MATERIAŁY ELEKTRONICZNE

Transkrypt

1 E. Dąbrowska, M. Teodorczyk, G. Sobczak, A. Maląg INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH MATERIAŁY ELEKTRONICZNE ELECTRONIC MATERIALS KWARTALNIK T nr 3 Wydanie publikacji dofinansowane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego WARSZAWA ITME

2 E. Dąbrowska, M. Teodorczyk, G. Sobczak, A. Maląg KOLEGIUM REDAKCYJNE: prof. dr hab. inż. Andrzej JELEŃSKI (redaktor naczelny) dr hab. inż. Paweł KAMIŃSKI (z-ca redaktora naczelnego) prof. dr hab. inż. Zdzisław JANKIEWICZ dr hab. inż. Jan KOWALCZYK dr Zdzisław LIBRANT dr Zygmunt ŁUCZYŃSKI prof. dr hab. inż. Tadeusz ŁUKASIEWICZ prof. dr hab. inż. Wiesław MARCINIAK prof. dr hab. Anna PAJĄCZKOWSKA prof. dr hab. inż. Władysław K. WŁOSIŃSKI mgr Anna WAGA (sekretarz redakcji) Adres Redakcji: INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH ul. Wólczyńska 133, Warszawa, tel. (22) lub w redaktor naczelny (22) w z-ca redaktora naczelnego (22) w sekretarz redakcji PL ISSN Kwartalnik notowany na liście czasopism naukowych Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego (6 pkt.) SPIS TREŚCI OCENA JAKOŚCI MONTAŻU DIOD LASEROWYCH NA PASMO 808 nm POPRZEZ POMIAR REZYSTANCJI TERMICZNEJ I CHARAKTERYSTYK SPEKTRALNYCH Elżbieta Dąbrowska, Marian Teodorczyk, Grzegorz Sobczak, Andrzej Maląg... 3 OPTYMALIZACJA WYTWARZANIA PIERWSZEGO ZŁĄCZA TRÓJZŁĄCZOWYCH OGNIW SŁONECZNYCH NA BAZIE ZWIĄZKÓW InGaP/InGaAs/Ge Ewa Dumiszewska, Piotr Knyps, Marian Teodorczyk, Marek Wesołowski, Włodzimierz Strupiński CHARAKTERYZACJA WARSTW EPITAKSJALNYCH Z TELLURKU KADMOWO RTĘCIOWEGO (Hg 1-x Cd x Te) ZA POMOCĄ WYKONANYCH FOTODIOD Aleksandra Królicka OZNACZANIE ZAWARTOŚCI Cr(VI) W POWŁOKACH CYNKOWYCH, PASYWOWANYCH CHROMEM Izabela Zalewska, Wanda Sokołowska, Agata Karaś, Anna Jusis STRESZCZENIA ARTYKUŁÓW PRACOWNIKÓW ITME

3 E. Dąbrowska, M. Teodorczyk, G. Sobczak, A. Maląg OCENA JAKOŚCI MONTAŻU DIOD LASEROWYCH NA PASMO 808 nm POPRZEZ POMIAR REZYSTANCJI TERMICZNEJ I CHARAKTERYSTYK SPEKTRALNYCH Elżbieta Dąbrowska, Marian Teodorczyk, Grzegorz Sobczak, Andrzej Maląg Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, Warszawa; elzbieta.dabrowska@itme.edu.pl W pracy przeanalizowano przesuwanie się charakterystyk spektralnych w diodach laserowych (DL) z różną rezystancją termiczną (R T ), a także zmianę ich charakterystyk mocowo- -prądowych na różnych etapach montażu. Mierzono wzrost temperatury złącza DL podczas przyłożonego impulsu prądowego poprzez dynamiczne (z rozdzielczością czasową) pomiary spektralne przy pomocy kamery ICCD. Porównano przesunięcia widm DL w czasie trwania impulsu o długości 1 ms w pomiarach dynamicznych i przesunięcia widm w czasie pomiarów przy stałej repetycji i zwiększającym się czasie trwania impulsu w zależności od wartości R T. Wyniki te posłużyły do opracowania metody oceny jakości montażu na etapie pomiarów impulsowych. Słowa kluczowe: dioda laserowa, rezystancja termiczna, złącze p-n, pomiar termowizyjny, pomiar dynamiczny, charakterystyka spektralna Evaluation of the mounting quality of la ser diodes emitting at 808nm by thermal resistance and spectral characteristics measurements In this paper, the shift of spectral characteristics measured at a constant rate of bias pulse repetition and various pulse duration for laser diodes (LDs) with different thermal resistances has been presented. The temperature increase of the p-n junction of LDs during the current pulse has been investigated by dynamic (time-resolved) spectral measurements using an ICCD camera. For LDs with a different thermal resistance spectral shift during a 1 ms long pulse in dynamic measurements and in the measurements at a constant rate of pulse repetition with variable pulse duration has been demonstrated. Key words: laser diode, thermal resistance, p-n junction, thermovision measurement, dynamics measurement, spectral characteristic 1. WPROWADZENIE Jedną z głównych barier rozwoju laserów półprzewodnikowych dużej mocy jest problem odprowadzania ciepła z obszaru aktywnego. Wzrost temperatury DL wpływa na pogorszenie jej charakterystyk elektrooptycznych, podwyższenie prądu progowego, zmniejszenie sprawności kwantowej, przesunięcie widma emisji, a także na przyspieszenie procesów degradacyjnych. Parametrem określającym ilościowo skuteczność odprowadzania ciepła generowanego przez diodę laserową jest rezystancja termiczna R T, która określa zmiany temperatury przyrządu przy zmianie rozproszonej mocy. Istnieje kilka sposobów wyznaczania R T zmontowanej diody laserowej [1]. Są to: 1) porównanie prądów progowych przy zasilaniu impulsowym i przy pracy ciągłej (cw), 2) pomiar przesunięcia maksimów charakterystyki widmowej emisji spontanicznej (podprogowej) Δλ w pracy ciągłej i impulsowej, 3) wyznaczenie położenia maksimów charakterystyki widmowej i mocy optycznej w funkcji współczynnika wypełnienia η (przy stałej długości impulsu prądowego i rosnącej repetycji) metoda Pauliego, 4) pomiar zmian położenia maksimum charakterystyki spektralnej ze zmianą prądu przy pracy ciągłej, 5) pomiar temperatury złącza T j przy pracy ciągłej, 6) obserwację oscyloskopowego zapisu przebiegu zmian napięcia na diodzie po wyłączeniu impulsu prądowego. Najbardziej wiarygodną i najczęściej stosowaną metodą jest metoda 4, chociaż jest ona bezużyteczna w przypadku diod, które nie są w stanie pracować w reżimie pracy ciągłej (cw). Dla takich diod wykorzystywana jest metoda 3. Najmniej użyteczną metodą jest porównywanie prądów progowych diody laserowej pracującej w warunkach pracy impulsowej i ciągłej. Ponieważ zdarzają się DL z tzw. miękkim progiem określenie prądu progowego jest dla nich niejednoznaczne. Również z powodu strat w rezonatorze np. wskutek nieoptymalnych pokryć luster obliczone tą metodą R T może 0 [1]. Także metoda pomiaru przesunięcia maksimów charakterystyki 3

