Pomiar kontaktowej różnicy potencjałów na powierzchniach półprzewodników

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Pomiar kontaktowej różnicy potencjałów na powierzchniach półprzewodników"

Wanda Edyta Jóźwiak
5 lat temu
Przeglądów:

1 Pomiar kontaktowej różnicy potencjałów na powierzchniach półprzewodników Promotor: dr hab. inż. Bogusława Adamowicz Opiekun: dr inż. Marcin Miczek Dyplomant: Emilia Sołtys

2 Plan prezentacji Motywacja Cel i zakres pracy Teoria zjawiska Metoda pomiarowa i jej różne warianty Układ pomiarowy Zadania do zrealizowania Literatura UHV Kelvin Probe

3 Motywacja badań Powierzchnia półprzewodnika elektronowe stany powierzchniowe ładunek powierzchniowy zagięcie pasm energetycznych rekombinacja powierzchniowa półprzewodnik PROBLEM: Wyznaczanie parametrów elektronowych powierzchni Metoda pomiaru kontaktowej różnicy potencjałów (CPD - contact potential difference) w trakcie oświetlenia fotonapięcia powierzchniowego (SPV surface photovoltage)

4 Motywacja badań Półprzewodniki Si, GaAs, InP pasywowane struktury AlGaN/GaN fotodetektory InTechFun Zadania w projekcie InTechFun POIG (Fundusze Strukturalne) we współpracy z Instytutem Technologii Elektronowej w Warszawie: Z.4.6 Wykonanie i weryfikacja parametrów funkcjonalnych fotodetektora ultrafioletu na bazie heterozłącza AlGaN/GaN; Z.7.7 Zakup i uruchomienie sondy Kelvina do pomiaru kontaktowej różnicy potencjału międzypowierzchni i struktur.

Motywacja 1) Metoda CPD/SPV - bezkontaktowa i nieniszcząca 2) Pomiary CPD/SPV: Parametry powierzchniowe: potencjał powierzchniowy V S ładunek powierzchniowy Q ss gęstość stanów

5 Motywacja 1) Metoda CPD/SPV - bezkontaktowa i nieniszcząca 2) Pomiary CPD/SPV: Parametry powierzchniowe: potencjał powierzchniowy V S ładunek powierzchniowy Q ss gęstość stanów powierzchniowych N ss (E) Parametry objętościowe: poziom Fermiego E f droga dyfuzji L czas życia nośników ładunku τ Mała drgająca elektroda odniesienia nad stosunkowo dużą próbką.

6 Cel i zakres pracy 1) Zaprojektowanie i uruchomienie stanowiska do pomiarów CPD oraz SPV za pomocą sondy Kelvina 2) Pomiar CPD i SPV dla wybranych powierzchni półprzewodników pasywowanych warstwami dielektrycznymi (tlenki naturalne, SiO 2 ) 3) Analiza wyników i wyznaczenie parametrów elektronowych badanych powierzchni 4) Analiza teoretyczna wpływu domieszkowania i stanów powierzchniowych na SPV

7 Φs qvs Układ metal próżnia półprzewodnik w stanie równowagi Ф s,m prace wyjścia, qv s zakrzywienie pasm, V s potencjał powierzchniowy, L D efektywna długość Debye. q(cpd) Φm Ec Ef próżnia Ev półprzewodnik metal x typu n LD 0

8 Fotonapięcie powierzchniowe SPV zmiana zakrzywienia pasm na powierzchni pod wpływem oświetlenia SPV = V CPD V ( on) CPD( off ) półprzewodnik rekombinacja pasmo - pasmo rekombinacja powierzchniowa próżnia SPV metal Ec Ef Efp Efn hν Ef Ev rekombinacja SRH generacja dryf stany powierzchniowe Nss(E)=const

9 Standardowa Sonda Kelvina (KP) C k εa ( t) = d( t) drgająca siatka przetwornik piezoelektryczny C k (t) pojemność elektryczna ε przenikalność elektryczna, A powierzchnia elektrody d(t) odległość pomiędzy elektrodami d( t) = d0 + a sin( ω t + γ ) półprzewodnik LOCK-IN C k ( t) = n= 1 C n sin( nωt + γ ) n I k ( t) = ( CPD) n= 1 C n cos( nωt + Φ n ) d 0 średnia odległość pomiędzy elektrodami, asin(ωt+ γ) sygnał odniesienia γ n - faza n tej harmonicznej, I k (t) prąd w obwodzie, ω- częstość podstawowa, Ф n faza n tej harmonicznej, C n współczynik rozwinięcia.

