Zadanie 3 Modelowanie tranzystorów HFET i diod Schottky ego oraz projekt ich konstrukcji na bazie obliczeń cieplnych i mikrofalowych

Transkrypt

1 PBZ Nr PBZ-MEiN-// Zadanie : Opracowanie technologii i konstrukcji tranzystorów HFET i diod Schottky ego na bazie heterostruktur AIII-N/SiC przeznaczonych do prac w zakresie b.w.cz. Zadanie 3 Modelowanie tranzystorów HFET i diod Schottky ego oraz projekt ich konstrukcji na bazie obliczeń cieplnych i mikrofalowych Regina Paszkiewicz Kierownik zadania: Marek Tłaczała Wydziałowy Zakład Mikroelektroniki i Nanotechnologii Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki (WEMiF) ITME, Warszawa.. Zad. 3. Zdefiniowanie bazowej konstrukcji i topologii tranzystora HFET Symulacja działania tranzystora HFET AlGaN/GaN Pakiet symulacyjny APSYS (QW), f-my Crosslight Software Inc., do analizy zjawisk fizycznych w strukturach półprzewodnikowych i badania właściwości elektrycznych i termicznych przyrządów (opcje Self Consistent MQW/Piezo, Thermal Option, Quantum Tunneling Option) Zad.3. Modelowanie diody Schotkky ego ALGaN/GaN/H-SiC [] Kontakt Schottky ego ΦB=.7eV (µm) (ds) (µm) Kontakt omowy Nsa=e cm - Kontakt omowy Kontakt Schottky ego (,7eV) Kontakt Schottky ego AlGaN (dalgan=37nm) Nd=3e cm -3 GaN (dgan=µm) Nd=e cm -3 Podłoże H-SiC szafirowe Dioda: o symetrii osiowej i między-placzastej Gęstość prądu drenu Koncentracja nośników,p,p V -,V -,V -,V -,V -,V -3,V -3,V -,V przesuwanie się stałej czasu związane ze zubażaniem warstwy deg I [ma] 3,,,,,,, Dioda kołowa 3,µm,µm,µm 3 µm I [ma] 3 Dioda paskowa 3,µm,µm,µm 3µm Rozkład potencjału Tranzystory HFET, HEMT, diody Schottky ego, Charakterystyki C=f(f) diody Schottky ego AlGaN/GaN/SiC o symetrii osiowej dla różnych polaryzacji diody Teoretyczne charakterystyki prądowo-napięciowe diody o symetrii kołowej (a) i diody paskowej (b) wykonanych w heterostrukturze AlGaN/GaN/SiC Zad.3. Modelowanie tranzystora AlGaN/GaN/H-SiC HFET I ds [A/m] I ds [A/m] 7 3 d AlGaN nm nm nm 3 nm 3 nm nm nm U gs = V U gs =V U ds [V] Wpływ grubości d AlGaN na charakterystykę wyjściową tranzystora L g =µm L g =9µm U ds [V] Wpływ stanów powierzchniowych na charakterystykę wyjściową tranzystora przy różnej długości bramki N s N s Konc. elektr. [cm -3 ] E9 E E7 I ds [%] AlGaN DEG,,,,,, U gs =V d [µm] U ds =V GaN N AlGaN [cm-3] e7 e7 7e7 e 3e e e9 Wpływ domieszkowania na rozkład elektronów na interfejsie AlGaN/GaN N s [cm - ] e e e e e3 e3 L g [µm] Względna zmiana prądu drenu po uwzględnieniu stanów powierzchniowych w modelu tranzystora HEMT z bramką o długości L g Zd. 3. Elementy optymalizacji tranzystora a) b) I dss [ma] f T [GHz] 3 c), Lg [µm], Lg [µm] idealny =e- =e-7 =e- =e- idealny =e- =e-7 =e- =e- gm [ms] idealny =e- =e-7 =e- =e-, Lg [µm] Zależność prądu nasycenia (a), transkonduktancji (b) i częstotliwości granicznej tranzystora HFET (c) w funkcji długości bramki dla różnych rezystancji charakterystycznych źródła (. <L g < µm, l sg =µm, W g = µm )

