKI A., WAWRO A.: Electrochemical Sulphur Passivation of InGaAsSb and AlGaAsSb Surfaces. IV Int. Workshop on Semiconductor Surface Passivation SSP Ustroñ, [K11] PIOTROWSKA A., GO ASZEWSKA K., RUTKOWSKI J., PAPIS E., UKASIEWICZ R., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKI T. T.: Long Term Stability of GaSb-Based MIR Photodetectors Passivated by Electrochemical Treatment in Sulphur Containing Solutions. SPIE Int. Congress on Optics and Optoelectronics. Warszawa, [K12] PIOTROWSKA A., KAMINSKA E., GUZIEWICZ M., DYNOWSKA E., STONERT A., TUROS A., FIGGE S., KRÖGER R., HOMMEL D.: Anti-Diffusion Barriers for Gold-Based Metalli Zation to p-gan MRS Fall Meet. Boston, USA, [K13] PRZE DZIECKA E., KAMIÑSKA E., DYNOWSKA E., BUTKUTE R., DOBROWOLSKI W., JAKIE A R., ALESZKIEWICZ M., USAKOWSKA E., ANDREARCZYK T., K OPOTOWSKI., KOSSUT J.: Preparation and Characterization of p-type ZnO by Oxidation of ZnTe Films. XXXIV Int. School on the Physics of Semiconducting Compounds 2005, Ustroñ Jaszowiec, [K14] PRZE DZIECKA E., KAMIÑSKA E., DYNOWSKA E., BUTKUTE R., DOBROWOLSKI W., JAKIE A R., ALESZKIEWICZ M., USAKOWSKA E., ANDREARCZYK T., SAWICKI M., KIECANA K., K OPOTOWSKI.,

15 Zak³ad Technologii Struktur KOSSUT J.: p-type ZnO and ZnMnO by Oxidation of Zn(MnTe Films. 12th Int. Conf. on II-VI Compounds. Warszawa, [K15] SKOCZYLAS P. A., PISKORSKI M., PIOTROWSKA A., GO ASZEWSKA K., PIOTROWSKI T. T., K TCKI J., RATAJCZAK J., JUNG W., PRZES AWSKI T., WAWRO A., WÓJCIK M., GACA J.: GaAlAsSb/GaInAsSb/GaSb Structures for Thermophotovoltaic Cells. SPIE Int. Congress on Optics and Optoelectronics. Warszawa, [K16] SZCZÊSNY A., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., GUZIEWICZ M., JAGODZIÑSKI P., MROCZYÑSKI R., SZMIDT J.: Ru-Si-O/AlN,Si 3 N 4 Schottky Contats for n-type GaN and AlGaN. 4th Int. Conf. Nanodiamond and Related Materials jointly with 6th Diamond and Related Films. Zakopane,