ZAK AD TECHNOLOGII STRUKTUR PÓ PRZEWODNIKOWYCH DLA FOTONIKI Kierownik: prof. dr hab. in. Anna PIOTROWSKA e-mail: ania@ite.waw.pl, tel. (0-prefiks-22 548 79 40 Zespó³: mgr Krystyna Go³aszewska, e-mail: krystyg@ite.waw.pl, dr in. Marek Guziewicz, e-mail: margu@ite.waw.pl, mgr in. Pawe³ Jagodziñski, e-mail: jagodzin@ite.waw.pl, dr in. Eliana Kamiñska, e-mail: eliana@ite.waw.pl, mgr in. Renata Kruszka, e-mail: kruszka@ite.waw.pl, mgr in. Rados³aw ukasiewicz, e-mail: rlukasi@ite.waw.pl, dr Ewa Papis-Polakowska, e-mail: papis@ite.waw.pl, dr in. Tadeusz T. Piotrowski, e-mail: ttpiotr@ite.waw.pl, mgr in. Pawe³ Skoczylas, e-mail: pskoczy@ite.waw.pl, mgr in. Artur Szczêsny e-mail: szczesny@ite.waw.pl, mgr in. Lidia Ilka, mgr in. Ireneusz Wójcik 1. Wprowadzenie W 2005 r. Zak³ad Technologii Struktur Pó³przewodnikowych dla Fotoniki realizowa³ nastêpuj¹ce projekty badawcze: Technologia funkcjonalnych struktur cienkowarstwowych dla przyrz¹dów pó³przewodnikowych III-V. Etap I (projekt statutowy nr 1.03.045, Wytwarzanie i optymalizacja kontaktu omowego typu p do GaN DENIS (projekt EC nr G5RD-CT-2001-00566, Nanostrukturalne czujniki fotonowe" NANOPHOS (projekt EC nr IST-2001-39112, Hybrydowe pod³o a dla konkurencyjnej elektroniki wysokiej czêstotliwoœci" HYPHEN (projekt EC nr FP-6 IST 027455, Centrum Doskona³oœci Fizyka i Technologia Nanostruktur dla Fotoniki CEPHONA (projekt badawczy nr G5MA-CT-2002-72100, Tranzystory polowe AlGaN/GaN nowej generacji dla elektroniki du ej mocy i wysokiej czêstotliwoœci (projekt badawczy nr 1359/T11/2004/26, Pó³przewodnikowe fotoogniwa GaSb/In(AlGaAsSb do zastosowañ w przyrz¹dach termofotowoltaicznych (projekt badawczy nr 1360/T11/2004/26, Detektory promieniowania THz oparte na mikrometrowych tranzystorach polowych (projekt badawczy we wspó³pracy z Instytutem Fizyki Doœwiadczalnej UW, Wytwarzanie i wykrywanie stanów spl¹tanych w nanostrukturach pó³przewodnikowych (PBZ/KBN/044/P03/2001 we wspó³pracy z Instytutem Fizyki PAN i Instytutem Fizyki Doœwiadczalnej UW.
2 Zak³ad Technologii Struktur... Zak³ad œwiadczy³ równie us³ugi badawcze i produkcyjne na zamówienie odbiorców zewnêtrznych oraz kontynuowa³ dzia³alnoœæ edukacyjn¹ we wspó³pracy z Instytutem Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW. Odrêbn¹ grupê dzia³alnoœci stanowi³y prace recenzenckie na rzecz Komisji Europejskiej w 6. Programie Ramowym, w czêœci Human Resources & Mobility. 2. Wyniki dzia³alnoœci naukowo-badawczej G³ówny wysi³ek badawczy Zak³adu jest skoncentrowany na opracowywaniu i optymalizacji metod wytwarzania oraz obróbki technologicznej funkcjonalnych struktur cienkowarstwowych dla nowoczesnych przyrz¹dów pó³przewodnikowych z materia³ów na bazie GaN, GaSb i GaAs. Przedmiotem badañ s¹ cienkowarstwowe struktury z materia³ów metalicznych i dielektrycznych pe³ni¹ce funkcje kontaktów omowych, kontaktów prostuj¹cych, elektrod przezroczystych, pow³ok przeciwodblaskowych oraz pow³ok pasywacyjnych. Optymalizacja ich parametrów jest prowadzona pod k¹tem zastosowania w przyrz¹dach nara onych na dzia³anie podwy szonej temperatury (elektronika wysokotemperaturowa, optoelektronika zastosowañ specjalnych. Program badañ w 2005 r. obejmowa³ nastêpuj¹ce zagadnienia: nowe materia³y tlenkowe dla optoelektroniki, mikroelektroniki i termofotowoltaiki, a w szczególnoœci in ynieriê domieszkowania ZnO oraz przezroczyste tlenki przewodz¹ce jako elektrody w przyrz¹dach fotonicznych i fotowoltaicznych; nowe typy metalizacji pó³przewodnikowych struktur III-V dla elektroniki i optoelektroniki wysokotemperaturowej. Nieod³¹cznym elementem dzia³alnoœci zespo³u by³o doskonalenie metod litografii i charakteryzacji opracowywanych struktur cienkowarstwowych oraz rozwój zaplecza technologicznego. 2.1. Nowe materia³y tlenkowe 2.1.1. In ynieria domieszkowania ZnO Badania nad domieszkowaniem ZnO na typ p Przyjêta metoda domieszkowania ZnO na typ p polega na utlenianiu termicznym zwi¹zku cynku zawieraj¹cego du ¹ koncentracjê domieszki akceptorowej. W badaniach zapocz¹tkowanych w poprzednim projekcie statutowym materia³ wyjœciowy stanowi³y warstwy Zn 3 N 2 osadzane metod¹ reaktywnego magnetronowego rozpylania katodowego cynku. Wykazano, e metoda ta umo liwia wytwarzanie cienkich warstw ZnO domieszkowanych azotem na poziomie ~5 10 20 at./cm 3. Ponadto dowiedziono, e zanieczyszczenie wodorem wyjœciowego Zn 3 N 2 stanowi zasad-