2 Zad.. Technologia warstw HT- GaN/SiC Zadanie Opracowanie technologii krystalizacji heterostruktur AIII-N/SiC Zad.. Optymalizacja procesu osadzania warstw GaN/H-SiC Zd.. Optymalizacja procesu osadzania warstw GaN/H-SiC Zad.. Właściwości elektryczne i optyczne warstw GaN/SiC Zad.. Recykling podłoży SiC,p,p m V -V -V,p 3,p µ 3,p µ G [S] V -V -V,p µ,p,p n,p n,p,,,, Pojemność i kondunktancja zastępcza warstwy GaN/H-SiC w funkcji częstotliwości E Intensywność PL [jednostki względne] -3 n [cm ] E7 Wyjściowe podłoże SiC Podłoże SiC po procesie recyklingu 3 3 E 3,n 3,n,n λ [nm] x [m] Koncentracja elektronów swobodnych i widmo RT PL warstwy GaN/H-SiC osadzanej na buforze HT-AlGaN Warstwa GaN/SiC po I procesie epitaksji Warstwa GaN/SiC po II procesie epitaksji Opracowano własne procedury polerowania mechano-chemicznego warstw GaN/SiC

3 Zad.. Kontakt omowy Ti/Al/Ni/Au do AlGaN/GaN Zadanie Projekt technologii tranzystorów AIII-N/SiC HFET i diod Schottky ego, opracowanie podstawowych przyrządowych procesów technologicznych oraz opracowanie masek do testów technologii i testów przyrządów R (ohm) Zad.. Pasywacja powierzchni tranzystorów Si3N,µ SiO,µ SiO,µ SiO,µ 3,p 3,p - ρs= 7,97. Ω.cm - l (um) Wpływ temperatury formowania termicznego na charakterystyki I-V kontaktów omowych Ti/Al do AlxGa-xN/GaN (x=9,%) (formowanie RTA, t= s, N, l/min) Pasywacja: rozpylanie magnetronowe (AlN, AlNO) PECVD (Si3N, SiO) Fotoczułe polimery (SU-, poliimidy) HT D_Z_TLM h = µm lt=.3 µm Rs=. Ω Rk=. Ω.mm Charakterystyki elektryczne kontaktu omowego wyznaczone techniką TLM Zad.. Optymalizacja procesu trawienia heterostruktur AlGaN/GaN (a) (b) Wyrzutnia magnetronowa 3,p Szybkość (a) i selektywność trawienia (b) heterostruktur,p,p,p,p,p,p,p Pojemność w funkcji częstotliwości warstw dielektrycznych wytwarzanych techniką PECVD (nsio ~3,, nsi3n ~ 7 ) Widmo względnej stałej dielektrycznej AlN w funkcji prądów katody (εr AlN ~ -) Profile struktur meza heterostruktur trawionych techniką RIE Zad.. Epitaksja heterostruktur AlGaN/GaN/SiC Zadanie Wykonanie i charakteryzacja heterostruktur przyrządowych AIII-N/SiC do tranzystorów HFET i diod Schottky ego 3

4 Zad.. Pomiary RT PL heterostruktur AlGaN/GaN/SiC Zad.. Charakterystyki heterostruktur przyrządowych AlGaN/GaN HFET,n,n,p,p,p,p, -,p V -V -V -V -V -7V -V G [S] m m m µ µ µ n n V -V -V -V -V -7V -V Intensywność PL [jednostki względne] 3,,,, Pojemność i kondunktancja zastępcza heterostruktury AlGaN/GaN/H-SiC w funkcji częstotliwości λ [nm] Widmo RT PL heterostruktury AlGaN/GaN/H-SiC n [cm -3 ] E E7 E n [cm - ],x,x,x Heterostruktura AlGaN/GaN/H-SiC ruchliwość DEG = cm /V*s n s =,* cm - U p = -.7V E, E,,n,µ,µ x [m] Koncentracja elektronów swobodnych i koncentracja elektronów DEG w heterostrukturze AlGaN/GaN/H-SiC Zad. 7. Karty technologiczne wytwarzania demonstratorów Zadanie 7 Wykonanie serii demonstratorów HFET i pomiar ich charakterystyk użytkowych Zad.7. Demonstratory diod Schottky ego AlGaN/GaN/H-SiC I [A] m µ µ µ,,,,,,, Charakterystyka prądowo-napięciowa między-palczastej diody Schottky ego Zad. 7. Parametry b.w.cz. diod Schottky ego AlGaN/GaN/H-SiC,,9,,7,,,,3,,,,,,3,,,,7,,9,,,, -, 9 3 f=ghz f=,ghz ua ua S pomiar S model I=µA 3 f=mhz Sensitivity [mv/µw],3,,,, r d C j C C =,pf j r d = Ohm R s = Ohm C =,pf Schemat równoważny międzypalczastej diody Schottky ego AlGaN/GaN/SiC R s µa µa f=,ghz P [dbm] Napięcie d.c detektora w funkcji mocy dysponowanej generatora (przy stałym prądzie polaryzacji (R L = ) i częstotliwości, GHz), - - P [dbm] Czułość detektora w funkcji mocy dysponowanej generatora (czułość,3 mv/µw)

