Fotodetektor ultrafioletu na bazie struktur metal/izolator/gan i AlGaN/GaN

Transkrypt

1 Fotodetektor ultrafioletu na bazie struktur metal/izolator/gan i AlGaN/GaN Z3.7 Z2.6 (model charakteryzacja), Z7 (aparatura), Z4 (demonstrator) model, projekt, charakteryzacja grupa PSl-3 B. Adamowicz 1, M. Matys 1, R. Ucka 1, A. Domanowska 1, Marcin Miczek 1 Zakład Fizyki Powierzchni i Nanostruktur Instytut Fizyki CND, Politechnika Śląska współpraca - technologia struktur MIS Z.R. Żytkiewicz 2, M. Sobańska 2, K. Kłosek 2, A. Taube 3, R. Kruszka 3 2 Instytut Fizyki PAN, 3 Instytut Technologii Elektronowej E. Kamińska, A. Piotrowska - Instytut Technologii Elektronowej T. Hashizume, Y. Hori Research Center for Integrated Quantum Electronics, Hokkaido Univ., Sapporo (Japonia)

2 PLAN 1. Cel i zakres 2. Model fotodetektora 3. Wyniki eksperymentalne 4. Podsumowanie 5. Dorobek grupy PSl-3

3 1. Cel i zakres stabilność chemiczna i termiczna dobra przewodność cieplna wysokie pole przebicia Elektronika wysokich mocy, częstotliwości i temperatur ultrafioletowa optoelektronika 5 4 GaN Munoz, Phys. Stat. Sol. B 244 (2007) 2859 Fotodetektory UV diody Schottky`ego, MSM, pin InN długość fali (nm) 200 UV Szeroka przerwa energetyczna (3,4 6,1 ev) AlN bramka izolator AlGaN GaN kontakt 6 omowy Właściwości GaN i AlGaN przerwa energetyczna (ev) Fotodetektor UV na bazie struktury MIS - n-gan (AlGaN/GaN) fotopojemność fotonapięcie powierzchniowe szafir stała sieciowa (A) Detektor UV na bazie struktury metal/izolator/gan (MIS): + stabilność termiczna + mniejszy prąd ciemny + niższe szumy? stany powierzchniowe.

4 PROBLEM: stany powierzchniowe Negatywne efekty : ładowanie powierzchni, prądy upływu, pinning poziomu Fermiego E F obniżenie parametrów przyrządu 2. Model fotodetektora Spolaryzowana (V G 0) i oświetlona UV struktura MIS na bazie n-gan Założenia modelu: 1, 2-D model dryftowo-dyfuzyjny Rekombinacja objętościowa pasmo-pasmo (2), Augera (3), Shockleya-Reada-Halla (4) Φ Rekombinacja powierzchniowa Dielektryk/GaN (AlGaN): ciągły rozkład energetyczny stanów powierzchniowych, D it (E) Idealny izolator (brak upływu) D it, ev -1 cm -2 Stany donorowe Stany akceptorowe E CNL D it0 Model powierzchni obszar nieuporządkowany Disorder induced gap state model (Hasegawa, Ohno, J.Vac.Sci.Technol. 1981)

5 Metoda obliczeń Rozwiązanie równań modelu Poissona oraz transportu dla elektronów i dziur metodą elementów skończonych (Comsol) D it (E), τ SRH, V G, Φ V(x), n(x), p(x) fotopojemność ΔC = C L (Φ) C(0) fotonapięcie powierzchniowe SPV = V(Φ) V(0) UV C i Układ równoważny C S HF napięcia V AC C SS pomijalna Stany powierzchniowe nie nadążają za zmianą polaryzacji bramki

6 UV, 300 nm bramka AlO x (63 nm) n-gan (1 mm) N D = cm -3 kontakt omowy Wyniki obliczeń fotopojemności struktury MIS GaN wpływ natężenia światła Φ, napięcia bramki V G, koncentracji stanów powierzchniowych D it0 i czasu życia nośników Krzywe ΔC(Φ) w kształcie litery S. Położenie obszaru przejściowego można regulować za pomocą V G (przestrajanie detektora). Stany powierzchniowe zmniejszają czułość i przestrajalność detektora oraz wpływ objętościowego czasu życia (τ SRH ) nośników na krzywą ΔC(Φ) konieczna dobra pasywacja powierzchni GaN.