Zak³ad Technologii Struktur... 3 nicz¹ przeszkodê w osi¹gniêciu efektywnego przewodnictwa dziurowego w ZnO. Dziêki obni eniu koncentracji wodoru poni ej 5 10 19 at./cm 3 otrzymano materia³ typu p o koncentracji dziur ~5 10 17 cm 3 i ruchliwoœci ~10 cm 2 /V s. W obecnym etapie badañ zastosowano materia³ wyjœciowy wolny od zanieczyszczeñ wodorem. Jest to epitaksjalny ZnTe:N hodowany w warunkach wysokiej pró ni metod¹ epitaksji z wi¹zek molekularnych (MBE. ZnTe jest zwi¹zkiem pó³przewodnikowym II-VI o strukturze blendy cynkowej. Domieszkowanie azotem pozwala wytworzyæ materia³ typu p o koncentracji swobodnych noœników ³adunku siêgaj¹cej 5 10 19 cm 3. Procesy MBE cienkich warstw ZnTe prowadzono w Œrodowiskowym Laboratorium Fizyka i wzrost kryszta³ów niskowymiarowych Instytutu Fizyki PAN. Na monokrystalicznych pod³o ach SI ZnTe i SI GaAs o orientacji (001 wpierw hodowano niedomieszkowany, wysokooporowy bufor ZnTe, a nastêpnie warstwy ZnTe domieszkowane atomowym azotem ze Ÿród³a plazmowego w.cz. Procesy utleniania prowadzono w temperaturze 600 o C w atmosferze O 2. W celu utlenienia warstwy ZnTe gruboœci 0,15 1,0 m przyjêto czas wygrzewania w 600 o C od 4 do 25 min. Analiza rentgenowska utlenionych warstw ZnTe:N (rys. 1 wykaza³a obecnoœæ polikrystalicznego ZnO o preferowanej orientacji (001 oraz œladowe iloœci metalicznego Te. Ziarna ZnO charakteryzuj¹ siê struktur¹ kolumnow¹ o d³ugoœci równej Intensity (arb.u. 10000 1000 ZnTe 002 (K Te 101 ZnTe 002 (K ZnO 002 ZnO 100 ZnTe:N/ZnTe/GaAs oxidized 600 0 C, 20 min. ZnO 101 Te 110 Te 102 Te 201 ZnTe 004 (K GaAs 004 (K ZnO 103 + Te 113 ZnTe 004 (K GaAs 004 (K 100 30 40 50 60 70 80 90 2 (deg Rys. 1. Dyfraktogram rentgenowski (promieniowanie FeK utlenionej struktury ZnTe:N/ZnTe/GaAs gruboœci warstwy ZnO (rys. 2a. W wyniku transformacji kubicznego ZnTe w heksagonalny ZnO powierzchnia utlenionych warstw staje siê nierówna z chropowatoœci¹ rms = 200 500 nm w zale noœci od czasu trwania obróbki termicznej (rys. 2b. Na rys. 3 przedstawiono g³êbokoœciowe profile sk³adu dwóch utlenionych próbek ZnTe:N/ZnTe/ GaAs ró ni¹cych siê gruboœci¹ warstwy buforowej ZnTe. Z powodu du ej chropowatoœci powierzchni oraz nieco ró ni¹cej siê prêdkoœci trawienia warstw ZnO, ZnTe i GaAs w trakcie pomiaru SIMS przy interpretacji wyników nale y wzi¹æ pod uwagê rozmycie miêdzypowierzchni ZnO/ZnTe i ZnTe/GaAs. Przybli one po³o enie tych miêdzypowierzchni zaznaczono na wykresach przerywan¹ lini¹. Œrednia koncentracja azotu wbudowanego do ZnO wynosi 5 10 20 at./cm 3. Analiza SIMS ujawni³a ponadto znaczn¹ outdyfuzjê As z GaAs w kierunku miêdzy-
4 Zak³ad Technologii Struktur... a b Rys. 2. Mikrostruktura ZnO typu p: a obraz SEM przekroju poprzecznego warstwy ZnO typu p, b obraz AFM powierzchni ZnO a b ZnO ZnTe GaAs 10 23 10 8 Concentration of N, As, H [ at/cm 3 ] 10 22 10 21 10 20 10 19 10 18 Zn O N H Te As Ga 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 17 10 0 0 1 2 3 Depth [ m] SIMS Signal [ c/s ] 23 GaAs 10 ZnO ZnTe 10 8 powierzchni ZnO/ZnTe z maksimum umiejscowionym w ZnO. Œrednia koncentracja As w ZnO jest porównywalna z koncentracj¹ azotu. Nale y zauwa yæ, e podobn¹ do As migracjê Ga w kierunku powierzchni obserwowano tylko w przypadku cienkich warstw buforowych (rys. 3a. Przy gruboœci przekraczaj¹cej 3 mga pochodz¹cy z dekomponowanego GaAs by³ akumulowany w ZnTe przy miêdzypowierzchni z GaAs (rys. 3b. Aby uzyskaæ pewnoœæ, e migracja As nie zmodyfikowa³a w³aœciwoœci bufora ZnTe, przeprowadzono dodatkowe analizy SIMS i pomiary przewodnictwa bufora po strawieniu warstwy ZnO. Nie stwierdzono obecnoœci As w ZnTe, jak równie nie uleg³y zmianie w³asnoœci izolacyjne ZnTe. Pomiary SIMS pozwoli³y zlokalizowaæ wytr¹cenia Te w warstwie ZnO. Poniewa transformacja ZnTe w ZnO postêpuje od powierzchni w g³¹b materia³u, wiêc Te sublimuj¹cy w pocz¹tkowej fazie procesu, po uformowaniu siê ci¹g³ej warstwy ZnO, jest pu³apkowany w ZnO. Concentration of N, As, H [ at/cm 3 ] 10 22 10 21 10 20 10 19 10 18 Zn O N H Te Ga As 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 17 10 0 0 2 4 6 Depth [ m] Rys. 3. Profile g³êbokoœciowe SIMS utlenionych struktur ZnTe:N/ZnTe/GaAs dla ró nych gruboœci bufora ZnTe (d ZnTe : a d ZnTe = 2,5 m, b d ZnTe =5 m SIMS Signal [ c/s ]
