WPOMAGANIE PROCESU IDENTYFIKACJI RADIACYJNYCH CENTRÓW DEFEKTOWYCH W MONOKRYSZTAŁACH KRZEMU BADANYCH METODĄ HRPITS

Podobne dokumenty
Jarosław Żelazko, Paweł Kamiński, Roman Kozłowski 1

CENTRA DEFEKTOWE W WYSOKOREZYSTYWNYCH WARSTWACH EPITAKSJALNYCH GaN

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

Monokrystaliczny krzem domieszkowany azotem jako nowy materiał o zwiększonej odporności na radiację

Absorpcja związana z defektami kryształu

Głębokie centra defektowe w krzemie o bardzo wysokiej rezystywności

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Rozszczepienie poziomów atomowych

1. WSTĘP Roman Kozłowski"

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd r.

Roman Kozłowski, Paweł Kamiński, Jarosław Żelazko

ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA

Ryszard J. Barczyński, 2012 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Elektryczne własności ciał stałych

2. Półprzewodniki. Istnieje duża jakościowa różnica między właściwościami elektrofizycznymi półprzewodników, przewodników i dielektryków.

Ćwiczenie Badanie zależności temperaturowej oporu elektrycznego metalu i półprzewodnika

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Przejścia promieniste

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

Cel ćwiczenia: Wyznaczenie szerokości przerwy energetycznej przez pomiar zależności oporności elektrycznej monokryształu germanu od temperatury.

Wykład V Złącze P-N 1

ANALIZA BŁĘDU WARTOŚCI PARAMETRÓW CENTRÓW DEFEKTOWYCH WYZNACZANYCH METODĄ NIESTACJONARNEJ SPEKTROSKOPII FOTOPRĄDOWEJ PITS

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Przerwa energetyczna w germanie

Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Wydział Elektrotechniki, Elektroniki Informatyki i Automatyki Politechnika Łódzka

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Złącze p-n: dioda. Przewodnictwo półprzewodników. Dioda: element nieliniowy

Teoria pasmowa ciał stałych

NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI PODSTAWOWE INFORMACJE O REAKCJACH JĄDROWYCH - NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA

Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

E3. Badanie temperaturowej zależności oporu elektrycznego ciał stałych 1/5

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Marek Lipiński WPŁYW WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNYCH WARSTW I OBSZARÓW PRZYPOWIERZCHNIOWYCH NA PARAMETRY UŻYTKOWE KRZEMOWEGO OGNIWA SŁONECZNEGO

POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORU METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

Zastosowanie wysokorezystywnego azotku galu do wytwarzania heterostruktur AlGaN/GaN HEMT

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

Struktura pasmowa ciał stałych

ELEKTRONIKA ELM001551W

P R A C O W N I A

Elementy elektroniczne Wykłady 3: Półprzewodniki. Teoria złącza PN

Badanie charakterystyki diody

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

METALE. Cu Ag Au

VI. POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORNOŚCI METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

elektryczne ciał stałych

Prawo Ohma. qnv. E ρ U I R U>0V. v u E +

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE

Przyrządy półprzewodnikowe część 2

Wyznaczanie współczynnika rozpraszania zwrotnego. promieniowania β.

I Konferencja. InTechFun

EFEKT FOTOWOLTAICZNY OGNIWO SŁONECZNE

SPEKTROSKOPOWE I ELEKTRYCZNE METODY BADANIA MATERIAŁÓW (instrukcja wprowadzająca do ćwiczenia laboratoryjnego)

Podstawy działania elementów półprzewodnikowych - diody

Identyfikacja centrów defektowych w warstwach epitaksjalnych 4H-SiC

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Podstawowe własności jąder atomowych

na dnie (lub w szczycie) pasma pasmo jest paraboliczne, ale masa wyznaczona z krzywizny niekoniecznie = m 0

Badanie emiterów promieniowania optycznego

+ + Struktura cia³a sta³ego. Kryszta³y jonowe. Kryszta³y atomowe. struktura krystaliczna. struktura amorficzna

elektryczne ciał stałych

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

Szkolny konkurs chemiczny Grupa B. Czas pracy 80 minut

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

1. PÓŁPRZEWODNIKI 1.1. PODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI PÓŁPRZEWODNIKÓW

Opracowała: mgr Agata Wiśniewska PRZYKŁADOWE SPRAWDZIANY WIADOMOŚCI l UMIEJĘTNOŚCI Współczesny model budowy atomu (wersja A)

Diody elektroluminescencyjne na bazie GaN z powierzchniowymi kryształami fotonicznymi

EFEKT HALLA W PÓŁPRZEWODNIKACH.

Natężenie prądu elektrycznego

IA. Fotodioda. Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody.

