docSymulacje komputerowe detektora ultrafioletu na bazie struktury
download 
Reklamacja Transkrypt
Symulacje komputerowe detektora ultrafioletu na bazie struktury
Marcin Miczek, Piotr Bobek, Bogusława Adamowicz Chihoko Mizue, Tamotsu Hashizume Symulacje komputerowe detektora ultrafioletu na bazie struktury metal/izolator/GaN z uwzględnieniem stanów powierzchniowych Referat w Zakładzie Fizyki Stosowanej Instytutu Fizyki Politechniki Śląskiej Gliwice, 19 listopada 2008 roku Wcześniejsze prezentacje M. Miczek, P. Bobek, B. Adamowicz, T. Hashizume: „Symulacje komputerowe detektora ultrafioletu na bazie struktury metal/izolator/GaN”, II Krajowa Konferencja Nanotechnologii, Kraków, 24-28 VI 2008 (plakat Sr-P-14). ASDAM '08 M. Miczek, P. Bobek, D. Pundyk, B. Adamowicz, C. Mizue, T. Hashizume: „Numerical modeling of a metal/insulator/GaN-based ultraviolet photodetector with interface states”, 7th International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems (ASDAM), Smolenice, Słowacja, 12-16 X 2008 (plakat P1). 2 Plan referatu 1. 2. 3. 4. 5. Motywacja: (Al)GaN w detektorach światła ultrafioletowego, zalety struktur MIS. Model dryftowo-dyfuzyjny fotodetektora metal/izolator/GaN. Metoda obliczeń numerycznych. Wyniki i dyskusja. Podsumowanie i plany na przyszłość. 3 Motywacja: (Al)GaN w detektorach UV Szeroka przerwa energetyczna (3,4 – 6,1 eV) czułość na UV, nieczułość na światło widzialne (solar blind photodetectors) Odporność termiczna i chemiczna czujniki płomienia konieczność reakcji na małe natęŜenia światła (1 nW/cm2, 109 fotoncm-2s-1) Muñoz: Phys. Stat. Sol. B 244 (2007) 2859 4 Motywacja: (Al)GaN w detektorach UV Najpopularniejsze struktury fotodetektorów Muñoz: Phys. Stat. Sol. B 244 (2007) 2859 5 Motywacja: Zalety struktur MIS Mniejszy prąd ciemny NiŜszy poziom szumów Słaba zaleŜność charakterystyki pracy sensora od temperatury (przy pomiarach pojemności) V MS qΦ b j0 = A*T 2 exp − kT I T1<T2 MIS C T1<T2 LD = W= εε 0 kT q2 ND 2εε 0 Vs qN D obszar pracy fotodetektora Jak wpływają stany na granicy izolator/GaN na odpowiedź fotodetektora? V 6 Motywacja: Zalety struktur MIS Prąd nasycenia diody Schottky'ego 1.E+05 1.E-05 1.E-10 1.E-15 1.E-20 300 Dlugość ekranowania Debye'a 350 400 450 500 550 600 8.E-08 T, K 7.E-08 LD, m I0, A 1.E+00 6.E-08 5.E-08 300 350 400 450 T, K 500 550 7600 Model dryftowo-dyfuzyjny fotodetektora VG UV λ=300 nm ∂ 2V q = − ⋅ (N D − n + p ) ∂x 2 εε0 bramka ∂ ∂n ∂V − µ D n n n ∂x ∂x ∂x ∂n =0 + G − R = ∂t ∂ ∂p ∂V ∂p + µ + − = =0 D p G R p p ∂x ∂x ∂x ∂t SiO2 (15 nm) n-GaN (ND=5×1015 cm-3, α-1=71 nm, τSRH=1-100 ns) kontakt omowy Standardowy model metal powszechnie stosowany EF w modelowaniu van Roosbroeck: Bell System Tech. Journal 29 (1950) 560. ∆pT (Φ ) = ∫ [ p(x, Φ ) − p(x,0)]dx k . omowy SiO2 GaN da się wyznaczyć z pomiarów pojemności SiO2 VG UV, Φ – natęŜenie rekombinacja GaN powierzchniowa rekombinacja