5 Zad.7. Wykonanie demonstratorów AlGaN/GaN/H-SiC HFET Zad.7. Charakterystyki d.c. demonstratorów AlGaN/GaN/H-SiC HFET UGS=V ID [ma] -,V -,V -,V -,V -.V Rysunek złożeniowy kompletu masek z oznaczeniem poszczególnych chipów UDS [V] Zad. 7. Parametry b.w.cz tranzystora AlGaN/GaN/H-SiC 9 7 7,, 9, 3GHz Mhz ,, 3, Zależność parametrów S od częstotliwości (UDS = V, ID = 3 ma) UDS=V ID=3mA,,,, ID [ma] UDS[V] 3, PdB [dbm] ft [GHz],,3, PG[dBm] PG=3dBm Dla demonstratora do, GHz - PdB =, dbm (3 mw), przy ID= ma, RL = Ω, Pmax= dbm (mw) 3, Zależność częstotliwości granicznej od punktu pracy: a) ft= f(id) przy UDS = V b) ft= f(uds) przy ID = 3 ma),, G,,7 ft [GHz] M,,, b) f [Hz],9, Zależność skutecznego wzmocnienia mocy w funkcji mocy dysponowanej generatora dla różnych częstotliwości demonstratora,, f=,ghz f=,ghz f=,ghz f=,ghz ID=7mA M, ID=mA ID=mA UDS=V ID=mA ID=3mA Mhz 3GHz ID=mA ID=77mA, UDS=V S GT [db], a) MAG/MSG [db], S S 3, Zad. 7. Parametry b.w.cz. tranzystora AlGaN/GaN/H-SiC HFET 9, ID=mA UDS=V Pmax [dbm], ID=mA ID=7mA,, Przy Idss= ma, UDS < 3 V, Udss = V, maksymalna moc = 7 mw, RL= Ω, Moc wyjściową (moc wyjściowa, przy której wzmocnienie spada o db Power output at db compression (PdB )),,,,,, f [GHz] PdB i P max dla różnych częstotliwości Podsumowanie W WEMiF PWr zgodnie w deklaracjami zawartymi w projekcie: Opracowano polską technologię tranzystorów AlGaN/GaN/SiC i diod Schottky ego AlGaN/GaN/H-SiC Opracowano technologię wytwarzania przyrządowych heterostruktury AlGaN/GaN/H-SiC techniką MOVPE Wykonano demonstratory technologii i demonstratory przyrządów Technologia jest gotowa do prac wdrożeniowych Upowszechnianie wyników 9 Konferencje: XI Seminarium Powierzchnia i Struktury Cienkowarstwowe, Szklarska Poręba, wystąpienia sesyjne, prezentacje plakatowe Applied Physics of Condensed Matter, APCOM 9, Liptovský Jan, Slovak Republic, June -, 9-3 wystąpienia sesyjne European 3 th Workshop on MOVPE, Ulm, Germany, June 7-, 9 wystąpienia plakatowe th Workshop Advanced Nanomaterials Synthesis, Properties, Applications Cottbus/Germany, November 3/, 9 wystąpienia sesyjne Dyplomowe prace magisterskie - obronione (/9): 3 - aktualnie realizowane (9/): Prace doktorskie - obroniona (..9): - kontynuowane: - rozpoczęte: Uzyskane stypendia doktoranckie - Maxa Borna dla wybitnych doktorantów środowiska wrocławskiego - - Marszałka województwa dolnośląskiego - - Rektora PWr dla wybitnych doktorantów - Stypendia doktoranckie z funduszu Kapitał Ludzki -