Zak³ad Technologii Struktur... 5 Warstwy ZnO wytworzone na strukturach z grubym buforem na pod³o u GaAs wykazywa³y przewodnictwo typu p z koncentracj¹ dziur powy ej 10 19 cm 3. Warstwy ZnO typu p, otrzymane po utlenieniu podobnych warstw ZnTe:N wyhodowanych na pod³o u ZnTe, charakteryzowa³y siê ~1,5 rzêdu ni sz¹ koncentracj¹ dziur. Aby dok³adniej zbadaæ rolê As jako domieszki akceptorowej w ZnO, utleniono niedomieszkowane warstwy ZnTe gruboœci 4 5 m wyhodowane na pod³o u GaAs. Otrzymane warstwy podobnie jak poprzednio charakteryzowa³y siê koncentracj¹ dziur przewy szaj¹c¹ 10 19 cm 3, co dowodzi, e domieszk¹ odpowiedzialn¹ za bardzo wysokie przewodnictwo dziurowe jest As. Poniewa urz¹dzenie MBE wyposa one jest równie w komórkê Mn, istnieje mo liwoœæ wyhodowania struktur ZnTe:N:Mn. Okazuje siê, e domieszkowanie Mn powoduje obni enie koncentracji dziur w ZnO typu p. Utlenienie Zn 0,98 Mn 0,02 Te pozwoli³o wytworzyæ ZnO z zawartoœci¹ Mn ~0,5% i koncentracj¹ dziur ~1 10 17 cm 3. W³asnoœci elektryczne warstw ZnO zosta³y przedstawione w tab. 1. Tabela 1. W³asnoœci elektryczne typowych warstw ZnO wytworzonych na drodze utleniania warstw ZnTe wyhodowanych MBE na pod³o ach ZnTe lub GaAs Materia³ wyjœciowy GaAs/ZnTe(5 m/ ZnTe:N(0,5 m GaAs/ZnTe(3,5 m ZnTe(001/ZnTe:N GaAs/ZnTe(5 m/ Zn 0,98 Mn 0,02 Te:N (0,7 m Utlen termicz. 600 o C 8 min. 600 o C 8 min. 600 o C 12 min. 600 o C 16 min. d ZnO [ m] Domieszki Typ p [cm 3 ] [cm 2 /V s] [ cm] 1 N, As p 1,6 10 19 2,5 0,15 1 As p 2,9 10 19 2,4 0,09 2 N p 6,7 10 17 95,2 0,1 1,8 N, As, Mn p 9,7 10 16 9,1 7,1 Anomalnie wysokie wartoœci ruchliwoœci dziur w utlenionym ZnTe s¹ najprawdopodobniej zwi¹zane z obecnoœci¹ metalicznego Te. Taki znacz¹cy wzrost ruchliwoœci obserwowano wczeœniej w warstwach pó³przewodnikowych zawieraj¹cych metaliczne wytr¹cenia. Wytwarzanie ZnO typu n Warstwy ZnO typu n osadzano metod¹ magnetronowego rozpylania katodowego w modzie r.f., w plazmie Ar z targetu ZnO (99,95%. Gruboœæ warstw wynosi³a 0,4 0,6 m.
6 Zak³ad Technologii Struktur... Pomiary transportowe wykaza³y, e ZnO charakteryzuje siê przewodnictwem elektronowym, przy czym koncentracja swobodnych noœników ³adunku jest na poziomie ~1 10 21 cm 3, a ruchliwoœæ ~2 cm 2 /V s. Wytwarzanie izolacyjnego ZnO Wysokooporowy ZnO wytwarzano metod¹ reaktywnego rozpylania katodowego w plazmie O 2 -Ar, z targetu metalicznego Zn (99,995%. Ca³kowite ciœnienie w czasie procesu wynosi³o p =1 10 2 mbar, a ciœnienie cz¹stkowe tlenu p O2 =3 10 3 mbar. Z³¹cze p-n na bazie ZnO W celu zweryfikowania w³asnoœci warstw ZnO o przewodnictwie dziurowym i elektronowym wykonano struktury z³¹czowe p-n i p-i-n. Na rys. 4a przedstawiono dyfraktogram rentgenowski z³¹cza p-n wykonanego zgodnie z opisanymi wczeœniej procedurami. Warstwy ZnO typu n, nanoszone metod¹ rozpylania katodowego na ZnO typu p, charakteryzuj¹ siê struktur¹ podobn¹ do warstw ZnO typu p z wyraÿnie zaznaczon¹ tekstur¹ (001. Potwierdzeniem tego jest równie obraz przekroju poprzecznego warstwy ZnO typu n pokazany na rys. 4b. Intensity (arb.u. a b 10000 1000 ZnTe 002 (K ZnO 101 K ZnO 002 K z³¹cze na bazie ZnO ZnO typu p GaAs/ZnTe/ZnMn.003 Te:N (~0.7 m O 2 600 0 C 16 min, dox.~1.8 m p= 9.72 x10 16 cm -3, =9.08 cm 2 /Vs ZnO typu n sputt. dox.=0.6 m =1x10-2 cm ZnTe 004 (K GaAs 004 (K ZnTe 004 (K GaAs 004 (K 100 40 50 60 70 80 90 2 (deg Rys. 4. Mikrostruktura z³¹cza p-n na bazie ZnO: a dyfraktogram rentgenowski (promieniowanie FeK struktury p-n na bazie ZnO, b obraz SEM przekroju poprzecznego warstwy ZnO typu n Obróbka technologiczna z³¹czy p-n polega³a na uformowaniu struktur mesa i wykonaniu kontaktów omowych do obszarów p i n ZnO. Metalizacjê kontaktow¹ stanowi³a dwuwarstwa Cr(10nm/Au(100nm osadzana metod¹ rozpylania katodowego. W przypadku ZnO typu p metalizacjê dodatkowo wygrzewano w 350 o C w przep³ywie N 2. Kontakty omowe do ZnO typu n formowano w 200 o C w atmosferze N 2. Z³¹cza p-n z silnie domieszkowanymi warstwami ZnO:As charakteryzowa³y siê w³asnoœciami tunelowymi. Do wytworzenia z³¹czy prostuj¹cych p-n u yto mniej przewodz¹cych warstw ZnO:Mn:As typu p. Warstwy ZnO:As o koncentracji dziur na poziomie 10 19 cm 3 zosta³y wykorzystane w z³¹czach prostuj¹cych p-i-n. Charakterystyki I-V z³¹czy prostuj¹cych p-n oraz p-i-n przedstawiono na rys. 5.