4 Ocena jakości montażu diod laserowych na pasmo 808 nm... widmowej emisji spontanicznej w pracy ciągłej i impulsowej (przede wszystkim ze względu na ich dużą szerokość) jest obarczona dużym błędem [1]. Autorzy pokazują, że dla oceny montażu nie są konieczne pracochłonne pomiary niezbędne dla wyznaczania rezystancji termicznej, lecz wystarczą pomiary charakterystyk spektralnych w pomiarach impulsowych. W pracy porównano wyniki dla 3 metod pomiarowych dla 6 diod różniących się jakością montażu. Do badań przeznaczono diody z paskiem aktywnym o szerokości w = 100 μm i długością rezonatora L = 1 mm z heterostruktur wykonanych w ITME. Diody montowano do złoconej chłodnicy miedzianej o wymiarach 2 x 4 x 7 mm 3. Wszystkie pomiary prowadzono przy I = 1 A, przy stabilizowanej temperaturze stolika pomiarowego 15 o C. Diody poddano badaniom na każdym etapie montażu (chip przed montażem, po przylutowaniu do chłodnicy Cu, po montażu drutowym, po relaksacji naprężeń). Pomiary impulsowe prowadzono przy długości impulsu 0,4 μs z repetycją T= 0,19 ms, w temperaturze 15 o C. Pomiary spektralne wykonano przy pomocy kamery ICCD firmy Andor. Pozwoliło to, na podstawie charakterystyk mocowo-prądowych i spektralnych na wstępną ocenę jakości tych diod [2]. Jednak taka ocena jest pracochłonna i naraża diody na dodatkowe uszkodzenia. Następnie diody badano poniższymi metodami: 1. Pomiaru R T R T wyznaczono na podstawie metody Pauliego dla diod pracujących tylko przy zasilaniu impulsowym, a dla diod pracujących w cw z pomiaru mocy rozproszonej w diodzie i przesunięcia charakterystyk spektralnych przy różnych prądach (metoda 4). 2. Pomiaru widm przy wydłużanym impulsie prądowym Zbadano przesuwanie się i kształt widma DL przy stałej repetycji T = 10 ms i wydłużającym się czasie impulsu τ = 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 50 μs i 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5 i 10 ms (Rys. 1) 3. Przesuwania się widma w pomiarach dynamicznych. Mierzono wzrost temperatury złącza DL po włączeniu impulsu prądowego poprzez dynamiczne (z rozdzielczością czasową) pomiary spektralne przy pomocy kamery ICCD firmy Andor. W czasie trwania impulsu o długości 1 ms z repetycją 20 ms wykonano 40 pomiarów widm z szerokością bramki 40 ns (Rys. 2) kolejno przesuwanych co 25 μs. Pierwszy pomiar widma wykonywano z opóźnieniem 200 ns od czoła impulsu. 2. OPIS ZASTOSOWANYCH METOD POMIAROWYCH 4 Rys. 1. Idea wykonywania pomiarów przy stałej repetycji T = 10 ms i wydłużającym się czasie impulsu τ = 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 50 μs i 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5 i 10 ms. Fig. 1. Measurements at T = 10 ms and τ = 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10,20, 50 μs and 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5 and 10 ms. Rys. 2. Idea wykonywania pomiarów dynamicznych. Przy impulsie o długości 1 ms wykonywanych jest 40 pomiarów (co 25 μs) trwających 40 ns. Fig. 2. The idea of dynamic measurements. At a pulse of duration 1 ms 40 measurements are performed with a constant time shift of 25 μs and with a gate time of 40 ns. Poniżej zostały opisane szczegółowe wyniki pomiarów DL różniących się jakością montażu. W ten sposób znaleziono związek pomiędzy obliczonymi różnymi wartościami R T a przesunięciem charakterystyk spektralnych w opisanych warunkach pomiarowych. Określono graniczne wartości R T, oraz

5 E. Dąbrowska, M. Teodorczyk, G. Sobczak, A. Maląg przesuwania się widm dla diod, powyżej których diody nie będą pracowały w warunkach cw. 3. PORÓWNANIE PARAMETRÓW DIOD LASEROWYCH RÓŻNIĄCYCH SIĘ R T Dwa pierwsze opisane przypadki z Rys. 3 dotyczą diod laserowych, które ostatecznie nie pracowały w cw ze względu na wadliwy montaż. Dla diody oznaczonej A wartość R T = 63 o ± 8 o C C/W, dla diody oznaczonej B R T = 30 ± 4 o C/W. Z porównania charakterystyk spektralnych mierzonych na każdym etapie montażu (Rys. 3a) wynikało, że diody te nie są poprawnie zmontowane [2]. Dla prawidłowo zmontowanej diody zmienia się położenie charakterystyki spektralnej chipa przed i po przylutowaniu do chłodnicy. Przy stosowaniu lutowia indowego i montażu bezpośrednio do chłodnicy Cu wprowadzone naprężenia ściskające powodują przesunięcie charakterystyki spektralnej w kierunku krótkofalowym. Takie przesunięcie świadczy o nieplanowanym zwiększeniu przerwy energetycznej DL. Jednak dla diody A charakterystyki te pokrywają się, co oznacza bardzo słabe przyłączenie chipa do chłodnicy. Bardzo często takie diody już na etapie technologicznym wykonywania połączeń drutowych ulegają uszkodzeniu. Rys. 3b pokazuje, że przesuwanie charakterystyk spektralnych mierzonych przy wydłużającym się czasie trwania impulsu prądowego następuje w kierunku długofalowym z powodu wzrostu temperatury w obszarze aktywnym. Temperaturowe przesunięcie widma wynika przede wszystkim ze zwężenia szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika w obszarze aktywnym, w mniejszym stopniu ze zmiany współczynnika załamania materiału rezonatora, temperaturowej zmiany wzmocnienia progowego (zmiany separacji quasi-poziomów Fermiego) oraz cieplnego rozszerzenia rozmiarów chipa. Dla diody A akcja laserowa zanikła już przy długości impulsu 5 ms. Przy zwiększającej się długości impulsu, wskutek grzania się DL jej charakterystyki spektralne przesuwają się w kierunku długofalowym. W tym pomiarze dodatkowo każda charakterystyka była szersza od poprzedniej, być może wskutek powstania wolnych przestrzeni w lutowiu, stanowiących źródła niejednorodnego grzania. Wskutek różnej temperatury pod powierzchnią rezonatora charakterystyki spektralne ulegają rozszerzeniu i efekt ten będzie się pogłębiał ze wzrostem długości impulsu. Rozszerzenie charakterystyk spektralnych może być również spowodowane wprowadzonymi naprężeniami montażowymi. Różnica pomiędzy położeniem charakterystyki spektralnej mierzonej impulsem o długości 0,2 μs a charakterystyką spektralną mierzoną impulsem o długości 2 ms wynosiła ~ 10 nm. Grzanie się diody jest dobrze widoczne w pomiarach dynamicznych w czasie trwania impulsu 1 ms, jej charakterystyka spektralna przesunęła się o ~ 8 nm (Rys. 3c) i intensywność jej promieniowania laserowego w czasie trwania pomiaru wyraźnie zmniejszała się. Na Rys. 3d pokazano charakterystyki mocowo-prądowe na każdym etapie montażu. Diody A i B nie pracowały w warunkach cw. Dla diody B charakterystyki spektralne mierzone na każdym etapie montażu po przylutowaniu chipa do chłodnicy uległy przesunięciu, ale także uległy poszerzeniu, co świadczyło o wprowadzonym zbyt dużym naprężeniu w czasie lutowania. Dioda ta grzała się trochę mniej (przesunięcie charakterystyk spektralnych w pomiarach dynamicznych o ~ 6 nm), ale charakterystyki spektralne przy stałej repetycji i zwiększającym się czasie trwania impulsu również rozszerzały się, chociaż nie tak mocno jak w przypadku diody A. Różnica pomiędzy położeniem charakterystyki spektralnej mierzonej impulsem o długości 0,2 μs a położeniem charakterystyki spektralnej mierzonej impulsem o długości 5 ms wynosiła ~ 9 nm. Akcja laserowa dla tej diody zanikła dopiero przy długości impulsu 10 ms (Rys. 3c). Ostatnia dioda z Rys. 3 o R T = 22 ± 3 o C/W oznaczona C zaczęła pracować w cw, ale jej charakterystyka mocowo-prądowa przewinęła się dioda przegrzała się przy ~ 0,8 A. Dla tej diody w pomiarach widm przy wydłużanym impulsie prądowym akcja laserowa zanikła dopiero przy długości impulsu 10 ms i repetycji 10 ms (czyli praktycznie cw), a jej charakterystyki rozszerzały się, chociaż nie tak wyraźnie jak w przypadku diody A i mniej niż w przypadku diody B. Odległość pomiędzy charakterystykami spektralnymi mierzonymi przy długości impulsu 0,2 μs a 5 ms wynosiła ponad 6 nm, o 3 nm mniej niż w przypadku diody B. Na Rys. 3a widać, że odległość między charakterystykami chipa przed i po przylutowaniu do chłodnicy jest ~ 1 nm, co dla lutowia indowego świadczy jeszcze o wadach w technice montażu. Charakterystyki spektralne tej diody w czasie trwania impulsu 1 ms w pomiarach dynamicznych przesunęły się o ~ 5 nm, ich intensywność malała w trakcie pomiaru. 5

