CPD

Pomiar kontaktowej różnicy
potencjałów na powierzchniach
półprzewodników
Promotor: dr hab. inż. Bogusława Adamowicz
Opiekun: dr inż. Marcin Miczek
Dyplomant: Emilia Sołtys
Plan prezentacji
z
z
z
z
z
z
z
Motywacja
Cel i zakres pracy
Teoria zjawiska
Metoda pomiarowa i jej różne warianty
Układ pomiarowy
Zadania do zrealizowania
Literatura
UHV Kelvin Probe
Motywacja badań
Powierzchnia półprzewodnika Æ elektronowe stany
powierzchniowe Æ ładunek powierzchniowy
Æ zagięcie pasm energetycznych
Æ rekombinacja powierzchniowa
półprzewodnik
PROBLEM:
Wyznaczanie parametrów
elektronowych powierzchni Æ
Metoda pomiaru
kontaktowej różnicy potencjałów
(CPD - contact potential difference)
w trakcie oświetlenia – fotonapięcia
powierzchniowego (SPV – surface
photovoltage)
Motywacja badań
z
Półprzewodniki Si, GaAs, InP
pasywowane struktury AlGaN/GaN Æ fotodetektory InTechFun
• Zadania w projekcie InTechFun POIG (Fundusze Strukturalne) we współpracy
z Instytutem Technologii Elektronowej w Warszawie:
Z.4.6 Wykonanie i weryfikacja parametrów funkcjonalnych fotodetektora
ultrafioletu na bazie heterozłącza AlGaN/GaN;
Z.7.7 Zakup i uruchomienie sondy Kelvina do pomiaru kontaktowej różnicy
potencjału międzypowierzchni i struktur.
Motywacja
1) Metoda CPD/SPV - bezkontaktowa i nieniszcząca
2) Pomiary CPD/SPV:
Parametry powierzchniowe:
¾
potencjał powierzchniowy VS
¾
ładunek powierzchniowy Qss
¾
gęstość stanów powierzchniowych Nss(E)
Parametry objętościowe:
¾
poziom Fermiego Ef
¾
droga dyfuzji L
¾
czas życia nośników ładunku τ
Mała drgająca elektroda
odniesienia nad
stosunkowo dużą próbką.
Cel i zakres pracy
1) Zaprojektowanie i uruchomienie stanowiska do pomiarów
CPD oraz SPV za pomocą sondy Kelvina
2) Pomiar CPD i SPV dla wybranych powierzchni
półprzewodników pasywowanych warstwami
dielektrycznymi (tlenki naturalne, SiO2)
3) Analiza wyników i wyznaczenie parametrów elektronowych
badanych powierzchni
4) Analiza teoretyczna wpływu domieszkowania i stanów
powierzchniowych na SPV
Układ metal – próżnia – półprzewodnik
w stanie równowagi
Фs,m – prace wyjścia,
qVs – zakrzywienie pasm,
Vs – potencjał powierzchniowy,
LD – efektywna długość Debye.
q(CPD)
Φm
Φs
Ec
Ef
qVs
próżnia
Ev
półprzewodnik
x
typu n
metal
LD
0
Fotonapięcie powierzchniowe SPV–
zmiana zakrzywienia pasm na powierzchni pod
wpływem oświetlenia
SPV = VCPD ( on ) − VCPD ( off )
półprzewodnik
rekombinacja
pasmo - pasmo
rekombinacja
powierzchniowa
próżnia
SPV
Ec
metal
Efn
Ef
Efp
Ev
rekombinacja
SRH
generacja
dryf
hν
stany powierzchniowe
Nss(E)=const
Ef
przetwornik
Standardowa Sonda Kelvina (KP)piezoelektryczny
Ck (t ) =
εA
drgająca
d (t )
siatka
Ck(t) – pojemność elektryczna
ε – przenikalność elektryczna,
A – powierzchnia elektrody
d(t) – odległość pomiędzy elektrodami
półprzewodnik
LOCK-IN
d (t ) = d 0 + a sin(ωt + γ )
∞
Ck (t ) = ∑ Cn sin( nωt + γ n ) I k (t ) = (CPD )
n =1
d0 – średnia odległość pomiędzy
elektrodami,
asin(ωt+ γ) – sygnał odniesienia
γn - faza n–tej harmonicznej,
∞
∑C
n =1
n
cos(nωt + Φ n )
Ik(t) – prąd w obwodzie,
ω- częstość podstawowa,
Фn – faza n–tej harmonicznej,
Cn – współczynik rozwinięcia.
Pomiar SPV
ΔSPV = VCPD ( on ) − VCPD ( off )
przerywacz
strumienia
φ = const
φ - modulowane
C - modulowane
hν
C = const
hν
przetwornik
magnetyczny
drgająca
siatka
siatka
półprzewodnik
półprzewodnik
LOCK-IN
LOCK-IN
Scanning Kelvin Probe (SKP)
Topografia potencjału
powierzchniowego
http://www.kelvinprobe.info
skala mikrometrowa
Cr deposited on Si(100)
Sample courtesy of
Dr. Bert Lagel,
University of South Florida.