Zak³ad Technologii Struktur... 7 4,0x10-4 3,0x10-4 p-zno:as/i-zno/n-zno 1 m/0.1 m/0.4 m p-zno:as:mn/n-zno 1.2 m/0.4 m Current [A] 2,0x10-4 1,0x10-4 0,0-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 Voltage [V] Rys. 5. Charakterystyki I-V z³¹czy prostuj¹cych p-n i p-i-n na bazie ZnO Podsumowuj¹c wyniki otrzymane w obecnym etapie badañ nad domieszkowaniem warstw ZnO, za najwa niejsze nale y uznaæ uzyskanie rekordowego przewodnictwa swobodnych noœników ³adunku w materiale typu p oraz pokazanie, e arsen pozwala znacznie efektywniej ni azot domieszkowaæ ZnO na typ p. Z uwagi na znaczn¹ ró nicê w wielkoœci promieni jonowych tlenu i arsenu domieszkowanie przez podstawienie tlenu jest ma³o prawdopodobne. Realne jest natomiast podstawianie cynku przez arsen, co jest równoznaczne z utworzeniem donora. Taki scenariusz jest spójny z niedawno opublikowanym modelem teoretycznym, zgodnie z którym w trakcie domieszkowania ZnO domieszk¹ grupy V o du ym promieniu jonowym domieszka podstawia cynk. Jednoczeœnie tworz¹ siê dwie wakansje cynkowe i powstaje kompleks As Zn 2 V Zn, który jest p³ytkim akceptorem o energii jonizacji ~150 mev. 2.1.2. Przezroczyste tlenki przewodz¹ce jako elektrody w przyrz¹dach fotonicznych i termofotowoltaicznych Fotodetektory oraz ogniwa s³oneczne i termofotowoltaiczne to grupa przyrz¹dów, dla których przezroczyste elektrody maj¹ szczególne znaczenie. O ile w przypadku ogniw s³onecznych ich zastosowanie jest szeroko opisywane, o tyle nieliczne prace informuj¹ o przezroczystych elektrodach tlenkowych dla przyrz¹dów pracuj¹cych w zakresie œredniej podczerwieni wytwarzanych ze zwi¹zków poczwórnych dopasowanych sieciowo do GaSb. W tych przyrz¹dach standardowo s¹ stosowane metalizacje kontaktowe na bazie Ti/Pt/Au, Ti/Ni/Au lub Au/Zn/Au. Przedstawione wyniki dotycz¹ efektów zastosowania tlenku cynku, tlenku kadmu i tlenku rutenowo-krzemowego w procesie wytwarzania przyrz¹dów fotonicznych wykorzystuj¹cych struktury typu GaSb/InGaAsSb/AlGaAsSb wytwarzane w konwencjonalnym stanowisku LPE, charakteryzuj¹ce siê wykrywalnoœci¹ na poziomie 10 8 cm Hz 1/2 /W. Kontakty przezroczyste by³y osadzane metod¹ rozpylania katodowego: CdO i RuSiO 4 reaktywnie z targetów Cd i Ru 1 Si 1 w atmosferze Ar-O, ZnO z targetu ZnO w atmo-
8 Zak³ad Technologii Struktur... sferze Ar. Dla porównania wykonano strukturê ze standardowym kontaktem Au/Zn/Au w formie siatki szerokoœci 10 μm powoduj¹cej zakrycie ok. 9% powierzchni czynnej. Struktury przeznaczone do pomiarów nie by³y poddawane procesowi pasywacji, nie stosowano tak e pow³ok przeciwodbiciowych. Rysunek 6a przedstawia charakterystyki pr¹dowo-napiêciowe w kierunku przewodzenia i zaporowym badanych struktur. Zastosowanie kontaktu przezroczystego z CdO lub ZnO na ca³ej powierzchni czynnej powoduje trzykrotn¹ redukcjê rezystancji szeregowej. Nieco gorszy efekt, czyli dwukrotn¹ redukcjê rezystancji szeregowej, uzyskano stosuj¹c RuSiO 4. Na rys. 6b przedstawiono zale noœæ rezystancji ró niczkowej R od napiêcia polaryzacji. Wartoœæ R 0 dla struktur z przezroczystymi kontaktami wynosi œrednio 90 (R 0 A =21 cm 2 ; w przypadku kontaktu standardowego R 0 =40 (R 0 A = =8 cm 2. Maksymalna wartoœæ R dla struktur z kontaktami TCO wynosi 120 140 (R A =28 32 cm 2 i pojawia siê przy polaryzacji 0,05 V. Zale noœæ widmow¹ wykrywalnoœci struktur GaSb/In(AlGaAsSb przedstawiono na rys. 6c. Obserwuje siê tu znaczn¹ przewagê struktur z kontaktami CdO i ZnO. W ich przypadku wykry- a b Natê enie pr¹du (ma 300 250 200 150 100 50 0 standardowy kontakt Au/Zn/Au CdO ZnO RuSiO 4 R S =1.3 R S =1.3 R S =1.7 R S =4 Rezystancja ró niczkowa ( 160 140 120 100 80 60 40 20 Standardowy kontakt Au/Zn/Au CdO ZnO RuSiO 4-50 -0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Napiêcie (V 0-0.20-0.15-0.10-0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Napiêcie (V c Wykrywalnoœæ (cmhz 1/2 /W 8x10 8 7x10 8 6x10 8 5x10 8 4x10 8 3x10 8 2x10 8 1x10 8 CdO ZnO RuSiO 4 standardowy kontakt Au/Zn/Au 0 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 D³ugoœæ fali (µm Rys. 6. Charakterystyki detektorów GaSb/InGaAsSb/AlGaAsSb z przezroczystymi elektrodami
