CPD
Transkrypt
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