6 Ocena jakości montażu diod laserowych na pasmo 808 nm... Dioda A Dioda B Dioda C R T = 63 o ± 8 o C/W R T = 30 ± 4 o C/W R T = 22 ± 3 o C/W (a) (b) (c) (d) Rys. 3. Charakterystyki spektralne diod A, B i C różniących się wartościami R T : a) na różnych etapach montażu, b) znormalizowane do 1 amplitudy charakterystyk spektralnych przy stałej repetycji T i zwiększającym się czasie trwania impulsu τ, c) w pomiarach dynamicznych w czasie trwania impulsu o długości τ = 1 ms i repetycji T = 20 ms, d) charakterystyki mocowo-prądowe. Fig. 3. Spectral characteristics of diodes (A, B and C) of various R T values: a) at different stages of montage process, b) normalized to the amplitude of the spectral characteristics measured at a constant repetition time T and at an increasing pulse duration τ, c) during dynamic measurements at a pulse duration τ = 1 ms and a repetition time T = 20 ms, d) power versus current characteristics. 6

7 E. Dąbrowska, M. Teodorczyk, G. Sobczak, A. Maląg Rys. 4 przedstawia wyniki dla diod, dla których w pomiarach widm przy wydłużanym impulsie prądowym akcja laserowa utrzymywała się dla długości impulsu τ = 10 ms (czyli praktycznie cw). Dla diody oznaczonej D o wartości R T = 18 ± 1 o C/W charakterystyki spektralne ulegały jeszcze lekkiemu rozszerzeniu (Rys. 4b). Różnica pomiędzy położeniem charakterystyki spektralnej mierzonej przy długości impulsu 0,2 μs a10 ms wynosiła ~ 9 nm (pomiędzy długością impulsu 0,2 μs a 5 ms była mniejsza niż 5 nm, podczas gdy dla diody C była równa 6 nm). Dla tej diody charakterystyka spektralna w pomiarach dynamicznych przy długości impulsu 1 ms przesunęła się o ~ 4 nm (Rys. 4c). Charakterystyka mocowo-prądowa była zadowalająca liniowa do ~ 0,6 A (Rys. 4d). Przy wyższych prądach dioda bardzo grzała się, stąd tak niestabilna dalsza część charakterystyki. Natomiast dioda oznaczona E pracowała w cw, ale charakteryzowała się jeszcze nie najlepszą wartością rezystancji termicznej: R T = 16 ± 0,5 o C/W. O poprawnym montażu tej i następnej diody oznaczonej H świadczą ich charakterystyki mocowo-prądowe (Rys. 4d) i spektralne (Rys. 4a) mierzone na każdym etapie montażu. Charakterystyki mocowo-prądowe dla DL E przy zasilaniu ciągłym lekko odbiegały od liniowej, ale dioda pracowała stabilnie do I = 1A. Charakterystyki spektralne po przylutowaniu chipów do chłodnicy przesunęły się o ponad 2 nm w porównaniu z charakterystykami niezmontowanych chipów. Charakterystyki spektralne w pomiarach dynamicznych w czasie trwania impulsu o długości 1 ms (Rys. 4c) przesunęły się o ~ 4 nm. Charakterystyki spektralne mierzone przy stałej repetycji 10 ms i wydłużającym się czasie trwania impulsu dla diod o R T 16 o C/W przestają się rozszerzać (Rys. 4b). Odległość pomiędzy pikami charakterystyk mierzonych przy długości impulsu 0,2 μs i 10 ms wynosiła niecałe 7 nm. Jednak dioda ta, z powodu nadal jeszcze wysokiej wartości R T, najprawdopodobniej nie będzie charakteryzować się długim czasem życia (wymagany dla tego typu diod to godzin). Ostatnia przedstawiona dioda z Rys. 4 oznaczona H charakteryzuje się zadowalającą rezystancją termiczną R T = 9,6 ± 0,4 o C/W i poprawnymi charakterystykami mocowo-prądowymi dla pracy cw. O poprawnym montażu diody H świadczą jej charakterystyki mocowo-prądowe i spektralne mierzone na każdym etapie montażu (Rys. 4a, d). Charakterystyka spektralna po przylutowaniu chipów do chłodnicy przesunęły się o ponad 5 nm w porównaniu z charakterystykami niezmontowanych chipów. Charakterystyki spektralne mierzone przy stałej repetycji 10 ms i wydłużającym się czasie trwania impulsu są wąskie (Rys. 4b). Odległość pomiędzy pikami charakterystyk mierzonych przy długości impulsu 0,2 μs i 10 ms wynosiła ~ 6 nm. Charakterystyki spektralne w pomiarach dynamicznych w czasie trwania impulsu o długości 1 ms (Rys. 4c) przesunęły się o 2 nm. Wyniki przeprowadzonych badań są podsumowane w Tab. I. Przedstawiono w niej wartości przesunięcia charakterystyk spektralnych mierzonych metodą pomiaru widm przy wydłużanym impulsie prądowym w czasie trwania impulsu o długości 10 ms i 0,2 μs (λ 10ms - λ 0,2μs ) i wartości przesunięcia charakterystyk spektralnych w pomiarach dynamicznych w czasie 1 ms impulsu (Δλ) dla DL z różną rezystancja termiczną. Im większe R T tym przesunięcia tych charakterystyk w obu przypadkach są większe. Dane te pokazują, że warunkiem pracy ciągłej badanych diod laserowych jest (λ 10ms - λ 0,2μs ) < 7 nm i jednocześnie Δλ < 3,8 nm. Tabela I. Przesunięcie charakterystyk spektralnych w pomiarach przy stałej repetycji impulsu prądowego i zwiększającym się czasie trwania tego impulsu (λ 10ms - λ 0,2μs ) oraz w pomiarach dynamicznych (Δλ) dla diod różniących się rezystancją termiczną. Table I. The shift of spectral characteristics in measurements at a constant repetition time of a current pulse and at an increasing duration of this pulse (λ 10ms - λ 0,2μs ) and in dynamic measurements (Δλ). The measured diodes have various thermal resistances. Dioda R T ( o C/W) λ 10ms -λ 0,2μs Δλ A 63 ± 8 ~ 8 nm B 30 ± 4 ~6 nm C 22 ± 3 5 nm D 18 ± 1 9 nm 4 nm E 16 ± 0,5 7 nm 3,8 nm F 14 ± 0,5 6,2 nm 3,5 nm G 12 ± 0,5 6,2 nm 2,3 nm H 9,6± 0,4 6,1 nm 2 nm 7

8 Ocena jakości montażu diod laserowych na pasmo 808 nm... Dioda D Dioda E Dioda F R T = 18 o ± 1 o C/W R T = 16 ± 0,5 o C/W R T = 9,6 ± 0,4 o C/W (a) (b) (c) (d) Rys. 4. Charakterystyki spektralne diod D, E i H różniących się wartościami R T : a) na różnych etapach montażu, b) znormalizowane do 1 amplitudy charakterystyk spektralnych przy stałej repetycji T i zwiększającym się czasie trwania impulsu τ, c) w pomiarach dynamicznych w czasie trwania impulsu o długości τ =1 ms i repetycji T = 20 ms, d) charakterystyki mocowo-prądowe. Fig. 4. Spectral characteristics of diodes (D, E and H) of various R T values: a) at different stages of the montage process, b) normalized to the amplitude of the spectral characteristics measured at a constant repetition time T and at an increasing pulse duration τ, c) during dynamic measurements at a pulse duration τ = 1 ms and a repetition time T = 20 ms, d) power versus current characteristics. 8