Zak³ad Technologii Struktur... 9 walnoœæ dla d³ugoœci fali 2,0 μm wynosi 7,5 8 10 8 cmhz 1/2 /W. Dla kontaktów RuSiO 4 uzyskano wykrywalnoœæ 4 10 8 cmhz 1/2 /W, podobn¹ jak dla nieprzezroczystego kontaktu metalicznego. Zale noœæ fotonapiêcia obwodu otwartego U oc od fotopr¹du obwodu zwartego I sc dla fotodiod z trzema rodzajami kontaktów przezroczystych pokazano na rys. 7a. W przypadku struktur z kontaktami CdO i ZnO zaobserwowano nawet 40% wzrost wartoœci U oc dla ni szych poziomów promieniowania w stosunku do pozosta³ych analizowanych struktur. Wa nym dla ogniw termofotowoltaicznych zagadnieniem jest zale noœæ ich parametrów od temperatury, w praktyce pracuj¹ one zwykle w temperaturze do ok. 60 o C. W kontaktach tlenkowych mechanizmem dominuj¹cym jest emisja polowa, ca³kowicie niezale na od temperatury. Wyniki pomiarów opornoœci w³aœciwej kontaktów TCO/AlGaAsSb metod¹ c-tlm z dla temperatur 20 75 o C pokazuj¹, e wartoœæ r c pozostaje sta³a w granicach b³êdu pomiarowego. a b U oc (mv 220 200 180 160 140 120 100 80 60 1 10 100 1000 I SC (ma CdO ZnO RuSiO Au/Zn/Au 0 1 10 100 1000 Zale noœæ fotonapiêcia obwodu otwartego U oc od fotopr¹du obwodu zwartego I sc w funkcji temperatury pokazano na przyk³adzie ogniwa TPV z kontaktem CdO (rys. 7b. Obserwuje siê istotny spadek wartoœci U oc ze wzrostem temperatury. Charakter tych zmian jest zdeterminowany konstrukcj¹ struktury detektorowej i nie zale y od rodzaju zastosowanego przezroczystego kontaktu omowego. 2.2. Nowe typy metalizacji pó³przewodnikowych struktur III-V dla elektroniki i optoelektroniki wysokotemperaturowej Stale rosn¹ce zapotrzebowanie na energiê elektryczn¹ (œwiatowe prognozy mówi¹ o globalnym zapotrzebowaniu w 2025 r. na poziomie 60 TW przy ograniczonych zasobach konwencjonalnych Ÿróde³ energii i coraz groÿniejszych skutkach efektu cieplarnianego na Ziemi sprawia, e racjonalna gospodarka energi¹ elektryczn¹ staje U oc (mv 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 CdO I sc (ma T=20 o C T=40 o C T=60 o C T=75 o C Rys. 7. Zale noœæ fotonapiêcia obwodu otwartego U oc od fotopr¹du obwodu zwartego I sc : a dla ró nych kontaktów przezroczystych, b w funkcji temperatury dla kontaktu CdO
10 Zak³ad Technologii Struktur... siê imperatywem dzia³añ wysoko uprzemys³owionych spo³eczeñstw XXI w. Wagê tego problemu podkreœlaj¹ nie tylko specjalistyczne opracowania i miêdzynarodowe uregulowania prawne (protokó³ Kyoto, ale równie szeroko zakrojone dzia³ania badawczo-wdro eniowe podjête przez przemys³ œwiatowy. Przemys³ elektroniczny, w tym przemys³ pó³przewodnikowy, ma do odegrania szczególn¹ rolê. Prace badawcze s¹ skoncentrowane na dwóch zagadnieniach: opracowaniu alternatywnych pó³przewodnikowych Ÿróde³ energii elektrycznej oraz opracowaniu nowej generacji przyrz¹dów pó³przewodnikowych dla energoelektroniki i technik sensorowych. Pierwsze z nich to pó³przewodnikowe przyrz¹dy fotowoltaiczne i termofotowoltaiczne, drugie to pó³przewodnikowe przyrz¹dy mocy/wysokiej czêstotliwoœci przeznaczone do pracy w wysokich temperaturach (> 350 o C. Pierwszoplanowym zadaniem jest podwy szenie temperatury pracy przyrz¹dów pó³przewodnikowych do poziomu 350 o C (aktualna norma to 30 o C dla urz¹dzeñ powszechnego u ytku i 125 o C dla urz¹dzeñ wojskowych. Pozwoli³oby to na zasadnicze oszczêdnoœci energii zu ywanej obecnie przez systemy ch³odzenia wszystkich przyrz¹dów mocy i na oszczêdnoœci energii wynikaj¹ce ze zwiêkszenia skali integracji oraz mo liwoœci umieszczenia czujników i uk³adów kontrolnych w strefie wysokiej temperatury. Opracowanie wysokotemperaturowych przyrz¹dów mocy oraz wysokiej czêstotliwoœci wymaga wprowadzenia pó³przewodników o przerwie zabronionej znacznie szerszej ni przerwa energetyczna Si czy GaAs, charakteryzuj¹cych siê znacz¹co wy szymi wartoœciami natê enia pola elektrycznego, przy którym nastêpuje przebicie, lepszym przewodnictwem cieplnym oraz odpornoœci¹ na dzia³anie wysokich temperatur. W tej grupie potencjalnymi kandydatami s¹ azotki grupy III (GaN, AlN i BN, SiC oraz diament. Celem badañ prowadzonych w Zak³adzie jest pog³êbienie wiedzy odnoœnie aktywowanych termicznie oddzia³ywañ w strukturach metal/gan i mo liwej kontroli procesów interdyfuzji. Rysunek 8 przedstawia widma RBS typowego kontaktu omowego p-gan/pdau po wygrzewaniu w temperaturze 300 800 o C, œwiadcz¹ce o bardzo ograniczonej stabilnoœci termicznej metalizacji na bazie Au w kontakcie z GaN i o koniecznoœci stosowania barier antydyfuzyjnych separuj¹cych obszar kontaktu od zewnêtrznych (np. monta owych warstw z³ota. Yield [a.u.] 6000 4000 2000 GaN/Pd(20 nm/au (130 nm as dep. 300 o C 500 o C 800 o C Ga Ga Pd Au 0 400 500 600 700 800 900 Channel Rys. 8. Widma 2 MeV He + RBS metalizacji p-gan/pd(20 nmau(130 nm poddanej obróbce termicznej RTP w N 2
