Potenciálok rétegszerkezetekben, határfelületeken Habilitációs kollokvium dr. Mizsei János, 2003

Áttekintés Bevezetés, a kitűzött kutatási feladatok Kutatási, vizsgálati módszerek Új tudományos eredmények (tézisek) – –a kutatási eredmények hasznosítása Összefoglalás: publikációk A háttér...

Bevezetés: a potenciál adott r pontban elhelyezkedő töltés U munkavégző képessége a térerő a töltésre ható erő: általános „peremfeltétel” az elektronikában jól mérhető, széles tartományban kitűnő rendszer jellemző

A kitűzött kutatási feladatok Modell rendszer és a jellemző határfelületek: gáz-szilárdtest, fém-félvezető, szigetelő-félvezető

Kutatási, vizsgálati módszerek a modellrendszer, illetve egyes elemeinek megvalósítása – –Si termikus oxidációja, felületkezelések, vékonyrétegek (gázérzékelő SnO 2, aktiváló ultravékony fémrétegek) katódporlasztása, hőkezelések a megfelelő rétegszerkezet kialakítására a megvalósított rétegszerkezetek vizsgálata – –rezgőkondenzátoros potenciálmérés, felületi fotofeszültség (SPV) mérés, ellenállás, termoelektromos feszültség mérése különféle környezeti gázösszetétel és hőmérséklet mellett, atomerő és alagút mikroszkópia, röntgen diffrakció, a vizsgálati módszerek egy része in situ alkalmazva

A rezgőkondenzátoros mérés a referencia elektróda átvilágítható a referencia elektróda átvilágítható

Felületi fotofeszültség mérése kapacitív csatolással (SPV)

SiO 2 -Si rétegszerkezetek Energia sávdiagramok a felület közelében Energia sávdiagramok a felület közelében

Kiértékelés:

Új tudományos eredmények (tézisek) 1 ultravékony szigetelő félvezetőn: a félvezető kiürítésre törekszik, 2 ultravékony szigetelő félvezetőn: memória hatás, 3 ultravékony szigetelő félvezetőn: felületi töltés, alagútáram mérése, 4 új mérési módszerek és számítási eljárások D it meghatározására, 5 CPD valamint az SPV módszerek összehasonlítása, a sztatikus feltöltődés hatása, 6 új eljárások a a félvezető gázérzékelők működésében alapvetően fontos határfelületi potenciálok meghatározására, 7 félvezető gázérzékelők felületének aktiválása, a folyamat részletei, 8 félvezető gázérzékelők atmoszferikus körülmények között mérhető instabilitásai: a környezetre jellemzőek, 9 szelektív kémiai érzékelés lehetősége potenciál térképezéssel, 10 rezgőkondenzátoros potenciálmérés (térképezés) technológiai inhomogenitások kimutatására.

1. A felületi viszonyok szigetelővel borított félvezetőn: V - V FB =  Vastag vékony

Az alagút áramok összetevői:

Felületi töltések kialakulása szigetelő- félvezető rétegszerkezeteken

Sávdiagramok: mérsékelten adalékolt p Si SPV V - V FB =  inverzió gyenge inverzió inverzió

Sávdiagramok: mérsékelten adalékolt n Si SPV V - V FB =  akkumuláció kiürülés akkumuláció

Sávdiagramok: p + Si SPV V - V FB =  V közel flat-band (kiürülés) közel flat-band (kiürülés) közel flat-band (kiürülés)

Sávdiagramok: n + Si SPV V - V FB =  V közel flat-band (akkumuláció) közel flat-band (kiürülés) közel flat-band (akkumuláció)

Összefoglalás, publikációk

A háttér... családi kollegiális intézményi – –BME EET, SEMILAB RT pénzügyi – –OTKA, 757, T26609, T34739, – –Oktatási Minisztérium FKFP 0064/1999, Pr , NKFP – –OÖT, UNIDO, Soros alapítvány Köszönettel, a hallgatóság türelméért is !

2. Memória hatás: intenzív megvilágítás hatása - = a felületen negatív töltés jelenik meg a megvilágítás útján generált alagút-áram következtében.