pasmo-pasmo EFn EFp dryf generacja stany powierzchniowe Dit(E)=const PL EC EF EV rekombinacja SRH, τSRH 8 Metoda obliczeń numerycznych Standardowa metoda róŜnic skończonych: niestabilność rozwiązania numerycznego, gdy |Vi–Vi+1|>2kT/q konieczna bardzo gęsta siatka. Algorytm Scharfettera-Gummela: gęstość prądu zmienia się liniowo między węzłami półanalityczne wyznaczenie koncentracji nośników między węzłami. Scharfetter, Gummel: IEEE Trans. Electron Dev. 16 (1969) 64 Rozwiązanie metodą kolejnych przybliŜeń sprzęŜonego (coupled) albo nie (decoupled) układu równań róŜnicowych. 9 Wyniki i dyskusja słabe zuboŜenie (VG=–0,1 V) Idealna granica SiO2/GaN (Dit=0) silne zuboŜenie (VG=–1 V) 1012 τSRH=10 , 10 , 10 s -9 ∆pT, cm -2 1010 -8 -7 1012 1010 108 τSRH 1012 ∆pT ~ log Φ 5x1011 106 108 0 104 nachylenie = 1 102 1010 106 1014 1018 nachylenie = 2 104 1010 1012 1014 1016 Φ, foton cm s -2 1018 -1 zaleŜność liniowa 1020 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 Φ, foton cm s -2 -1 zaleŜność kwadratowa przechodząca w logarytmiczną „wzmocnienie” ∆pT 10 Wyniki i dyskusja Lekko zdefektowana granica SiO2/GaN (Dit=1011 eV-1cm-2) silne zuboŜenie (VG=–1 V) słabe zuboŜenie (VG=–0,1 V) 1012 -2 1010 ∆pT, cm 1012 τSRH nachylenie = 2 obszar logarytmiczny 1010 108 8x1011 ∆pT ~ log Φ 108 106 4x1011 104 nachylenie = 1 102 106 0 1010 1014 1018 104 1010 1012 1014 1016 Φ, foton cm s -2 1018 -1 1020 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 Φ, foton cm s -2 -1 zmniejszenie ∆pT, ale bardziej z powodu zmiany zakrzywienia pasm niŜ rekombinacji powierzchniowej separacja nośników zmniejsza wpływ rekombinacji powierzchniowej 11 Wyniki i dyskusja Mocno zdefektowana granica SiO2/GaN (Dit=1012 eV-1cm-2) silne zuboŜenie (VG=–1 V) ∆pT, cm -2 słabe zuboŜenie (VG=–0,1 V) 1012 1012 1010 1010 108 108 τSRH nachylenie = 1 106 104 104 102 102 100 100 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 Φ, foton cm s -2 -1 dalsze zmniejszenie ∆pT τSRH nachylenie = 1 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 Φ, foton cm s -2 -1 zaleŜność ∆pT(Φ) liniowa takŜe dla silnego zuboŜenia – brak „wzmocnienia” dominacja rekombinacji powierzchniowej 12 Podsumowanie Dla idealnej granicy SiO2/GaN zaleŜności ∆pT(Φ) są liniowe dla słabego zuboŜenia, a kwadratowe przechodzące w logarytmiczne dla silnego zuboŜenia. Stany powierzchniowe zaburzają te prawidłowości i zmniejszają ∆pT. Dla Dit=1012 eV-1cm-2 jakość objętości kryształu (τSRH) praktycznie nie ma znaczenia 13 Plany na przyszłość Obliczenia dla VG < –1 V. Krytyczna analiza granic stosowalność klasycznego modelu dryftowo-dyfuzyjnego w przypadku silnego zuboŜenia. Wykorzystanie do obliczeń pakietu COMSOL Multiphysics™ – Piotr Bobek. Porównanie ilościowe z wynikami pomiarów foto-C-V struktur wykonanych w RCIQE. Badania za pomocą mikroskopu augerowskiego składu chemicznego sensorów wytworzonych w RCIQE. 14