Zak³ad Technologii Struktur... 11 Bior¹c pod uwagê wczeœniejsze doœwiadczenia zespo³u, w obecnym etapie prac kontynuowano badania nad cienkowarstwowymi barierami antydyfuzyjnymi z materia³ów uk³adu Ta-Si-N i Ti-Si-N dla metalizacji na bazie z³ota do GaN. Warstwy barierowe by³y wytwarzane technik¹ reaktywnego rozpylania katodowego, a ich w³asnoœci strukturalne, mechaniczne i elektryczne okreœlano na podstawie pomiarów XRD i RBS (mikrostruktura, profile sk³adu chemicznego, pomiarów naprê eñ (Tencor TM FLX oraz pomiarów rezystywnoœci (sond¹ czterostrzow¹. Optymalizowano procesy osadzania warstw TiSiN oraz TaSiN pod k¹tem niskiej rezystywnoœci, niskich naprê eñ oraz amorficznej struktury. Za optymalne uznano warstwy o sk³adzie Ta 0,24 Si 0,25 N 0,41 iti 26 Si 17 N 57. Przedstawione na rys. 9 wyniki pomiarów profili sk³adu chemicznego kontaktów technik¹ RBS potwierdzaj¹ przyjêt¹ hipotezê. 8000 GaN/Pd/Au/TaSiN/Au Au as deposited 6000 4000 2000 a b 0 300 o C, 3 min. 500 o C, 3 min. 800 o C, 3 min. Ga Pd Ta Au 600 700 800 900 Channel GaN/Pd/Au/TiSiN/Au 0 200 250 300 350 400 W ramach wspó³pracy z Uniwersytetem w Bremie wykonano badania TEM przekrojów poprzecznych kontaktów wielowarstwowych zawieraj¹cych barierê antydyfuzyjn¹ o zoptymalizowanych w³asnoœciach. Wyniki badañ mikrostruktury kontaktów przedstawione na rys. 10 i 11 œwiadcz¹ o stabilnoœci metalizacji p-gan/pdau/ta 0,24 Si 0,25 N 0,41 /Au a do temperatury 700 o C. 25000 20000 15000 10000 5000 Si ( ( ( ( as dep. 400 o C, 3 min. 700 o C, 3 min. 800 o C, 3 min. Channel Rys. 9. Widma 2 MeV He + RBS kontaktów do p-gan z warstwami barierowymi: a Pd(20 nmau(130 nm/ /Ta 0,24 Si 0,25 N 0,41 (100 nm/au(50 nm, b Pd(20 nmau(130 nm/ti 26 Si 17 N 57 (100 nm/au(100 nm po obróbce termicznej w N 2 a b Ga Pd Ti Au Au Rys. 10. Obrazy mikroskopowe XTEM i EDS kontaktów p-gan/pd(20 nm/au(130 nm/ta 0,34 Si 0,2 5N 0,41 (100 nm/ /Au(100nm poddanych obróbce termicznej w atmosferze Ar przez 3 min. Mikrostruktura i sk³ad chemiczny kontaktu wygrzewanego w temperaturze 400 o C: a jasne pole, b EDS
12 Zak³ad Technologii Struktur... a b Rys. 10. Obrazy mikroskopowe XTEM i EDS kontaktów p-gan/pd(20 nm/au(130 nm/ta 0,34 Si 0,2 5N 0,41 (100 nm/ /Au(100nm poddanych obróbce termicznej w atmosferze Ar przez 3 min. Mikrostruktura i sk³ad chemiczny kontaktu wygrzewanego w temperaturze 700 o C: a jasne pole, b EDS 3. Wspó³praca miêdzynarodowa W ramach 5. i 6. Programu Ramowego Zak³ad uczestniczy³ w realizacji czterech projektów europejskich: DENIS, NANOPHOS, HYPHEN, CEPHONA, œciœle wspó³pracuj¹c z oœrodkami europejskimi stanowi¹cymi konsorcja tych projektów. Za szczególne osi¹gniêcie Zak³adu nale y uznaæ zorganizowanie miêdzynarodowego sympozjum na temat nanostrukturalnych czujników fotonowych Workshop on Nanostructured Photonic Sensor, na którym referaty wyg³osili œwiatowej s³awy eksperci z W³och, Francji i Polski. Publikacje 2005 [P1] DOBOSZ D., YTKIEWICZ Z. R., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., GO ASZEWSKA K., PIOTROWSKI T. T.: Properties of ZrN Films as Substrate Masks in Liquid Phase Epitaxial Lateral Overgrowth of Compound Semiconductors. Cryst. Res. Technol. 2005 nr 4/5 s. 492 497. [P2] GRABECKI G., WRÓBEL J., DIETL T., JANIK E., ALESZKIEWICZ M., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., SPRINGHOLZ G., BAUER G.: Disorder Suppression and Precise Conductance Quantization in Constructions of PbTe Quantum Wells. Phys. Rev. B 2005 vol. 72 s. 125332. [P3] GRABECKI G., WRÓBEL J., DIETL T., JANIK E., ALESZKIEWICZ M., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., SPRINGHOLZ G., BAUER G.: PbTe-a New Medium for Quantum Ballistic Devices. Physica E (w druku. [P4] GUZIEWICZ E., KOPALKO K., SADOWSKI J., GUZIEWICZ M., GO ACKI Z.: Zn(MnO Surface Alloy Studied by Synchrotron Radiation Photoemission. Acta Phys. Pol. A 2005 vol. 108 s. 689 696. [P5] JELINEK M., KLINI A., KOCOUREK T., ZEIPL R., SANTONI A., FOTAKIS C., KAMIÑSKA E.: Subpicosecond and Enhanced Nanosecond PLD to Grow ZnO Films in Nitrogen Ambient. Surf. & Coatings Technol. 2005 nr 200 s. 418 420. [P6] KAMIÑSKA E., KOSSUT J., PIOTROWSKA A., PRZE DZIECKA E., DOBROWOLSKI R., DYNOWSKA E., BUTKUTE R., BARCZ A., JAKIE A R., ALESZKIEWICZ M., JANIK E., KOWALCZYK E.: Transparent p-type ZnO by Oxidation of Zn-Based Compounds. AIP Conf. Proc. 2005 nr 772 s. 185 186.