6 Publikacje.B. Boratyński, W. Macherzyński, A. Droździel, K. Pyszniak, Ion Implanted Ohmic Contacts to ALGAN/GAN Structures, In: APCOM 9. Proc. th Inter. Conf. on Applied Phys. Cond. Matter. Eds. D. Pudiš et al. Žilina: Univ. Žilina 9. P Artykuł zgłoszony do druku: Journal of Electrical Engineering..W. Macherzyński, A. Stafiniak, A. Szyszka, B. Paszkiewicz, R. Paszkiewicz, M. Tłaczała, Effect of annealing temperature on the morphology of ohmic contact Ti/Al/Ni/Au to n-algan/gan heterostructures, w druku, Optica Applicata Vol. 39, No., 9. 3.W. Macherzyński, B. Paszkiewicz, R. Paszkiewicz, M. Tłaczała, Effect of annealing on electrical characteristics of platinum based Schottky contacts to n-gan layers, In: APCOM 9. Proc. th Inter. Conf. on Applied Phys. Cond. Matter. Eds. D. Pudiš et al. Žilina: Univ. Žilina 9. P Artykuł zgłoszony do druku: Journal of Electrical Engineering..B. Paszkiewicz, R. Paszkiewicz, W. Macherzyński, J. Prażmowska, A. Szyszka, M. Wośko, M. Krasowska, A. Stafiniak, M. Tłaczała, Hydrogen sensor based on nitrides, Proc. of XIII European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy, 7-..9, Neu-ULM, Niemcy, str. 3-..J. Prażmowska, R. Korbutowicz, M. Wośko, R. Paszkiewicz, J. Kovač, R. Srnanek, M. Tłaczała, Influence of AlN buffer layer deposition temperature on properties of GaN HVPE layers, złoszono do druku, Acta Physica Polonica.. M. Ramiączek-Krasowska, A. Szyszka, J. Prażmowska, R. Paszkiewicz, M. Tłaczała, Application of the nanoscratching in electronic devices, w druku, Optica Applicata Vol. 39, No., 9. 7.A. Stafiniak, D. Muszyńska, A.Szyszka, B. Paszkiewicz, K. Ptasiński, S. Patela, R. Paszkiewicz, Marek Tłaczała, Properties of AlNx thin films prepared by DC reactive magnetron sputtering, w druku, Optica Applicata Vol. 39, No., 9..A. Szyszka, B. Paszkiewicz, R. Paszkiewicz, M. Tłaczała, Surface photocurrent nonuniformities in MSM detectors fabricated in gallium nitride heteroepitaxial layers, w druku, Optica Applicata Vol. 39, No., A. Szyszka, B. Paszkiewicz, W. Macherzyński, R. Paszkiewicz, M. Tłaczała, A. Satka, J. Kováč, The columnar structure of GaN layers influence on the performance of UV detectors, 3th European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy, EWMOVPE XIII : extended abstracts, Ulm, Germany, 7th-th June 9 / Institute of Optoelectronic Ulm University, s. 3-..B. Ściana, I. Zborowska-Lindert, M. Panek, D. Pucicki, D. Radziewicz, M. Tłaczała, A. Borczuch, J. Kovac, J. Skriniarova, M. Florovic, AlGaAs/GaAs heterojunction phototransistor made by MOVPE device simulations and performance characteristics, Proc. of XIII European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy, 7-..9, Neu-ULM, Niemcy, str. -..M. Wośko, R. Paszkiewicz, B. Paszkiewicz, D. Radziewicz, B. Ściana, M. Tłaczała, New approach in MOVPE process design of graded AlxGa-xAs structures aided by neural network, Proc. of XIII European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy, 7-..9, Neu-ULM, Niemcy, str B. Boratyński, B. Paszkiewicz, R. Paszkiewicz and M. Tłaczała, AlGaN/GaN Heterostructure FET - processing and parameter evaluation, XXXVIII International School and Conference on the Physics of Semiconductors, "Jaszowiec" 9, Krynica Zdrój, June 9-, 9. Referat wygłoszony, zatwierdzony do publikacji w Acta Physica Polonica Zespół badawczy: prof. dr hab. inż. Marek Tłaczała kierownik zespołu Bogusław Boratyński Ryszard Korbutowicz Waldemar Oleszkiewicz Regina Paszkiewicz Bogdan Paszkiewicz Adam Szyszka Mateusz Wośko Doktoranci: Wojciech Macherzyński Joanna Prażmowska Maria Krasowska Andrzej Stafiniak Jacek Gryglewicz Dyplomanci i studencji WEMiF Dziękuję za uwagę