7 Wyniki obliczeń fotopojemności struktury MIS GaN wpływ temperatury D it0 = ev -1 cm -2 τ SRH = 10-8 s różne V G różne D it różne Φ Słaba zależność fotopojemności od T korzystna dla detekcji UV w wysokiej T Stabilizację foto-c można regulować napięciem bramki Zmiana C L (T) zależy od natężenia światła UV konieczna kalibracja

8 Wyniki obliczeń fotonapięcia powierzchniowego (SPV) GaN wpływ natężenia światła i koncentracji stanów powierzchniowych Dit0, ev-1cm x x 1012 Wpływ stanów powierzchniowych na SPV(Φ) w strukturze niespolaryzowanej Zależność logarytmiczna w szerokim zakresie Φ zastosowanie w fotodetektorze UV (demonstrator na sesji plakatowej) M. Matys, P. Powroźnik, D. Kupka, B. Adamowicz, Optica Applicata 43 (2013) 47-52

9 3. Wyniki eksperymentalne Układ do pomiaru ΔC i SPV w funkcji Φ, VG, T, Pikoamperomierz Keithley 6487 Analizator impedancji Agilent 4294A Φ, λ Optyka UV/VIS InTechFun: Lampa deuterowa i (200 nm 2,5 μm) Lampa ksenonowa Laser He-Cd (325 nm, 20 mw) ΔC(U, f) ΔI(U) CPD, SPV Besocke Kelvin Probe S (siatka Au 3 mm) Komora z mikromanipulatorami do kontaktów elektrycznych InTechFun T Zestaw wytwarzania i kontroli próżni Układ grzania i chłodzenia

10 Wyniki eksperymentalne MIS-GaN CL(t), CL(Φ) Semitransparent gate electrode Ni/Au 20/50nm (Ø 200μm) Ohmic electrode Ti/Al/Ti/Au CL-Cdark, nf/cm2 350 nm 4 3 = 325 nm Dit0=5.x010eV0 1cm-2 Współpraca z RCIQE, Sapporo Znaczna czułość struktury na UV próg detekcji ok. 109 foton/(cm2s) i selektywność Wpływ stanów powierzchniowych Dit(E) na zależności CL(Φ) oryginalna metoda wyznaczania rozkładu gęstości stanów donorowych (sesja plakatowa) M. Matys, B. Adamowicz, T. Hashizume, Applied Phys. Lett. 101 (2012)

11 Wyniki eksperymentalne MIS-GaN C L (Φ, T) Próg detekcji komercyjnej diody Schottky`ego UVC- ITME Sygnał fotopojemności na UV powyżej T = 600 K. Krzywa empiryczna C a pozwala na kalibrację fotodetektora w funkcji T.

12 Wyniki eksperymentalne MIS-GaN SPV (Φ, T) zakres liniowy Si x N y /GaN zakres log Si x N y /GaN Si x N y /GaN Odpowiedź czasowa SPV zależy pasywacji powierzchni GaN Próg detekcji fotodetektora ok.10 9 foton/(cm 2 s). Krzywa SPV(Φ) pozwala na łatwą kalibrację. Fotodetektor wysokotemperaturowy Zalety: pomiar bezprądowy, V G =0, niekonieczna dobra pasywacja powierzchni i kontakt omowy, możliwy pomiar Φ.

