Marcin Miczek. Badania wpływu temperatury na właściwości elektronowe struktur metal/izolator/algan/gan

Transkrypt

1 Marcin Miczek Badania wpływu temperatury na właściwości elektronowe struktur metal/izolator/algan/gan grant MNiSW / NCN (39. konkurs) N N , PBU-91/RMF1/ IX III 2013 Zakład Fizyki Powierzchni i Nanostruktur Instytut Fizyki Centrum Naukowo-Dydaktyczne Politechniki Śląskiej Gliwice, 25 maja 2011 roku

2 Plan wystąpienia 1. Motywacja 2. Cel naukowy i metodyka badao 3. Projekty pokrewne i współpraca 4. Wykonawcy i zakres prac 5. Pomiary planowane na zewnątrz 6. Oprogramowanie 7. Obecne laboratorium i plany rozbudowy 8. Podsumowanie: docelowe laboratorium. 2

3 Motywacja: ciekawe materiały Szeroka przerwa energetyczna (3,4 ev), stabilnośd chemiczna i termiczna, dobra przewodnośd cieplna, wysokie pole przebicia, duża prędkośd unoszenia elektronów. Elektronika wysokich mocy, częstotliwości i temperatur, niebieska, ultrafioletowa optoelektronika. przerwa energetyczna (ev) AlN GaN stała sieciowa (A) UV InN długość fali (nm) 3

4 Motywacja: co mamy, co potrafimy Wytworzone struktury AlGaN/GaN pasywowane różnymi wielowarstwami dielektrycznymi, doświadczenie w modelowaniu własności elektronowych takich struktur, doświadczenie w badaniach chemicznych (spektroskopia i mikroskopia elektronów Augera) z zaawansowaną analizą danych pochodzących ze struktur z ultracienkimi warstwami. Adamowicz, Miczek, Hashizume, Klimasek, Bobek, Żywicki: Optica Applicata 37 (2007) 327. Miczek, Mizue, Hashizume, Adamowicz: Journal of Applied Physics 103 (2008) omowy bramka SiO 2 albo SiN x (10-20 nm) Al 2 O 3 (1 nm) AlGaN (25 nm) GaN (3 μm) Al 2 O 3 (szafir) kontakt 4

5 Cel naukowy projektu Opracowanie fizykalnego modelu struktur metal/izolator/algan/gan uwzględniającego: elektronowe stany powierzchniowe, defekty objętościowe, dwuwymiarowy gaz elektronowy (2DEG) na heterozłączu AlGaN/GaN, upływ przez warstwę izolatora, mechanizm pasywacji powierzchni AlGaN. 5

6 Metodyka badao (1/2) Pomiar zależności pojemność-napięcieczęstotliwość w temperaturach od 77 do 573 K oraz prąd-napięcie-temperatura. Porównanie wyników pomiarów z zależnościami teoretycznymi z symulacji numerycznych zjawisk elektronowych w badanych strukturach (COMSOL Multiphysics, MATLAB, własne oprogramowanie w C/C++). Dopasowanie zależności teoretycznych do eksperymentalnych za pomocą procedur klasycznych oraz algorytmów ewolucyjnych wyznaczenie parametrów elektronowych struktur. 6

7 Metodyka badao (2/2) Obrazowanie powierzchni za pomocą mikroskopu sił atomowych (także z przewodzącym ostrzem) porowatość i upływność warstw dielektrycznych. Profile i mapy chemiczne skaningowy mikroskop elektronów Augera z układem trawienia jonowego oraz spektrometr masowy jonów wtórnych skład warstwy pasywacyjnej i obszaru granicy fazowej izolator/algan. 7

8 Projekty pokrewne i współpraca 1. Projekt strukturalny Innowacyjne technologie wielofunkcyjnych materiałów i struktur dla nanoelektroniki, fotoniki, spintroniki i technik sensorowych (InTechFun, UDA-POIG /08, FSB-33/RMF1/2009): sonda Kelvina, komora próżniowa do pomiarów fotoelektrycznych; 2. środki inwestycyjne Instytutu Fizyki: zestaw do wytwarzania i kontroli próżni; 3. współpraca z Research Center for Integrated Quantum Electronics, Uniwersytet Hokkaido, Sapporo, Japonia: próbki, konsultacje naukowe. 8