9 E. Dąbrowska, M. Teodorczyk, G. Sobczak, A. Maląg 4. ZASTOSOWANIE MIKROSKOPU AKUSTYCZNEGO Chip laserowy powinien być przylutowany do chłodnicy całą powierzchnią. W lutowiu nie powinno być wolnych przestrzeni, które są odpowiedzialne za grzanie DL. Przy zastosowaniu mikroskopu akustycznego można dokładnie określić rozkład lutowia pod chipem. Na Rys. 5 pokazano zdjęcia z mikroskopu akustycznego (wykonane na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej) pokazujące warstwę lutowia In pod chipem (b, c). Widać na nich różną skuteczność lutowania. Pokazano również warstwę na głębokości odpowiadającej złoconej powierzchni chipa (a - widoczne paski wzdłuż chipa są wynikiem odbić fal akustycznych). Warstwa lutowia w pierwszym przypadku (b) pokrywa tylko w niewielkim stopniu powierzchnię chipa. W przypadku c) chip był pokryty lutowiem na całej powierzchni. Tak przylutowane diody z Rys. b) i c) różniły się parametrami elektro-optycznymi i rezystancją termiczną. (a) (b) (c) Rys. 5. Zdjęcia z mikroskopu akustycznego: a) odwzorowanie chipa laserowego; b), c) odwzorowanie lutowia In dla diod z różną rezystancją termiczną. Fig. 5. Scanning Acoustic Microscope images: a) representation of a chip-contact of a laser diode; b), c) representation of an In solder. Images are taken for diodes of various thermal resistances. Ze względu na uciążliwości pomiarowe metoda ta nie może być stosowana do bieżącej selekcji zmontowanych chipów. Może być ona jedynie zastosowana do weryfikacji wadliwości montażu dla wybranych DL. 5. PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonych pomiarów stwierdzono, że dla poprawnie zmontowanych diod na pasmo 808 nm z szerokością rezonatora 0,1 mm i długością 1 mm, wartość R T powinna oscylować wokół 10 o C/W. Dla tych (λ 10ms - λ 0,2μs ) przesunięcie widma przy stałej repetycji powinno być T = 10 ms < 7 nm, a Δλ w pomiarach dynamicznych < 3,8 nm. Diody o rezystancji ~ 20 o C/W najprawdopodobniej w czasie pracy cw przegrzeją się ich charakterystyka mocowo-prądowa przewinie się. Dla diod o rezystancji > 30 o C/W nie zaobserwujemy akcji laserowej w cw. Przedstawione wnioski dotyczące wartości R T są słuszne jedynie dla tego typu diod i tego rodzaju montażu. Przy zastosowaniu innego lutowia, podkładek, czy chłodnic rezystancja termiczna będzie różna od podanej w tym artykule. Diody o poprawnych parametrach (prąd progowy, sprawność) i charakterystykach spektralnych, ale mające większą zmierzoną rezystancję, ulegały degradacji podczas końcowych pomiarów temperaturowych. Tak więc wartość R T wskazuje na przyszły czas życia DL. Poprawna wartość R T jest konieczna, ale nie dostateczna długiego czasu życia DL. Zdarzają się diody o prawidłowych charakterystykach mocowo-prądowych i spektralnych, a także o zadowalających wartościach R T, ale jednak o krótkim czasie życia. Być może w takich przypadkach nie montaż a wady we wcześniejszych operacjach technologicznych lub wady w samej heterostrukturze są powodem degradacji DL. Autorzy wykazali, że dla oceny montażu nie są konieczne pracochłonne pomiary dla wyznaczenia rezystancji termicznej, lecz wystarczą pomiary charakterystyk spektralnych. Badanie diod laserowych na każdym etapie montażu w celu orientacyjnej oceny ich jakości jest długotrwałe i może okazać się niszczące. Badanie przesunięcia charakterystyk w pomiarach dynamicznych jest pomiarem również szybkim, ale dla różnego rodzaju diod przesunięcie będzie inne i metoda wymaga wstępnych pomiarów, analogicznych do pomiarów przedstawionych w tej pracy, dla ustalenia maksymalnych wartości Δλ. Dużo szybszą metodą są pomiary spektralne w pracy impulsowej przy stałej repetycji i zmiennym czasie impulsu. Wystarczy porównanie charakterystyk spektralnych przy repetycji T = 10 ms i czasie trwania impulsu np τ = 1 μs i 2 ms. Jeśli charakterystyki spektralne nie uległy rozszerzeniu dioda taka będzie mieć prawidłową rezystancję termiczną i będzie pracować w cw. Przesunięcie charakterystyk w kierunku długofalowym będzie zależeć od typu badanych diod. LITERATURA [1] Dąbrowska E., Maląg A.: Metody pomiaru rezystancji termicznej diod laserowych, Przegląd Elektrotechniczny, 87, 4, (2001), [2] Dąbrowska E., Teodorczyk M., Sobczak G., Maląg A.: Badanie naprężeń wprowadzanych do diod laserowych podczas montażu za pomocą In oraz stopu eutektycznego AuSn, Materiały Elektroniczne, 37, 4, (2009) 9

10 Optymalizacja wytwarzania pierwszego złącza trójzłączowych ogniw słonecznych... OPTYMALIZACJA WYTWARZANIA PIERWSZEGO ZŁĄCZA TRÓJZŁĄCZOWYCH OGNIW SŁONECZNYCH NA BAZIE ZWIĄZKÓW InGaP/InGaAs/Ge Ewa Dumiszewska 1), Piotr Knyps 1, 2), Marian Teodorczyk 1), Marek Wesołowski 1), Włodzimierz Strupiński 1) 1) Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, Warszawa, tel: (+48) wew ) Politechnika Warszawska, IMiO, ul. Koszykowa 75, Warszawa tel: (+48) W pracy przedstawiono proces wytwarzania pierwszego złącza trójzłączowych ogniw słonecznych opartych o związki A III -B V z wykorzystaniem technik osadzania MOCVD. Zaprezentowano także wstępne wyniki pomiarów elektrooptycznych pojedynczego złącza struktury Ge/InGaP:Si wykonanego w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych. Złącze to powstało w wyniku dyfuzji atomów fosforu z warstwy InGaP. Wszystkie prace technologiczne zostały przeprowadzone w ITME. Słowa kluczowe: ogniwo słoneczne, MOCVD, złącze InGaP/ Ge Optimization of the technology of manufacturing the first junction of triple junction solar cells based on InGaP/InGaAs/Ge compounds słoneczne, które określa się również mianem fotoogniw są urządzeniami przekształcającymi energię słoneczną w elektryczność za sprawą zjawiska fotowoltaicznego, które w 1839 roku odkrył francuski naukowiec Henri Becquerel. Tempo rozwoju fotowoltaiki rozwoju jest niejednokrotnie porównywane do tempa w jakim upowszechniały się komputery (Rys. 1). W Polsce zainstalowanych jest do tej pory tylko kilka systemów fotowoltaicznych o łącznej mocy 2 MW. Najwięcej takich systemów na świecie jest zainstalowanych w Niemczech, a ich o łączna moc wynosi MW. Spośród krajów europejskich w tej dziedzinie przodują także Czechy, Hiszpania oraz Włochy [1]. This work has been devoted to presenting the process of manufacturing the first junction of triple junction solar cells based on A III -B V compounds using MOCVD deposition techniques. Moreover, preliminary results of electro-optical measurements performed on a single junction of a Ge/InGaP:Si structure produced in the Institute of Electronic Materials Technology have been introduced. This junction has been created as a result of the diffusion of phosphorus atoms from an InGaP layer. All technological processes have been carried out in ITME. Key words: solar cells, MOCVD, InGaP/Ge junction 1. WSTĘP Obecne zużycie energii słonecznej na świecie waha się pomiędzy TW, przy czym Ziemia w ciągu godziny otrzymuje więcej energii słonecznej niż jest zużywane globalnie w ciągu roku. Ogniwa Rys. 1. Prognoza globalnego wykorzystania źródeł energii [2]. Fig. 1. Forecast of global use of renewable energy [2]. Ogniwa słoneczne uznaje się za istotne alternatywne źródło energii, szczególnie od czasu kryzysów naftowych w latach 70. Co więcej, są one dobrze rokującym bezwęglowym źródłem energii, reduku- 10