13 Wyniki eksperymentalne MIS-AlGaN/GaN CL(Φ, T) Gate electrode Ni/Au 20/30nm (Ø 200μm) Ohmic Al2O3 contact 20nm Ti/Al/Ti/Au Współpraca z RCIQE = 300 nm Próg detekcji fotodetektora poniżej1010 foton/(cm2s). Fotodetektor wysokotemperaturowy. Konieczny jest reset fotodetektora (wpływ Φ). Wpływ stanów powierzchniowych Dit(E) na zależności CL(Φ) oryginalna metoda wyznaczania rozkładu gęstości powierzchnio-wych stanów donorowych (sesja plakatowa). M. Matys, et al., Applied Phys. Lett. (2013)

14 Wyniki eksperymentalne MIS-AlGaN/GaN SPV (t, Φ) SiON/AlGaN SiON/AlGaN Odpowiedź czasowa SPV zależy pasywacji powierzchni GaN wpływ nieciągłości pasm walencyjnych E V na granicy dielektryk/algan Próg detekcji fotodetektora ok.10 9 foton/(cm 2 s). Łatwa kalibracja w funkcji Φ.

15 Analiza chemiczna AES (sesja plakatowa) Spektromikroskopia elektronów Augera (mikrosonda SAM PHI 600, HTIS Rzym) * Energia jonów Ar + : 1 kev, prąd próbki: 10 na * Lokalna diagnostyka zanieczyszczeń powierzchni; analiza profili składu chemicznego nanowarstw pasywacyjnych i obszaru granicy faz dielektryk - GaN obszar analizowany 100 nm Ar + 3 nm t Obszar warstwy pasywacyjnej SiON Ewolucja linii AES w funkcji czasu trawienia jonowego (t) w obszarze kontaktu omowego

16 PODSUMOWANIE 1. Wykonano model fizyczny i projekt czułej na UV diodowej mikrostruktury typu MIS na bazie n-gan oraz heterozłącza AlGaN/GaN, o symetrii cylindrycznej, z pomiarem fotopojemności (ΔC) oraz fotonapięcia powierzchniowego (SPV). 2. Przeprowadzono pomiar i analizę zależności ΔC i SPV od natężenia światła wzbudzającego (Φ) i potencjału bramki (V G ), w różnych T. Wykazano, że struktury MIS cechują się czułością w szerokim zakresie Φ (od 10 9 foton/(cm 2 s)), selektywnością i możliwością pracy w wysokiej temperaturze (do ok C). W analizie uwzględniono wpływ granicy fazowej dielektryk/ półprzewodnik z powierzchniowymi stanami elektronowymi, odpowiedzialnymi za wychwyt nadmiarowych dziur, na odpowiedź fotodetektora. 3. Wykonano pierwszą wersję demonstratorów fotodetektora UV na bazie struktury MIS-GaN (z pomiarem ΔC) oraz AlGaN (z pomiarem SPV, przy modulowanym Φ). 4. Opracowano oryginalną metodę wyznaczania rozkładu gęstości powierzchniowych stanów donorowych Dit(E) z pomiaru ΔC(Φ) dla struktur MIS półprzewodników szerokoprzerwowych.