Scanning Kelvin Probe
Microscopy (SKPM)
Przystawka do AFM – skala nanometrowa.
Surface potential of two-component LB film.
Scan size: 6 x 6 um
Topography (left)
and surface potential distribution
(right) of two component
Langmuir-Blodgett film.
http://www.ntmdt.com
Sonda Kelvina
http://www.besocke-delta-phi.de/kelvin_probe_s.htm
z
z
z
z
czułość 0,1 mV
zakres ciśnień od UHV do 10 bar
możliwość pracy w powietrzu lub innym
gazowym otoczeniu
łatwa instalacja w komorach pomiarowych
Parametry elektronowe półprzewodników
wyznaczane z pomiaru SPV
x1
ΔSPV = VCPD ( on ) − VCPD ( off ) ≈ VS
1) Potencjał powierzchniowy –
wraz ze wzrostem natężenia
światła Ф (Vs Æ 0) zakładamy
wypłaszczenie pasm
fotonapięcie Dembera i stany
powierzchniowe Æ brak nasycenia
Æ konieczność numerycznego
modelowania SPV
Mierząc znak fotonapięcia Æ
informacja o zakrzywieniu pasma co
do znaku (typ przewodnictwa)
SPV = VCPD ( on ) − VCPD ( off )
E
μn > μ p
x2
kT μ n − μ p ⎛ σ 1 ⎞
ln⎜⎜ ⎟⎟
V12 =
q μn + μ p ⎝ σ 2 ⎠
V12 – napięcie Dembera
k – stała Bolzmanna
T – temperatura
q – ładunek elektronu
μn – ruchliwość elektronów,
μp – ruchliwość dziur,
σ1, σ2 – przewodność właściwa w
punktach x1 i x2,
2) Ładunek powierzchniowy półprzewodnik typu p (warunek
silnego zubożenia)
QSS ≈ qLD (qVS / kT )
1/ 2
1/ 2
⎛ 2εε 0 kTpb ⎞
⎟⎟
LD = ⎜⎜
2
q
⎝
⎠
q – ładunek elektronu
pb – koncentracja dziur wewnątrz
półprzewodnika
3) Czas życia nośników nadmiarowych - półprzewodnik typu p
Kinetyka procesów
generacji
i relaksacji nośników
prądu przy udziale stanów
powierzchniowych Æ
parametry dynamiczne
tych stanów oraz
koncentrację n
i p w stanach
powierzchniowych
[2] str. 251
Parametry – cd.
4) Droga dyfuzji nośników
mniejszościowych L:
pomiar Ф w funkcji λ Æ
φ|SPV=const
C1 – stała
α – współczynnik absorpcji światła
Ф|SPV=const – strumień światła
wyregulowany, tak aby SPV było
stałe
φ=C1(LD+1)α
1/α
LLD
Układ pomiarowy – pomiary elektryczne
i fotoelektryczne przy zmianie T, λ i Ф
B
C-V
I-V
A, B, C: kontakty elektryczne
D: źródło światła UV,
E: manipulator próbki.
A
S
Sonda
Kelvina
InTechFun
Projekt komory Z.7.6
Lampa UV Z.7.8
C
F
D
E
UV
Lamp
Zadania do wykonania
1) Obliczenia SPV(Ф) dla Si, GaAs, GaN dla różnych ND,
NSS(E)
¾ Modelowanie: weryfikacja nasycenia SPV dla dużych Ф
¾ Oszacowanie sygnału SPV w typowych warunkach
2) Zestawienie układu pomiarowego
3) Wykonanie pomiarów CPD/SPV na próbkach Si, GaAs,
AlGaN/GaN
Literatura
9
9
9
9
9
9
9
9
9
[1] K. Szalimowa, Fizyka półprzewodników, PWN Warszawa 1974
[2] A. Szaynok, S. Kużmiński; Podstwawy fizyki powierzchni
półprzewodników; Wyd. Naukowo – Techniczne Warszawa 2000
[3] T. Figielski; Zjawiska nierównowagowe w półprzewodnikach;
PWN Warszawa 1980
[4] F. Kowtoniuk, J. A. Koncevoj; Pomiary parametrów materiałów
półprzewodnikowych Warszawa 1973
[5] H. Lüth, Optical Spectroscopy of electronic surface states,
Applied Physics 1975
[6] L. Kronik, Y. Shapira; Surface photovoltage phenomena: theory,
experiment, and applications; Surface Science Reports 37 (1999)
[7] http://www.besocke-delta-phi.de/kelvin_probe_s.htm
[8] http://www.kelvinprobe.info
[9] http://www.kelvinprobe.com
Dziękuję za uwagę