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

W5. Rozkład Boltzmanna

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Właściwości elektryczne monokryształów krzemu wzbogaconych w azot

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Wpływ oświetlenia na półprzewodnik oraz na złącze p-n

Fizyka powierzchni. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

Pracownia Fizyczna i Elektroniczna Struktura układu doświadczalnego. Wojciech DOMINIK. Zjawisko przyrodnicze

Ćwiczenie 1 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

BADANIE GŁĘBOKICH CENTRÓW DEFEKTOWYCH W WARSTWACH EPITAKSJALNYCH GaN:Si METODĄ NIESTACJONARNEJ SPEKTROSKOPII POJEMNOŚCIOWEJ (DLTS)

3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

Skończona studnia potencjału

III.4 Gaz Fermiego. Struktura pasmowa ciał stałych

Pomiary widm fotoluminescencji

Spektroskopia pojemnościowa wybranych defektów w półprzewodnikowych związkach III-V.

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ FIZYKI TECHNICZNEJ I MATEMATYKI STOSOWANEJ EKSCYTONY. Seminarium z Molekularnego Ciała a Stałego Jędrzejowski Jaromir

Transkrypt:

WPOMAGANIE PROCESU IDENTYFIKACJI RADIACYJNYCH CENTRÓW DEFEKTOWYCH W MONOKRYSZTAŁACH KRZEMU BADANYCH METODĄ HRPITS Marek SUPRONIUK 1, Paweł KAMIŃSKI 2, Roman KOZŁOWSKI 2, Jarosław ŻELAZKO 2, Michał KWESTRARZ 3, Michał PAWŁOWSKI 1, (1) Wojskowa Akademia Techniczna, (2) Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, (3) Topsil Semiconductors Materials SA MWK 2014, Waplewo 27 30.05.2014r. 1

Plan prezentacji Radiacyjne centra defektowe w monokryształach Si Niestacjonarna spektroskopia fotoprądowa o wysokiej rozdzielczości (HRPITS) w zastosowaniu do badania radiacyjnych centrów defektowych Wyniki badań metodą HRPITS Wspomaganie symulacyjne Podsumowanie 2

Radiacyjne centra defektowe w monokryształach Si STD płytkie centra donorowe związane z agregatami atomów tlenu, V 2, V 3, V 4 głębokie centra akceptorowe związane z agregatami luk, C i O i głębokie centra donorowe związane z kompleksami złożonymi z międzywęzłowych atomów węgla i tlenu, I 3, I 4 centra defektowe związane z agregatami międzywęzłowych atomów krzemu Wzrost rezystywności materiału od ~10 3 Wcm do ~10 5 Wcm Wzrost natężenia prądu upływu detektorów Silne zmniejszenie efektywności zbierania ładunku generowanego przez cząstki o wysokiej energii 3

Fizyczne podstawy metody HRPITS PRÓBKA (t) U B T j h i(t,t j ) (t) i(t) 0 T j t Relaksacja 0 t i(t ) (t )CE G s = ηα 1 R λp 0 hca G śr = α G s e αx dx G x = G s e αx Idea pomiaru niestacjonarnych zmian konduktywności materiału półizolującego w celu określenia parametrów centrów defektowych. 0 1 α 4

Układ pomiarowy i(t ) (t )CE Schemat blokowy układu pomiarowego do badania radiacyjnych centrów defektowych metodą HRPITS ze wspomaganiem symulacyjnym. 5

Parametry wyznaczane metodą HRPITS Właściwości centrów defektowych Dwuwymiarowa analiza relaksacyjnych przebiegów fotoprądu za pomocą procedury korelacyjnej i procedury wykorzystującej odwrotne przekształcenie Laplace a. Określenie temperaturowych zależności szybkości emisji nośników z centrów defektowych i aproksymowanie tych zależności równaniem Arrheniusa: e T = AT 2 exp(-e a /kt). Wyznaczenie energii aktywacji E a i parametru A zależnego od przekroju czynnego na wychwyt nośników ładunku. 6