Zak³ad Technologii Struktur... 13 [P7] KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., KOSSUT J., BARCZ A., BUTKUTE R., DOBROWOLSKI R., DYNOWSKA E., JAKIE A R., UKASIEWICZ R., ALESZKIEWICZ M., WOJNAR P., KOWALCZYK E.: Transparent p-type ZnO Films Obtained by Oxidation of Sputter-Deposited Zn 3 N 2. Solid State Commun. 2005 vol. 135 nr 1 2 s. 11 15. [P8] KAMIÑSKA E., PRZE DZIECKA E., PIOTROWSKA A., KOSSUT J., DYNOWSKA E., DOBROWOLSKI W., BARCZ A., JAKIE A R., USAKOWSKA E., RATAJCZAK J.: ZnO-Based p-n Junction with p-type ZnO by ZnTe Oxidation. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (w druku. [P9] KUCHUK A., KLADKO V. P., MACHULIN V. F., LYTVYN O. S., KORCHOVYI A. A., PIOTROWSKA A., MINIKAYEV R. A., JAKIE A R.: Effect of Nitrogen in Ta-Si-N Thin Films on Properties and Diffusion Barrier Performances. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2005 vol. 27 nr 5 s. 625 634. [P10] MADAMOPOULOS N., SIGANAKIS G., TSIGARA A., AtHANASEKOS L., PISPAS S., VAINOS N., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., PERRONE A., RISTOUSCU C., KIBASI K.: Diffractive Optical Elements for Photonic Gas Sensors. Proc. of SPIE, 6008 Nanosensing: Materials and Devices II 60081K (2005. [P11] MAZINGUE T., SPALLUTO L., ESCOUBAS L., FlORY F., JELINEK M., MIHALESCU I., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., PERRONE A.: Optical Sensitivity of Thin Films to Hydrocarbons and Ozone. Proc. of SPIE, 5963 Advanced in Optical Thin Films II 59631K (2005. [P12] PAPIS E., PIOTROWSKA A., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKI T. T., KUD A A., SZADE J., WINIARSKI A., WAWRO A.: Electrochemical Sulphur Passivation of InGaAsSb and AlGaAsSb Surfaces. Mat. IV Int. Workshop on Semiconductor Surface Passivation SSP 2005, Ustroñ, 10 14.09.2005. Appl. Surface Sci. (w druku. [P13] PIOTROWSKA A., KAMINSKA E., GUZIEWICZ M., DYNOWSKA E., STONERT A., TUROS A., FIGGE S., KRÖGER R., HOMMEL D.: Anti-Diffusion Barriers for Gold-Based Metallization to p-gan. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (w druku. [P14] PRZE DZIECKA E., KAMIÑSKA E., DYNOWSKA E., DOBROWOLSKI W., JAKIE A R., K OPOTOWSKI., SAWICKI M., KIECANA K., KOSSUT J.: p-type ZnO and ZnMnO by Oxidation of Zn(MnTe Films. phys. stat. sol. (c 2005 vol. 2 nr 3 s. 1218 1223. [P15] SAWICKI M., WANG K.-Y., EDMONDS K. W., CAMPION R. P., STADDON C. R., FARLAY N. R. S., FAXON C. T., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., DIETL T., GALLAGHER B. L.: In-Plane Uniaxial Anisotropy Rotation in (Ga,MnAs Thin Films. Phys. Rev B 2005 vol. 71 s. 121302. [P16] SZCZÊSNY A., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., SZMIDT J.: GaN materia³ do konstrukcji przyrz¹dów pracuj¹cych przy wysokich czêstotliwoœciach (HEMT i w ekstremalnych warunkach. Elektronika 2005 nr 2 3 s. 16 17. [P17] SZCZÊSNY A., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., GUZIEWICZ M., JAGODZIÑSKI P., MROCZYÑSKI R., SZMIDT J.: Ru-Si-O/AlN,Si 3 N 4 Schottky Contats for n-type GaN and AlGaN. J. of Superhard Mater. (w druku. Konferencje 2005 [K1] GO ASZEWSKA K., PIOTROWSKA A., KAMIÑSKA E., RUTKOWSKI,GOTSZALK T., SZELOCH R., SKOCZYLAS P., UKASIEWICZ R., PIOTROWSKI T. T., KOWALCZYK E., KRUSZKA R., JAGODZIÑSKI P.: Thin Film Transparent Conducting Oxides as Ohmic Contacts to GaSb/In(AlGaAsSb Thermophotovoltaic Cells. SPIE Int. Congress on Optics and Optoelectronics. Warszawa, 28.08 2.09.2005. [K2] GRABECKI G., WRÓBEL J., DIETL T., JANIK E., ALESZKIEWICZ M., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., SPRINGHOLZ G., BAUER G.: Suppression of Nanoscale Disorder in PbTe Nano-