9 Wykonawcy i zakres prac (1/2) Kierownik: dr inż. Marcin Miczek: pomiary elektryczne i fotoelektryczne, analiza wyników, modelowanie. Wykonawcy: dr hab. inż. Bogusława Adamowicz, prof. Pol. Śl.: analiza wyników, modelowanie, badania składu chemicznego; dr Andrzej Klimasek: badania składu chemicznego; dr inż. Alina Domanowska: analiza wyników (dopasowania wieloparametryczne), modelowanie; dr Jacek Mazur: obrazowanie AFM i interpretacja wyników. 9

10 Wykonawcy i zakres prac (2/2) Doktoranci i dyplomant: mgr inż. Piotr Bidzioski: modelowanie; mgr inż. Maciej Matys: modelowanie; Rafał Ucka: pomiary fotoelektryczne. Personel administracyjny i techniczny: Maria Naróg i Marlena Orlicka: obsługa administracyjna i finansowa projektu; mgr inż. Maciej Setkiewicz: aparatura elektroniczna; Ryszard Muzyka i Tomasz Wardzała: elementy mechaniczne. 10

11 Pomiary planowane na zewnątrz Pomiary upływności mikroskopem sił atomowych z ostrzem przewodzącym (conductive atomic force microscope, C-AFM) na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej (prof. Teodor Gotszalk). Analiza chemiczna (jakościowa i ilościowa) metodą spektrometrii masowej jonów wtórnych (secondary ion mass spectrometry, SIMS) w Przemysłowym Instytucie Elektroniki w Warszawie. 11

12 Oprogramowanie komputerowe MATLAB: wersja R2010b, licencja sieciowa jednostanowiskowa; producent: The MathWorks, USA; dystrybutor: ONT, Kraków. Pakiet programistyczny RAD Studio XE oraz Embarcadero XE Developer Tools (C++, Delphi, PHP,.NET), licencja akademicka; producent: Embarcadero Technologies, USA; dystrybutor: BSC Polska, Warszawa. Obu zakupów dokonano w listopadzie 2010 roku. 12

13 Obecne laboratorium: komora próżniowa Komora z mikromanipulatorami do kontaktów elektrycznych [OmniVac]. Zestaw wytwarzania i kontroli próżni *Varian+. 13

14 Obecne laboratorium: optyka VIS/UV Lampa deuterowa i halogenowa (200 nm 2,5 μm) *Avantes+. miernik mocy światła *Standa+ (1 μw 3 W, 190 nm 20 μm), filtr szary obrotowy [Newport], filtry dichroiczne (pasmowoprzepustowe), płytka światłodzieląca, światłowód itd. mikroskop stereoskopowy [DeltaOptical]. 14

15 Obecne laboratorium: elektronika Sonda Kelvina (Besocke Kelvin Probe S z siatką o średnicy 3 mm) z układem sterująco-pomiarowym [Besocke], Pikoamperomierz ze źródłem napięciowym Keithley 6487 Analizator impedancji Agilent 4294A (własnośd: prof. S. Kochowski) 15

16 Rozbudowa laboratorium Doposażenie komory próżniowej do pomiarów fotoelektrycznych w układ grzania i chłodzenia ciekłym azotem Maciej Setkiewicz, projekt w toku. Zakup ostrzowej sondy Kelvina Besocke Kelvin Probe T (średnica ostrza 0,5 mm) w toku. Zakup drobnych elementów optycznych (zwierciadła, soczewki, uchwyty itp.). 16

17 Podsumowanie: docelowe laboratorium napięcie częstotli wośd temperatura natężenie światła długośd fali próbka (foto)pojemnośd (foto)prąd fotoluminescencja (PL) kontaktowa różnica potencjałów (CPD) fotonapięcie powierzchniowe (SPV) 17