11 E. Dumiszewska, P. Knyps, M. Teodorczyk,... jącym globalne ocieplenie. Prognozy Niemieckiego Związku Producentów Fotowoltaiki (BSW) wskazują że wykorzystanie energii słonecznej będzie bardzo szybko rosło w następnych latach i zdominuje światową energetykę. Obecnie szerokie rozpowszechnienie fotowoltaiki jest jeszcze ograniczone ze względu na stosunkowo duży koszt i niską wydajność ogniw słonecznych. W tradycyjnych jednozłączowych ogniwach słonecznych duża część padającej energii słonecznej nie jest przekształcana na energię elektryczną. Wydajność takich najbardziej rozpowszechnionych krzemowych ogniw słonecznych wynosi ~ 20 % [3]. Jednym z najważniejszych czynników wpływających na stratę energii w ogniwach słonecznych jest różnica pomiędzy energią fotonu oraz przerwą energetyczną E g materiału fotowoltaicznego. Absorpcja w materiale nie zajdzie, gdy energia fotonu będzie mniejsza niż jego przerwa energetyczna. Gdy będzie ona większa od przerwy energetycznej materiału, to różnica pomiędzy nimi zostanie stracona w postaci ciepła. W celu uniknięcia straty energii najbardziej odpowiednie jest wytworzenie ogniwa fotowoltaicznego składającego się z kilku złącz. Każde ze złącz składa się z innego materiału A III B V i przetwarza inną część widma promieniowania słonecznego co jest pokazane na Rys 2. Rys. 2. Widmo słoneczne AM1.5G oraz wykorzystanie go poprzez trójzłączowe ogniwo słoneczne, przy koncentracji 1000 słońc. Fig. 2. Solar spectrumam1,5g and its utilization In triple junction solar cell, under x1000 concentration. Wielozłączowe ogniwa słoneczne (Rys. 3b) mają tą przewagę nad jednozłączowymi ogniwami słonecznymi, że mogą osiągać sprawności przekraczające 50% dzięki większemu wykorzystaniu widma promieniowania słonecznego (Rys. 2) i są bardzo obiecujące do zastosowań zarówno w kosmosie jak i na ziemi [4]. W tej chwili maksymalna sprawność, jaką udało się uzyskać w takich ogniwach to ~ 43 % [5]. Na Rys. 3 pokazano przykładowe teoretyczne ogniwo z pojedynczym złączem a) oraz ogniwo z potrójnym złączem b). (a) (b) Rys. 3. Tradycyjne ogniwo z pojedynczym złączem a), ogniwo z potrójnym złączem b). Fig. 3. Traditional single junction solar cell a), triple junction solar cell b). Rys. 4 pokazuje najlepsze sprawności ogniw w zależności od technologii ich wykonania. Najlepsze rezultaty osiągane są przez ogniwa trójzłączowe, przy koncentracji promieniowania krotnej względem standardowych warunków testu-stc (1000W/m 2, 25 C, AM1.5). Równocześnie widać że dynamika wzrostu sprawności w ostatnich 5 latach jest największa spośród wszystkich technologii. Najbardziej wydajnymi ogniwami słonecznymi będącymi w produkcji i osiągającymi typowo sprawność ~ 27.5% są heterozłączowe ogniwa składające się z trzech warstw: GaInP, GaAs oraz Ge. Wyniki uzyskiwane przez wiele laboratoriów na świecie oraz zmniejszająca się cena ich wykonania pozwolą na komercjalizację ogniw słonecznych charakteryzujących się zdecydowanie wyższą sprawnością. 11

12 Optymalizacja wytwarzania pierwszego złącza trójzłączowych ogniw słonecznych... Rys. 4. Wykres rekordowych sprawności ogniw wykonanych w różnych technologiach. Źródło: Larry Kazmerski, NREL (rev ). Fig. 4. Diagram of record efficiencies of solar cells produced using various technologies. Source: Larry Kazmerski, NREL, (rev ). 2. CEL PRACY I ZAŁOŻENIA Celem realizowanego projektu Zaawansowane materiały i technologie ich wytwarzania jest wytworzenie trójzłączowego ogniwa fotowoltaicznego opartego o związki półprzewodnikowe grupy III-V oraz takie zoptymalizowanie procesów produkcyjnych, aby zbliżyć się do osiąganych aktualnie rekordowych sprawności na świecie. 3. EKSPERYMENT Najważniejszą częścią składową ogniw jest półprzewodnikowa struktura składająca się z szeregu warstw o różnych właściwościach. Przerwa energetyczna Ge wynosi 0.66 ev i jest odpowiednia do zastosowania Ge w ogniwach z potrójnym heterozłączem jako materiału z najmniejszą przerwą. Złącze Ge-Ge p-n jest w takich ogniwach złączem położonym najdalej od powierzchni, na nim znajdują się złącza z GaAs (lub InGaAs) oraz z InGaP o coraz większych przerwach energetycznych. Stała sieci germanu (5.658A) jest bliska stałej sieci GaAs 12 (5.6533A) i równa stałej sieci In0.01Ga0.99As oraz In0.495Ga0.505 w związku z czym możliwa jest epitaksja warstw izomorficznych - oczywiście pod względem tylko stałej sieci - i uniknięcie problemów związanych z epitaksją warstw o istotnie różnych stałych sieciowych. Uzyskanie złącza p-n w germanie nie wymaga specjalnych procesów dyfuzyjnych lub epitaksji Ge. Wykorzystuje się w tym celu dyfuzję arsenu i fosforu z nałożonej na german warstwy GaAs lub InGaP. Arsen i fosfor są w germanie płytkimi donorami i w materiale typu p otrzymuje się przypowierzchniową warstwę o odwróconym typie przewodnictwa oraz złącze p-n. Doniesienia literaturowe wskazywały na to, że lepszej jakości złącze p-n w germanie otrzyma się stosując jako bufor warstwę InGaP. Wynika to z faktu, że fosfor w germanie ma niższy współczynnik dyfuzji niż arsen. Z tego też względu prowadzone badania skoncentrowały się na osadzeniu warstwy InGaP domieszkowanych krzemem na podłożach germanowych. Przykładowa struktura pokazana jest na Rys. 5. Do badań posłużył reaktor AIX 200/4 firmy AIXTRON. Gazami źródłowymi pierwiastków grupy V był fosforowodór (PH 3 ), natomiast grupy III trójmetylek galu (TMGa) oraz trójmetylek indu

13 E. Dumiszewska, P. Knyps, M. Teodorczyk,... (TMIn). Jako gazu domieszkującego użyto silanu SiH 4, natomiast gazem nośnym był wodór. Rys. 5. Struktura pierwszego złącza trójzłączowej struktury ogniwa. Fig. 5. Structure of the first junction of a triple junction solar cell. W kolejnych krokach na przedniej powierzchni ogniwa naniesiono elektrodę srebrną z paskami o gęstości 20 linii/cm. Dolna powierzchnia także została pokryta przewodzącą warstwą srebra. Pozwoliło to w dalszej kolejności na wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej jasnej oraz ciemnej, z których można wyznaczyć najważniejsze parametry materiałowe i elektryczne. Pomiary były wykonywane w warunkach STC, w symulatorze promieniowania ciągłego w Laboratorium Fotowoltaiki Politechniki Warszawskiej. 4. UZYSKANE WYNIKI Optymalizacja parametrów wzrostu poszczególnych warstw pozwoliła na wytworzenie struktury epitaksjalnej charakteryzującej się jakością powierzchni (chropowatość RMS-root mean square <0.4) odpowiedniej do zastosowania w ogniwie słonecznym. Na Rys. 6 a) oraz 6 b) pokazano obraz powierzchni górnej warstwy InGaP widziany za pomocą mikroskopu sił atomowych oraz mikroskopu z kontrastem Nomarskiego odpowiednio. Podczas badań podjęto próby otrzymania warstwy InGaP o możliwie najlepszej jakości krystalicznej na podłożu germanowym. Optymalna jakość warstwy ma decydujący wpływ na sprawność otrzymanego złącza p-n, a co za tym idzie działanie wytwarzanego ogniwa słonecznego. Na Rys. 7 pokazano charakterystykę prądowo- -napięciową jasną otrzymanego ogniwa słonecznego o powierzchni 1 cm 2 w warunkach standardowego testu STC (natężenie promieniowania 1000 W/m 2, widmo AM1.5, temperatura ogniwa 25 C). Napięcie V OC, którego wartość można odczytać z przecięcia charakterystyki z osią OX (czerwona linia), wynosi ~ 215 mv, co potwierdza działanie złącza p-n. Podobne wartości uzyskiwane są w symulacjach Rys. 6. Obraz powierzchni struktury epitaksjalnej ogniwa słonecznego widziany: a) za pomocą mikroskopu AFM, b) mikroskopu z kontrastem Nomarskiego. Fig. 6. Picture of the surface of the epitaxial structure of a solar cell made by: a) AFM microscope b) Nomarski contrast microscope. przeprowadzonych w programie PC1D oraz [7]. Linią czerwoną oznaczona jest charakterystyka mocy, z maksimum wynoszącym 6,0 mw. Dominujący wpływ na kształt uzyskiwanych charakterystyk ma niska wartość rezystancji bocznikującej R b wynosząca 6,81 Ω. Powoduje ona że współczynnik wypełnienia krzywej opisujący jej prostokątność wynosi tylko 0,33. Pozytywne efekty powinny jednak nastąpić po podtrawieniu krawędzi ogniwa, które to są od- Rys. 7. Charakterystyka I-V pojedynczego ogniwa InGaP/ Ge podczas oświetlenia w warunkach testu STC. Fig. 7. I-V characteristics of a single InGaP/GE solar cell during illumination under STC test. 13