14 Zak³ad Technologii Struktur... structures. XXXIV Int. School on the Physics of Semiconducting Compounds 2005. Ustroñ Jaszowiec, 4 10.06.2005. [K3] GRABECKI G., WRÓBEL J., DIETL T., JANIK E., ALESZKIEWICZ M., PAPIS E., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., SPRINGHOLZ G., BAUER G.: PbTe-a New Medium for Quantum Ballistic Devices. 16th Int. Conf. on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-16. Albuquerque, NM, USA, 10 15.07.2005. [K4] GUZIEWICZ E., KOPALKO K., SADOWSKI J., GUZIEWICZ M., GO ACKI Z.: Zn(MnO Surface Alloy Studied by Synchrotron Radiation Photoemission. XXXIV Int. School on the Physics of Semiconducting Compounds 2005, Ustroñ Jaszowiec, 4 10.06.2005. [K5] KAMIÑSKA E., ILCZUK E., PIOTROWSKA A., KOSSUT J., BARCZ A., JAKIE A R., DOBROWOLSKI W., UKASIEWICZ R.: Effect of Atmosphere on the Thermally Activated Diffusion of Ga and As across ZnTe/GaAs Interface. XXXIV Int. School on the Physics of Semiconducting Compounds 2005, Ustroñ Jaszowiec, 4 10.06.2005. [K6] KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., GO ASZEWSKA K., GUZIEWICZ M., JAGODZIÑSKI P., KRUSZKA R., KUD A A., KOWALCZYK E., MADAMOPOULOS N., VAINOS N., ESCOUBAS L., MAZINGUE T., COURIS S.: Deposition, Characterisation and Patterning of Materials for Nanostructured Photonic Sensors. Workshop on Nanostructured Photonic Sensors. Warszawa, 3.09.2005. [K7] KAMIÑSKA E., PRZE DZIECKA E., PIOTROWSKA A., KOSSUT J., DYNOWSKA E., DOBROWOLSKI W., BARCZA., JAKIE A R., LUSAKOWSKAE., RATAJCZAKJ.: ZnO-Based p-n Junction with p-type ZnO by ZnTe Oxidation. MRS Fall Meet. 2005, Boston, USA, 28.11 2.12.2005. [K8] KAMIÑSKA E., PRZE DZIECKA E., PIOTROWSKA A., KOSSUT J., UKASIEWICZ R., JAGODZIÑSKI P., GO ASZEWSKA K., DYNOWSKA E., DOBROWOLSKI W., JAKIE AR., USAKOWSKA E.: Study of Key Technological Processes to Achieve ZnO p-n Junction. 12th Int. Conf. on II-VI Compounds. Warszawa, 12 16.09.2005. [K9] PAPIS E., PIOTROWSKA A., GO ASZEWSKA K., UKASIEWICZ R., PIOTROWSKI T. T., KAMIÑSKA E., KRUSZKA R., KUD A A., RUTKOWSKI J., SZADE J., WINIARSKI A., WAWRO A.: Properties of InGaAsSb and AlGaAsSb Surfaces under Sulphide Treatments Studies using XPS and VASE Techniques. SPIE Int. Congress on Optics and Optoelectronics. Warszawa, 28.08 2.09.2005. [K10] PAPIS E., PIOTROWSKA A., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKI T. T., KUD A A., SZADE J., WINIARSKI A., WAWRO A.: Electrochemical Sulphur Passivation of InGaAsSb and AlGaAsSb Surfaces. IV Int. Workshop on Semiconductor Surface Passivation SSP 2005. Ustroñ, 10 14.09.2005. [K11] PIOTROWSKA A., GO ASZEWSKA K., RUTKOWSKI J., PAPIS E., UKASIEWICZ R., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKI T. T.: Long Term Stability of GaSb-Based MIR Photodetectors Passivated by Electrochemical Treatment in Sulphur Containing Solutions. SPIE Int. Congress on Optics and Optoelectronics. Warszawa, 28.08 2.09.2005. [K12] PIOTROWSKA A., KAMINSKA E., GUZIEWICZ M., DYNOWSKA E., STONERT A., TUROS A., FIGGE S., KRÖGER R., HOMMEL D.: Anti-Diffusion Barriers for Gold-Based Metalli Zation to p-gan. 2005 MRS Fall Meet. Boston, USA, 28.11 3.12.2005. [K13] PRZE DZIECKA E., KAMIÑSKA E., DYNOWSKA E., BUTKUTE R., DOBROWOLSKI W., JAKIE A R., ALESZKIEWICZ M., USAKOWSKA E., ANDREARCZYK T., K OPOTOWSKI., KOSSUT J.: Preparation and Characterization of p-type ZnO by Oxidation of ZnTe Films. XXXIV Int. School on the Physics of Semiconducting Compounds 2005, Ustroñ Jaszowiec, 4 10.06.2005. [K14] PRZE DZIECKA E., KAMIÑSKA E., DYNOWSKA E., BUTKUTE R., DOBROWOLSKI W., JAKIE A R., ALESZKIEWICZ M., USAKOWSKA E., ANDREARCZYK T., SAWICKI M., KIECANA K., K OPOTOWSKI.,
Zak³ad Technologii Struktur... 15 KOSSUT J.: p-type ZnO and ZnMnO by Oxidation of Zn(MnTe Films. 12th Int. Conf. on II-VI Compounds. Warszawa, 12 16.09.2005. [K15] SKOCZYLAS P. A., PISKORSKI M., PIOTROWSKA A., GO ASZEWSKA K., PIOTROWSKI T. T., K TCKI J., RATAJCZAK J., JUNG W., PRZES AWSKI T., WAWRO A., WÓJCIK M., GACA J.: GaAlAsSb/GaInAsSb/GaSb Structures for Thermophotovoltaic Cells. SPIE Int. Congress on Optics and Optoelectronics. Warszawa, 28.08 2.09.2005. [K16] SZCZÊSNY A., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., GUZIEWICZ M., JAGODZIÑSKI P., MROCZYÑSKI R., SZMIDT J.: Ru-Si-O/AlN,Si 3 N 4 Schottky Contats for n-type GaN and AlGaN. 4th Int. Conf. Nanodiamond and Related Materials jointly with 6th Diamond and Related Films. Zakopane, 28.06 1.07.2005.