17 Publikacje (ISI) 1. M. Matys, et al..: Determination of the deep donor-like interface state density distribution in metal/al 2 O 3 /n-gan structures from the photocapacitance light intensity measurement, Appl. Phys. Lett. (rekomendowana do druku, 2013) 2. M. Matys, P. Powroźnik, D. Kupka, B. Adamowicz, Two dimensional modeling of surface photovoltage in metal/insulator/n-gan structure with cylindrical geometry, Optica Applicata 43 (2013) M. Matys, B. Adamowicz, T. Hashizume: Determination of the deep donor-like interface state density distribution in metal/al 2 O 3 /n-gan structures from the photocapacitance light intensity measurement, Appl. Phys. Lett. 101 (2012) A. Domanowska, M. Miczek, R. Ucka, M. Matys, B. Adamowicz, J. Żywicki, A. Taube, K. Korwin-Mikke, S. Gierałtowska, M. Sochacki, Auger electron spectromicroscopy and surface photovoltage studies of HfO 2 /SiO 2 /SiC structure, Appl. Surf. Sci. (2012) M. Matys, M. Miczek, B. Adamowicz, Z. R. Żytkiewicz, E. Kamińska, A. Piotrowska, T. Hashizume, The role of surface states and bulk defects in yellow and ultraviolet photoluminescence in n-gan, Acta Physica Polonica A 120 (2011) A73-A75 6. M. Miczek, P. Bidziński, B. Adamowicz, C. Mizue, T. Hashizume: The influence of interface states and bulk carrier lifetime on the minority carrier behavior in an illuminated metal/insulator/gan structure, Solid State Comm. 151 (2011) P. Bidziński, M. Miczek, B. Adamowicz, C. Mizue, T. Hashizume: Impact of Interface States and Bulk Carrier Lifetime on Photocapacitance of Metal/ /Insulator/GaN Structure for Ultraviolet Light Detection, Jpn. J. Appl. Phys. 50 (2011) 04DF A. Domanowska, B. Adamowicz, P. Bidziński, A. Klimasek, J. Szewczenko, T. Gutt, H. Przewłocki: Analysis of chemical shifts in Auger electron spectra versus sputtering time from passivated surfaces, Optica Applicata 41 (2011) Inne: Elektronika (2011) 2; 22 komunikaty konferencyjne (4 referaty), w tym ICPS (Zurich, 2012), IWN (Sapporo, Innowacyjne 2012), technologie MIKON (Wilno, wielofunkcyjnych 2010), materiałów E-MRS (Warszawa, 2011), SSDM (Tokio, 2010), SSP (Krakow, 2011), 3 prace doktorskie (realizowane), 5 dyplomów mgr, 3 projekty inżynierskie, 5 studentów - stażystów

18 Wybrane konferencje 1. M. Matys, M. Miczek, B. Adamowcz, T. Hashizume, A novel method for the determination of the full energetic distribution of interface density in metal/insulator/gan structures from photocapacitance light intensity capacitance voltage measurements, 31st Int. Conf. Phys. Semicon. (ICPS 2012), Zurich, , Program Booklet p. 39 (poster 29.5), nominacja do Young Scientists Award 2. B. Adamowicz, M. Matys, T. Hashizume, Two-dimensional modeling of gated-photoluminescence in metal/insulator/n-gan structures with cylindrical symmetry, International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN`2012), Sapporo (Japonia), , poster TuP-PR R. Ucka, M. Matys, B. Adamowicz, T. Hashizume, Studies of surface photovoltage in metal/insulator /n-gan structures, 9th Int. Conf. Adv. Sem. Dev. Microsystems Smolenice (Słowacja) B. Adamowicz, P. Bidziński, M. Miczek, C. Mizue, T. Hashizume: Modeling of Metal/Insulator/ /GaN Ultraviolet Photodetector by Finite Element Method, 18th International Conference on Microwaves, Radar, and Wireless Communications MIKON-2010, Wilno, Litwa, VI 2010 oral, extend. abstr. 5. P. Bidziński, M. Miczek, B. Adamowicz, T. Hashizume: Analiza numeryczna zjawisk fotoelektronowych w detektorach promieniowania UV typu MIS na bazie n-gan, IV Krajowa Konferencja Nanotechnologii, 28 VI 2 VII 2010, Poznań. 6. A. Domanowska, P. Bidziński, A. Klimasek, J. Żywicki, B. Adamowicz: Profile składu chemicznego nanowarstw pasywacyjnych na podstawie analizy numerycznej widm elektronów Augera, IV Krajowa Konferencja Nanotechnologii, 2010, Poznań. 7. P. Bidziński, M. Miczek, B. Adamowicz, C. Mizue, T. Hashizume: Impact of Interface States and Bulk Carrier Lifetime on Photocapacitance of Metal/Insulator/GaN Structure, International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM), Tokio, Japonia, IX 2010 oral, extended abstract 8. B. Adamowicz, P. Bidziński, M. Miczek: Simulations of UV-induced photoeffects in metal/ /insulator/n- GaN structure, 10th Conference Electron Technology ELTE 2010, IX 2010, Wrocław.