14 Charakteryzacja warstw epitaksjalnych z tellurku kadmowo-rtęciowego... powiedzialne za tak niską rezystancję bocznikującą i powstające drogi upływu nośników. technologii otrzymywania materiałów fotowoltaicznych. 5. PODSUMOWANIE Wytworzono procesy osadzania warstwy InGaP na podłożu germanowym w reaktorze MOCVD. Miały one na celu wytworzenia pierwszego złącza p-n wielozłączowego ogniwa słonecznego. Uzyskano strukturę epitaksjalną o dobrych parametrach powierzchni, bez pęknięć i o niskiej chropowatości. Dużym problemem jest trawienie i pasywacja krawędzi ogniwa, tak aby nie było upływności prądu. Problem ten będzie rozwiązywany poprzez trawienie krawędzi. W dalszym etapie prac zostanie wytworzone kolejne złącze p-n wykonane z GaInAs, które zostanie połączone z pierwszym złączem za pomocą złącza tunelowego. Zamierza się także nałożyć warstwę antyrefleksyjną z azotku krzemu lub tlenku tytanu, która pozwoli na ograniczenie odbicia od powierzchni z ~ 40% do kilkunastu. Powyższą pracę sfinansowano w ramach projektu nr POIG /09 Zaawansowane materiały i technologie ich wytwarzania: Opracowanie LITERATURA [1] - Global Market Outlook for Photovoltaics Until 2015 (aktualizacja ) [2] (aktualizacja ) [3] Mulligan W. P., Rose D. H., Cudzinovic M. J., De Ceuster D. M., McIntosh K. R., Smith D. D., Swanson R. M.: Manufacture of solar cells with 21% efficiency, SunPower Corporation [4] Henry C, J.: Limiting efficiencies of ideal single and multiple energy-gap terrestrial solar-cells, Applied Physics, 51, (1980), [5] [6] Timò G., Flores C., Campesato R.: Bottom cell growth aspects for triple junction InGaP/(In)GaAs/Ge, Cryst. Res. Technol. 40, 10 11, (2005), (2005)/ DOI /crat [7] Aiken D. J.: InGaP/GaAs/Ge multi-junction solar cell efficiency improvements using epitaxial germanium, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM CHARAKTERYZACJA WARSTW EPITAKSJALNYCH Z TELLURKU KADMOWO-RTĘCIOWEGO (Hg 1-X Cd X Te) ZA POMOCĄ WYKONANYCH FOTODIOD Aleksandra Królicka Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, Warszawa, - aleksandra_krolicka@wp.pl Celem pracy było opanowanie metody szybkiej charakteryzacji fotodiod z tellurku kadmowo-rtęciowego - HgCdTe - otrzymywanych metodą MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) tzn. techniką osadzania warstw na powierzchni materiałów poprzez stosowanie związków metaloorganicznych w formie gazowej oraz analiza tej metody. W pierwszej kolejności otrzymane warstwy epitaksjalne poddawano procesowi technologicznemu i w ten sposób uzyskiwano gotowe fotodiody. Dokonano też pomiarów czasu trwania poszczególnych etapów procesu technologicznego. Uzyskane detektory poddawano następnie pomiarom w celu wyznaczenia ich charakterystyk prądowo napięciowych oraz spektralnych. Na podstawie analizy tych charakterystyk oraz z wykonanych obliczeń otrzymano parametry diod, które następnie porównano z parametrami na jakie zaprojektowano heterostruktury oraz z wartościami literaturowymi. Zarówno w tym przypadku, jak i podczas przeprowadzania procesu technologicznego dążono do jak największego zminimalizowania czasu potrzebnego na wykonanie każdego etapu przy jednoczesnym zachowaniu staranności i dokładności wykonywanych czynności. Istotą postępowania było bowiem jak najszybsze uzyskanie informacji zwrotnej dotyczącej parametrów otrzymanych heterostruktur w celu porównania ich z założeniami wstępnymi i ewentualnego szybkiego skorygowania procesu epitaksji, dążąc tym samym do jego usprawnienia. Słowa kluczowe: epitaksja, MOCVD, detektor podczerwieni, fotodetektor, fotodioda 14

15 A. Królicka Characterization of mercury cadmium telluride (Hg 1-x Cd x Te) epitaxial layers using the manufactured photodiodes The aim of this study was to master a method for a quick characterization of mercury cadmium telluride (HgCdTe) photodiodes obtained by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, which was achieved. First, the obtained epitaxial layers were subjected to the technological process procedures and thus complete photodiodes were fabricated. The duration of measurements of each process stage was quantified. Detectors were then measured to determine their current-voltage and spectral characteristics. On the basis of the analysis of both these characteristics and calculations, the parameters of diodes were obtained. They were subsequently compared with the parameters of designed target heterostructures and with literature values. Both here and during the process the goal was to minimize as much as possible the time needed to complete each stage, while maintaining diligence and accuracy of the performed operations. The essence was to be provided with rapid feedback concerning the parameters of the obtained heterostructures in order to compare them with the initial assumptions and, if needed to correct next epitaxy processes, aiming at their improvement. zintegrowanych ze strukturą detektora. Po przejściu procesu technologicznego nowo powstały detektor poddawany jest wszechstronnej charakteryzacji. Dotyczy to zarówno struktur testowych, jak i gotowych przyrządów. Wykonywane są więc pomiary charakterystyk impedancyjnych, widmowych, szumowych i ich zależności od temperatury i innych czynników. Wszystkie te zadania sprawiają, że czas potrzebny na wytworzenie diody w wielkoskalowym procesie produkcyjnym wynosi przeciętnie od tygodnia do 2 miesięcy, zatem bardzo długo. Szybka charakteryzacja w bardziej szczegółowym ujęciu oznacza skrócone procedury, zmierzające do minimalizacji czasu, pozwalające na możliwie szybki odczyt parametrów warstwy heterostruktury, których odzwierciedleniem są parametry diody. W celu lepszego zobrazowania istoty szybkiej charakteryzacji całkowity tok postępowania można przedstawić za pomocą schematu blokowego, przedstawionego na Rys. 1. Key words: epitaxy, MOCVD, infrared detector, photodetector, photodiode, 1. WSTĘP Rozwój detektorów promieniowania podczerwonego opiera się na ciągłym doskonaleniu technologii epitaksjalnych oraz technologii processingu. Postęp nie byłby jednak możliwy bez systematycznej analizy otrzymywanych wyników i wyciągania wniosków z badań oraz wdrażania innowacji w przyszłej działalności. Dużym ułatwieniem i usprawnieniem tych procesów jest zastosowanie metody szybkiej charakteryzacji, ogranicza ona bowiem w znacznym stopniu czas potrzebny na uzyskanie pożądanych parametrów. Praktyczna realizacja heterostruktury, to proces bardzo złożony, który wymaga opracowania procedur opisywanych dziesiątkami parametrów i charakterystyk. Każda zmiana jednego parametru wzrostu pociąga za sobą konieczność zmiany wielu innych. Powoduje to, że dopracowanie technologii jest skomplikowane i wymaga niesłychanie dużego nakładu pracy. Epitaksja jest krytycznym etapem produkcji heterostruktur. Jest to jednak dopiero początek procesu wytwarzania detektorów. Proces technologiczny wymaga kilkudziesięciu dalszych operacji takich jak: trawienie, nanoszenie warstw pasywacyjnych i kontaktowych, cięcie płytek na chipy, czy też wytwarzanie mikrosoczewek immersyjnych monolitycznie Rys. 1. Schemat blokowy pełnego procesu produkcji fotodiody z HgCdTe. Fig. 1. A block diagram of a full manufacturing process of HgCdTe photodiodes. Spośród wielu typów detektorów fotonowych fotodiody cieszą się obecnie największym zainteresowaniem. Dzieje się tak ze względu na większą szybkość działania w porównaniu z innymi detektorami oraz brak konieczności dodatkowego zasilania stałoprądowego. Fakt, iż fotodioda sama stanowi źródło prądu znacznie upraszcza elektronikę konieczną do sterowania pracą detektora. Zmniejsza się również wydzielanie ciepła, co umożliwia konstrukcję gęsto 15