Parametry wyznaczane metodą HRPITS Koncentracja centrów defektowych Z amplitudy relaksacyjnego przebiegu fotoprądu: Im (, T) nt 0meTm( T) ( T) ( T) C(, T) qe wyznaczana jest koncentracja nadmiarowych nośników ładunku wychwyconych przez m-tego rodzaju centra defektowe w momencie rozpoczęcia procesu termicznej emisji: n n T 0m N /(1 e qe Tm / G c T 0m Tm Tm avg Tm W celu określenia koncentracji pułapek N Tm należy dla kilku, możliwie małych wartości szybkości emisji e Tm, określić zależność n T0m = f(e Tm ) i w wyniku ekstrapolacji określić wartość n T0m dla e Tm 0. Koncentrację n T0m możemy przedstawić w postaci: 1 C(, T) ( LD) l I 0 Sm( T max ) BEC(, T) Gdzie: S m (T max ) jest wysokością fałdy w widmie korelacyjnym, B exp( etmt1) exp( etmt2), I ph( T), zaś ( T). (1 R) qel ). 7

log(et [s -1 ]) Amplituda (j.d.) Wyniki badań metodą HRPITS Korelacyjne prążki widmowe T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 Temperatura (K) Korelacyjne prążki widmowe wyznaczone metodą HRPITS dla radiacyjnych centrów defektowych powstałych w domieszkowanym azotem wysokorezystywnym monokrysztale krzemu wskutek napromieniowania neutronami. Linie ciągłe ilustrują temperaturowe zależności szybkości emisji nośników ładunku dla wykrytych centrów defektowych. 8

Wyniki badań metodą HRPITS Właściwości i koncentracja radiacyjnych centrów defektowych Oznaczenie E a (mev) A (K -2 s -2 ) N T (cm -3 ) Identyfikacja* pułapki T1 42 5 (1.5±0.2)x10 5 8.0x10 12 e, płytki termodonor T2 78 5 (5.4±0.5)x10 5 1.5x10 13 T3 122 5 (4.0±0.5)x10 5 1.3 x10 13 termodonor lub agregat międzywęzłowych atomów Si termodonor lub agregat międzywęzłowych atomów Si T4 360 10 (1.0±0.1)x10 7 1.4x10 13 e, V 3 (2-/-), akceptor T5 380 10 (1.3±0.1)x10 7 2.0x10 13 e, V 4 (2-/-), akceptor T6 390 10 (5.7±0.5)x10 6 2.1x10 13 e, V 5 (2-/-), akceptor T7 420 10 (9.6±1)x10 6 3.8x10 13 e, V 2 (-/0), akceptor T8 460 20 (1.5±0.2)x10 7 3.9x10 13 e, V 3 (-/0), akceptor T9 475 20 (1.2±0.1)x10 7 2.4x10 13 e, V 4 (-/0), akceptor *Symbolem e zaznaczono pułapki elektronowe, dla których wartości energii aktywacji podane są względem dna pasma przewodnictwa. 9

Wspomaganie symulacyjne Poziomy energetyczne Położenie poziomów energetycznych w przerwie zabronionej krzemu związanych z centrami defektowymi, których właściwości przyjęto do obliczeń symulacyjnych.

Wspomaganie symulacyjne Przyjęte parametry centrów defektowych Etykieta defektu Rodzaj defektu* Energia aktywacji [ev] Przekrój czynny na wychwyt [cm 2 ] elektronów dziur Identyfikacja SD1 e, płytki donor, E c - 0.044 2.84 10-19 - atom fosforu SD2 e, płytki termodonor, E c - 0.042 4.26 10-17 - agregat atomów tlenu V 3,1 V 2 V 3,2 e, głęboki akceptor e, głęboki akceptor cr, głęboki akceptor E c - 0.36 2.84 10-15 - V 3 (2-/-) E c - 0.42 2.73 10-14 - V 2 (-/0) E c - 0.46 4.23 10-15 1.0 10-14 V 3 (-/0) SA h, płytki akceptor E v + 0.045-1.89 10-19 atom boru * Symbolami e, cr i h zaznaczono odpowiednio pułapki elektronowe, centrum rekombinacyjne i pułapki dziurowe. 11

Wspomaganie symulacyjne Równania kinetyki koncentracji swobodnych nośników ładunku dn t dt = e n,sd1 n SD1 t n t c n,sd1 N SD1 n SD1 t + e n,sd2 n SD2 t n t c n,sd2 N SD2 n SD2 t +e n,v3,1 n V3,1 t n t c n,v3,1 N V3,1 n V3,1 t + +e n,v2 n V2 t n t c n,v2 N V2 n V2 t +e n n,v 3,2 V 3,2 t n t c n,v3,2 * * N V3,2 n V3,2 t n t τ n + G dp t dt = e p,v 3,2 N V 3,2 n V3,2 t p t c p,v 3,2 n V 3,2 t + e p,sa N SA n SA t p t c p,sa n SA t p t τ p + G 12