10 Pomiar SPV ΔSPV = V CPD V ( on) CPD( off ) φ = const C - modulowane φ - modulowane C = const przerywacz strumienia hν przetwornik magnetyczny hν drgająca siatka siatka półprzewodnik półprzewodnik LOCK-IN LOCK-IN

info skala mikrometrowa Cr deposited on Si(100)

11 Scanning Kelvin Probe (SKP) Topografia potencjału powierzchniowego skala mikrometrowa Cr deposited on Si(100) Sample courtesy of Dr. Bert Lagel, University of South Florida.

12 Scanning Kelvin Probe Microscopy (SKPM) Przystawka do AFM skala nanometrowa. Surface potential of two-component LB film. Scan size: 6 x 6 um Topography (left) and surface potential distribution (right) of two component Langmuir-Blodgett film.

13 Sonda Kelvina czułość 0,1 mv zakres ciśnień od UHV do 10 bar możliwość pracy w powietrzu lub innym gazowym otoczeniu łatwa instalacja w komorach pomiarowych

14 Parametry elektronowe półprzewodników wyznaczane z pomiaru SPV x1 Δ SPV = VCPD( on) VCPD( off ) V S E 1) Potencjał powierzchniowy wraz ze wzrostem natężenia światła Ф (V s 0) zakładamy wypłaszczenie pasm fotonapięcie Dembera i stany powierzchniowe brak nasycenia konieczność numerycznego modelowania SPV Mierząc znak fotonapięcia informacja o zakrzywieniu pasma co do znaku (typ przewodnictwa) SPV = V CPD V ( on) CPD( off ) x2 μ n > μ p kt μn μ p σ1 V = 12 ln q μn + μ p σ 2 V 12 napięcie Dembera k stała Bolzmanna T temperatura q ładunek elektronu μ n ruchliwość elektronów, μ p ruchliwość dziur, σ 1, σ 2 przewodność właściwa w punktach x 1 i x 2,

15 2) Ładunek powierzchniowy - półprzewodnik typu p (warunek silnego zubożenia) Q SS ql D ( qv / kt S 1/ ) 2 L D 2εε 0kTp = 2 q q ładunek elektronu 1/ 2 p b koncentracja dziur wewnątrz półprzewodnika b 3) Czas życia nośników nadmiarowych - półprzewodnik typu p Kinetyka procesów generacji i relaksacji nośników prądu przy udziale stanów powierzchniowych parametry dynamiczne tych stanów oraz koncentrację n i p w stanach powierzchniowych [2] str. 251

16 Parametry cd. 4) Droga dyfuzji nośników mniejszościowych L: pomiar Ф w funkcji λ φ SPV=const C1 stała α współczynnik absorpcji światła Ф SPV=const strumieńświatła wyregulowany, tak aby SPV było stałe φ=c1(ld+1)α 1/α L LD

17 Układ pomiarowy pomiary elektryczne i fotoelektryczne przy zmianie T, λ i Ф B A, B, C: kontakty elektryczne D: źródło światła UV, E: manipulator próbki. C-V I-V A S C InTechFun Sonda Kelvina F E D UV Lamp Projekt komory Z.7.6 Lampa UV Z.7.8

18 Zadania do wykonania 1) Obliczenia SPV(Ф) dla Si, GaAs, GaN dla różnych N D, N SS (E) Modelowanie: weryfikacja nasycenia SPV dla dużych Ф Oszacowanie sygnału SPV w typowych warunkach 2) Zestawienie układu pomiarowego 3) Wykonanie pomiarów CPD/SPV na próbkach Si, GaAs, AlGaN/GaN

19 Literatura [1] K. Szalimowa, Fizyka półprzewodników, PWN Warszawa 1974 [2] A. Szaynok, S. Kużmiński; Podstwawy fizyki powierzchni półprzewodników; Wyd. Naukowo Techniczne Warszawa 2000 [3] T. Figielski; Zjawiska nierównowagowe w półprzewodnikach; PWN Warszawa 1980 [4] F. Kowtoniuk, J. A. Koncevoj; Pomiary parametrów materiałów półprzewodnikowych Warszawa 1973 [5] H. Lüth, Optical Spectroscopy of electronic surface states, Applied Physics 1975 [6] L. Kronik, Y. Shapira; Surface photovoltage phenomena: theory, experiment, and applications; Surface Science Reports 37 (1999) [7] [8] [9]

20 Dziękuję za uwagę

Podobne dokumenty

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja Rekapitulacja Detekcja światła Sebastian Maćkowski Instytut Fizyki Uniwersytet Mikołaja Kopernika Adres poczty elektronicznej: mackowski@fizyka.umk.pl Biuro: 365, telefon: 611-3250 Konsultacje: czwartek