16 Charakteryzacja warstw epitaksjalnych z tellurku kadmowo-rtęciowego... upakowanych dwuwymiarowych matryc zawierających tysiące elementów (Rys. 2-3) [1-2]. liczne prace mające na celu poprawę parametrów fotoelektrycznych tych detektorów. 2. DETEKTORY FOTOWOLTAICZNE - FIZYCZNE PODSTAWY DZIAŁANIA Rys. 2. Łączenie hybrydowe dwuwymiarowej matrycy detektorów z procesorem krzemowym [1]. Fig. 2. Hybrid combination of a two-dimensional matrix of detectors with a silicon processor [1]. Rys. 3. Matryca fotodiod z HgCdTe ze słupkami indowymi (indium - bumps), dwa słupki indowe przypadające na jeden piksel umożliwiają niezależne połączenie procesora odczytu z dwiema przeciwsobnie ustawionymi fotodiodami [2]. Fig. 3. Matrix of HgCdTe photodiodes with indium - bumps, two indium bumps per pixel allow an independent connection of the read processor with two antiparallel photodiodes [2]. Możliwości zastosowań detektorów promieniowania podczerwonego są bardzo duże. Obecnie urządzenia te są szeroko stosowane m.in.: w termowizji, w technice wojskowej (w urządzeniach do samonaprowadzania pocisków rakietowych i artyleryjskich, bombach lotniczych, do obserwacji terenu w warunkach złej widoczności, do wykrywania skażeń). Obserwuje się również intensywny rozwój zastosowań cywilnych w takich dziedzinach, jak: pirometria, termografia, defektoskopia, czy spektrografia [3]. Aby wykorzystać ich potencjał jak najefektywniej w ostatnich latach prowadzone są 16 Podstawą działania fotodiody ze złączem p-n jest zjawisko fotowoltaiczne. Na diodę pada wiązka promieniowania elektromagnetycznego o energii większej od przerwy wzbronionej E g. W obszarze ładunku przestrzennego złącza i (lub) w materiale przylegającym do tego obszaru po obu stronach złącza następuje absorpcja fotonów padającego promieniowania. W wyniku tej absorpcji generowane są pary elektron dziura. Pod wpływem pola elektrycznego w złączu następuje separacja wygenerowanych nośników. Szczególną rolę w tym zjawisku spełniają nośniki mniejszościowe, które przemieszczają się w kierunku złącza. Gdy złącze jest rozwarte, to na jego krańcach pojawia się różnica potencjałów. Natomiast gdy mamy do czynienia z obwodem zamkniętym, to przez układ płynie fotoprąd. Po oświetleniu złącza można więc uzyskać źródło energii elektrycznej (czego najlepszym przykładem są baterie słoneczne). Absorpcja światła nie wpływa natomiast na zmianę koncentracji nośników większościowych. Dzieje się tak, ponieważ ilość nośników generowanych światłem jest o kilka rzędów mniejsza od koncentracji równowagowej tych nośników. Kluczową sprawą jest, aby czas życia generowanego nośnika był wystarczająco długi, tak by zdążył on dotrzeć do warstwy zaporowej powodującej rozdzielenie ładunku. W tym celu nośniki przed rozdzieleniem przez pole nie powinny ulec rekombinacji powierzchniowej. W półprzewodnikach mamy do czynienia z rekombinacją samoistną i domieszkową, zarówno w objętości półprzewodnika, jak i przy powierzchni. W półprzewodnikach z prostą przerwą wzbronioną rekombinacja samoistna jest o wiele większa niż w półprzewodnikach z przerwą skośną. Szybkość tej rekombinacji powinna być jak najmniejsza. Fotony o mniejszych długościach fali (o większej energii) są bardzo silnie absorbowane tuż przy powierzchni półprzewodnika (niezależnie od kierunku padającego promieniowania), ponieważ dla nich współczynnik absorpcji jest bardzo duży. Tak więc pary elektron dziura generowane przez te fotony powstają głównie w obszarze przypowierzchniowym. W związku z tym liczba nośników, które osiągają złącze i dają swój wkład do fotoprądu jest limitowana rekombinacją powierzchniową.

17 A. Królicka Jednym ze sposobów uniknięcia tego niepożądanego efektu jest oświetlanie diody od strony podłoża (sposób ten był wykorzystywany w prezentowanej pracy). Inny sposób polega na stosowaniu materiału półprzewodnikowego o większej przerwie wzbronionej E g w strefach przy powierzchni złącza p-n. Dla fotonów o energii większej od E g materiału stosowanego na diodę, ale o energii mniejszej niż przerwa wzbroniona materiału przy powierzchni złącza tenże materiał jest przeźroczysty i fotony bez przeszkód docierają do aktywnego obszaru złącza p-n [4-6]. 3. TEORETYCZNA ANALIZA PA- RAMETRÓW CHARAKTERY- ZUJĄCYCH DETEKTORY FO- TOWOLTAICZNE [3, 7] Przerwa energetyczna E g Detekcja promieniowania podczerwonego w HgCdTe rozpoczyna się od pobudzenia elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Minimalna energia, jaką musi posiadać foton równa jest wartości przerwy wzbronionej E g. Przerwa wzbroniona w HgCdTe jest funkcją stosunku składu stopu CdTe do składu HgTe i temperatury materiału. Równanie, opisujące tę zależność jest dane wyrażeniem: E g = -0,302+1,93 x-0,81x 2 +0,832x 3 +5,35(1-2x)10-4 T gdzie: E g - przerwa energetyczna, x - skład, T - temperatura. Rys. 4 ilustruje zależność tego równania dla typowych składów stopu: x = 0,2; 0,3 i 0,4, które rozciągają się od średnio do długofalowego obszaru widmowego 3 14 μm. Długość fali odcięcia λ c Występuje ona przy spełnionym warunku: hν>δ/eg, czyli wtedy, gdy w półprzewodniku zachodzi absorpcja podstawowa lub inaczej samoistna. Powoduje ona przejście elektronu ze stanu związanego w stan swobodny, tzn. z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa. Jest definiowana jako: λ c = hc/e g. Po przeliczeniu jednostek otrzymuje się: 1,24 c[ m], E [ ev ] gdzie: h stała Plancka, c prędkość światła, E g przerwa energetyczna. Długość fali odcięcia można również odczytać z wykresu charakterystyk widmowych (Rys. 5), o czym będzie jeszcze mowa w rozdziale o analizie wyników pomiarów. Rys. 5. Ogólny schemat charakterystyki spektralnej diody. Fig. 5. General scheme of the spectral characteristics of a photodiode. Iloczyn R 0 A złącza p-n Jest to znormalizowana rezystancja dynamiczna przy zerowej polaryzacji złącza. Wielkość ta jest powszechnie używana w celu określenia parametrów fotodiod. Wyraża się ją wzorem: g R 0 A dj dv 1 V 0, Rys. 4. Pasmo wzbronione i długość fali odcięcia dla wybranych składów stopu Hg 1-x Cd x Te w funkcji temperatury [8]. Fig. 4. Band gap and cut off wavelength for the chosen compositions of an Hg 1-x Cd x Te alloy as a function of temperature [8]. gdzie: R o - rezystancja przy zerowej polaryzacji złącza, A - powierzchnia złącza, J - całkowita gęstość prądu płynącego przez złącze, V - polaryzacja detektora. Wydajność kwantowa η Wydajność kwantowa jest określana jako stosunek liczby wygenerowanych w detektorze par 17