Wspomaganie symulacyjne Równania kinetyki koncentracji związanych nośników ładunku dn SD1 t dt dn SD2 t dt = e n,sd1 n SD1 t n t c n,sd1 N SD1 n SD1 t = e n,sd2 n SD2 t n t c n,sd2 N SD2 n SD2 t dn V3,1 dt t = e n,v3,1 n V3,1 t n t c n,v3,1 N V3,1 n V3,1 t dn V2 dt t = e n,v2 n V2 t n t c n,v2 N V2 n V2 t dn V3,2 dt dn SA t dt t = e n n,v 3,2 V 3,2 t n t c n,v3,2 N V3,2 n V3,2 t + e N p,v 3,2 V 3,2 n V3,2 t p t c n p,v 3,2 V 3,2 t = e p,sa N SA n SA t p t c p,sa n SA t 13

Wspomaganie symulacyjne Współczynniki równań kinetyki i równanie neutralności elektrycznej Współczynnik szybkości wychwytu c n = σ n v n Współczynnik szybkości termicznej e n = σ n γ n T 2 exp E an k B T, Czas życia nośników τ n,p = 1 N T2 σ n,p v n,p Warunek neutralności elektrycznej n 0 N + SD1 N + SD2 = p 0 N SA N V3,2 N V2 N V3,1 14

Wspomaganie symulacyjne Wpływ płytkich donorów na rezystywność materiału nienapromieniowanego 5x10 3 Wcm, 0.445 ev Otrzymana w wyniku symulacji zależność rezystywności nienapromieniowanego krzemu (skala lewa) oraz zależność położenia poziomu Fermiego dla tego materiału (skala prawa) od koncentracji płytkich centrów donorowych SD1, identyfikowanych z atomami fosforu, przy ustalonych wartościach koncentracji centrów akceptorowych: N SA = 5 10 11 cm -3, N V2 = 3 10 11 cm -3 i N V3,2 = 5 10 9 cm -3. 15

Wspomaganie symulacyjne Wpływ płytkich donorów na rezystywność materiału napromieniowanego 3x10 4 Wcm, 0.49 ev Otrzymana w wyniku symulacji zależność rezystywności napromieniowanego krzemu (skala lewa) oraz zależność położenia poziomu Fermiego dla tego materiału (skala prawa) od koncentracji generowanych radiacyjnie termodonorów (centrów SD2) przy ustalonej wartości koncentracji atomów fosforu N SD1 = 2 10 12 cm -3 oraz ustalonych wartościach koncentracji centrów akceptorowych: N SA = 5 10 11 cm -3, N V3,1 = 1 10 13 cm -3, N V2 = 5 10 13 cm -3 i N V3,2 = 1 10 13 cm -3. 16

Podsumowanie Metodą HRPITS określono właściwości i wartości koncentracji radiacyjnych centrów defektowych w monokrysztale krzemu, którego rezystywność wskutek napromieniowania neutronami wzrosła od 5 10 3 Ωcm do 3 10 4 Ωcm. Zaproponowano model umożliwiający symulowanie rezystywności materiału oraz niestacjonarnych zmian koncentracji nadmiarowych nośników ładunku w zależności od koncentracji centrów defektowych o założonych właściwościach. Przeprowadzono obliczenia symulacyjne, w wyniku których określono wpływ koncentracji płytkich donorów, związanych z atomami fosforu, na rezystywność materiału nienapromieniowanego. Stwierdzono, że rezystywność 5 10 3 Ωcm uzyskiwana jest przy koncentracji płytkich donorów ~2 10 12 cm -3, koncentracji płytkich akceptorów związanych z atomami boru równej 5 10 11 cm -3, koncentracji luk podwójnych równej 3 10 11 cm -3 i koncentracji luk potrójnych równej 5 10 9 cm -3. 17

Podsumowanie Przeprowadzono obliczenia symulacyjne, w wyniku których określono wpływ koncentracji płytkich donorów generowanych radiacyjnie na rezystywność materiału napromieniowanego neutronami. Stwierdzono, że rezystywność 3 10 4 Ωcm uzyskiwana jest przy koncentracji płytkich donorów ~8 10 12 cm -3 oraz wartościach koncentracji luk potrójnych w stanie ładunkowym (2-/-), luk podwójnych w stanie ładunkowym (-/0) i luk potrójnych w stanie ładunkowym (-/0) równych odpowiednio 1 10 13 cm -3, 5 10 13 cm -3 i 1 10 13 cm -3. Wyznaczone metodą HRPITS wartości koncentracji tych defektów wynoszą odpowiednio 8 10 12 cm -3, 1.4 10 13 cm -3, 3.8 10 13 cm -3 i 3.9 10 13 cm -3. Uzyskano dobrą zgodność wartości eksperymentalnych z wartościami otrzymanymi w wyniku symulacji. 18

Podziękowanie Praca powstała w ramach realizacji projektu NitroSil (ID: 208346), objętego Programem Badań Stosowanych (Umowa Nr PBS2/A9/26/2014), dofinansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. 19

Dziękuję za uwagę 20