18 Charakteryzacja warstw epitaksjalnych z tellurku kadmowo-rtęciowego... elektron - dziura do liczby padających fotonów promieniowania. Wielkość ta określa zatem efektywność oddziaływania fotonów promieniowania z elektronami. Liczy się ją z zależności: 18 R I hc q R 1,24, gdzie: R I czułość prądowa, q ładunek elementarny [C], λ długość fali [μm], R rezystancja. Czułość prądowa R I Czułość prądowa detektora definiowana jest jako stosunek wartości skutecznej mocy prądu wyjściowego detektora o częstotliwości podstawowej do wartości skutecznej mocy padającego promieniowania o częstotliwości podstawowej: PSyg RI, P gdzie: P syg moc sygnału detektora, P opt moc padającego promieniowania. opt Czułość napięciowa R V Aby otrzymać czułość napięciową, wystarczy pomnożyć czułość prądową R I przez rezystancję R 0 : R R R V I 0 Moc równoważna szumowi (NEP) Jest to taka wartość skuteczna mocy promieniowania padającego na detektor, która daje na wyjściu sygnał o wartości skutecznej równej poziomowi szumu, znormalizowanego do jednostkowej szerokości pasma. NEP wyraża się w [W/Hz 1/2 ]): V NEP R n v. In, R gdzie: V n widmowa gęstość skutecznego napięcia szumów, R i widmowa gęstość prądu szumów, I n sygnał Wykrywalność znormalizowana D* Określa ona stosunek sygnału do szumu odniesiony do jednostkowego strumienia promieniowania padającego na detektor i przypadający na jednostkę powierzchni detektora. D 1 / 2 1 / 2 A NEP Rv( A f ) V i n, gdzie: A powierzchnia detektora, NEP moc równoważna szumom, R V czułość napięciowa układu, f szerokość pasma szumowego układu. 4. WŁAŚCIWOŚCI TELLURKU KADMOWO-RTĘCIOWEGO Tellurek kadmowo-rtęciowy (Hg 1-x Cd x Te) jest roztworem stałym, krystalizującym w strukturze blendy cynkowej w całym zakresie składu 0 x 1. Współczynnik x oznacza skład molowy warstwy aktywnej diody, czyli warstwy absorbującej promieniowanie elektromagnetyczne padające na próbkę. Jony Te w sieci krystalicznej są otoczone przez czterech sąsiadów. Mogą nimi być jony Cd lub Hg. Aniony są rozmieszczone w roztworze ze średnią gęstością zależną od składu materiału. Rozpuszczalność HgCdTe w rtęci jest niewielka, silnie zależy od składu materiału (maleje ze wzrostem wartości x) w 600 o C rozpuszczalność CdTe wynosi zaledwie 1,5%. Rozpuszczalność HgCdTe w tellurze jest znacznie większa. Wynosi ona ~ 10% dla Cd 0,2 Hg 0,8 Te w 500 o C, maleje ze wzrostem zawartości CdTe. Tellurek kadmowo rtęciowy jest materiałem trudnym technologicznie ze względu na wysokie ciśnienie par rtęci, słabe wiązanie rtęci oraz wysokie współczynniki interdyfuzji Hg i Cd. Jednak dzięki wprowadzeniu zmian w technologii przez stosowanie struktur heterozłączowych udało się zapobiec tym zjawiskom. Jednymi z wielu zalet materiału są natomiast: mała zmiana stałej sieciowej przy zmianie składu molowego (x), regulowana przerwa energetyczna (E g ) (w zależności od składu jej wartość może się zmieniać od 0 do 1,6 ev, co odpowiada długości fali padającego promieniowania od 0,7 do 25 μm), wysoki współczynnik pochłaniania (α), wysoki współczynnik efektywności (α/g), mała szybkość generacji termicznej nośników, długi czas życia nośników mniejszościowych, wysoka wydajność kwantowa, bez pokryć antyrefleksyjnych nawet rzędu 70%, inne [9 10]. HgCdTe stanowiło podstawę dla rozwoju trzech generacji detektorów promieniowania podczerwonego. Pierwszą generację stanowią liniowe mozaiki detektorów fotoprzewodzących, które były produkowane w dużych ilościach w przeszłości i są w masowym użytkowaniu do dzisiaj. Druga generacja to dwuwymiarowe matryce detektorów

19 A. Królicka fotowoltaicznych. Detektory te (fotodiody) są obecnie produkowane na szeroką skalę tysiące matryc rocznie. Trzecia generacja, to bardziej osobliwe struktury dwubarwnych detektorów (fotodiody lawinowe) oraz matryce hiperspektralne. Urządzenia te oferują wysoką funkcjonalność. Potrzeba jednak co najmniej kilku lat, aby weszły do masowej produkcji. Wnikliwa analiza urządzeń trzeciej generacji detektorów z HgCdTe została dokonana m.in. w pozycjach zamieszczonych w literaturze [2-3, 11]. Więcej szczegółowych informacji na temat tellurku kadmowo-rtęciowego znajduje się w pracy magisterskiej [14]. (b) 5. EKSPERYMENT 5.1. Omówienie materiału wyjściowego Za materiał wyjściowy posłużyły 2 heterostruktury Hg (1-x) Cd x Te. Według założeń otrzymanych w raporcie od firmy Vigo System skład planowany (x p ) warstwy aktywnej struktury 1492 wynosił, x p = 0,316, natomiast dla struktury 1855 x p = 0,281. Otrzymane heterostruktury różniły się nie tylko składem chemicznym poszczególnych podwarstw, ale również ich grubością. Jako podłoża wykorzystane zostały płytki z GaAs, którego niedopasowanie sieciowe wynosi ~ 14,6%. Zmniejsza się je przez wzrost warstwy buforowej (CdTe) kompensującej niedopasowanie sieciowe między HgCdTe a podłożem. Przekroje poprzeczne charakteryzowanych heterostruktur wraz z nazewnictwem poszczególnych (a) Rys. 6. Przekroje poprzeczne charakteryzowanych warstw: a) dioda 1492, b) dioda Fig. 6. The cross sections of characterized layers: a) 1492 photodiode, b) 1855 photodiode. podwarstw oraz składem najważniejszych z nich są widoczne na Rys. 6. Kolejno od góry widoczne są: warstwa kontaktowa typu n, warstwy typu p absorbujące promieniowanie, warstwa kontaktowa n, bufor CdTe oraz podłoże GaAs. Profil energetyczny wybranej heterostruktury (1492) w funkcji składu poszczególnych warstw jest przedstawiony na Rys. 7. Rys. 7. Profil przerwy energetycznej dla struktury HgCdTe Fig. 7. The energy gap profile of HgCdTe 1492 heterostructure. 19

20 Charakteryzacja warstw epitaksjalnych z tellurku kadmowo-rtęciowego Omówienie elementów technologii wytwarzania fotodiody Poniżej wymienione zostały kolejno najważniejsze etapy procesu technologicznego wytwarzania fotodiody: podział płytki na pojedyncze struktury (jako, że diody były maskowane ręcznie, a nie poddawane fotolitografii), maskowanie powierzchni próbki - jako substancji maskującej używano fotorezystu lub apiezonu, dotrawianie się do warstwy absorbera (stosowano roztwór bromoglikolu), maskowanie w celu wykonania kontaktów z In/Au, wwykonywanie kontaktów złotych, bądź indowych do warstwy typu n +, montaż diody do podstawki, montaż doprowadzeń elektrycznych, umieszczanie diody w naczyniu Dewara. Na Rys. 8 zamieszczone są przekroje poprzeczne próbek po kolejnych etapach wytwarzania. Rysunek ten ma za zadanie przedstawić cały przebieg procesu technologicznego w skrócie. Czynnością kontrolną, wykonywaną po zakończeniu trawienia oraz po osadzeniu warstwy indu lub naparowaniu złota była analiza profilu powierzchni struktury na profilometrze optycznym (Rys. 9-10). (c) (d) (a) (e) (b) 20