Ultravékony szigetelővel fedett Si próbatest feltöltése megvilágítással

A töltések eltávozása a felületről V' FB V' V

Potenciál tranziens (töltések eltávozása) elektrosztatikus kisüléssel feltöltött felületen I=4.4 nA/cm 2

3. A felületi töltés és az alagútáram mérése: ultravékony szigetelők minősítéséreultravékony szigetelők minősítésére információ tárolásárainformáció tárolására alagút áram

A felületi töltés és az alagútáram közötti összefüggés a potenciálgát ismeretében: I=23 pA/cm 2 I=3.9 pA/cm 2

4. Gyors felületi állapotok sűrűségének (D it ) meghatározása A hagyományos vizsgálati módszerek (C-V) lehetőségei (Q f Q m Q ot D it N d N a )lehetőségei (Q f Q m Q ot D it N d N a ) előnyei: pontos, jól kidolgozott, kész berendezések kaphatókelőnyei: pontos, jól kidolgozott, kész berendezések kaphatók hátrányai: elektróda szükséges (nem érintésmentes a vizsgálat), szelettérkép készítése nehézkeshátrányai: elektróda szükséges (nem érintésmentes a vizsgálat), szelettérkép készítése nehézkes

A töltések és a potenciálgát közötti kapcsolat (rezgőkondenzátor-légrés-SiO 2 -Si rendszer)

Energia-sávdiagramok eltérő hőmérsékleteken Mérés (T 1 és T 2 hőmérsékleten)Mérés (T 1 és T 2 hőmérsékleten) D it meghatározása a töltések különbségéből (dQ ss ) és a kilépési munkák különbségéből (dW)D it meghatározása a töltések különbségéből (dQ ss ) és a kilépési munkák különbségéből (dW)

D it meghatározása (négy mért adatból)D it meghatározása (négy mért adatból) T2T2 T1T1

D it meghatározása (kettő v. három mérésből)D it meghatározása (kettő v. három mérésből)

Összefüggés a tértöltés kapacitással:

A módszer korlátai és hibái Határesetek: ideális felület kvázi-izolált határfelület Hőmérséklet különbség kicsi, D it pontatlan (differenciális érték), az energia skála pontos nagy, D it pontos (átlagolt érték), az energia skála pontatlan

Próbatestek 80 nm termikus oxid a szeletek bal oldalán80 nm termikus oxid a szeletek bal oldalán 450 nm termikus oxid a szeletek bal oldalán450 nm termikus oxid a szeletek bal oldalán natív oxid a szeletek jobb oldalánnatív oxid a szeletek jobb oldalán Fedőréteg: P-0.01 ohmcm P-5-10 ohmcm N ohmcm N-7-20 ohmcm N ohmcm Adalékolás:

= = Eredmények: P 5 ohmcm, 80 nm oxid = = = T 2 T 1 T 2 -T K 300 K 20 K V 2 V 1 V 2 -V 1 V FB2 V FB1 V FB2 -V FB1  B2 -  B1       -    -=

A számítás során elvégzendő műveletek:

Az állapotsűrűség számítása:   V   V 

Eredmények: P 5 ohmcm, 450 nm oxid T 2 T 1 T 2 -T K 296 K 22 K V 2 V 1 V 2 -V 1 V FB2 V FB1 V FB2 -V FB1  B2 -  B1       -    = = = = = =

Az állapotsűrűség számítása: V 2 -V 1   V   V 

5. A sztatikus feltöltés hatása:

A sztatikus feltöltés hatása:

„C-V” (Q-V) módszer: a felület sztatikusan feltölthető koronakisülés segítségévelkoronakisülés segítségével adott potenciálra kapcsolt vezető polimer vagy (szilikon) gumi “bélyegzővel”adott potenciálra kapcsolt vezető polimer vagy (szilikon) gumi “bélyegzővel” erős megvilágítás útján generált alagút-árammalerős megvilágítás útján generált alagút-árammal a sztatikus töltés előfeszítést ad, így Q f Q m Q ot D it, valamintQ f Q m Q ot D it, valamint N d N aN d N a meghatározása is lehetséges !

Sztatikus feltöltés vezető bélyegzővel, 2.5, 1.5, -1.5 V feszültséggel

Q-V görbe sztatikus (korona) feltöltéssel mérés sötétben erős fotogerjesztéssel korrigált, nem egyensúlyi potenciálgát-töltés ideális Q-  görbe intrinsic állapot erős inverzió Q=0 0 QfQf ss Q1Q2Q1Q2 Q f közvetlenül adódik, D it =  Q 

6. a. egy korábbi eredmény kiterjesztése:6. a. egy korábbi eredmény kiterjesztése:  U R és  U Kelvin már összevethető. 6. Új eljárások a a félvezető gázérzékelők működésében alapvetően fontos határfelületi potenciálok meghatározására

Ellenállás típusú gázérzékelők

6.b.6.b. összefüggés és analógia 10 ppm H ppm H C 180 C

6.c. Összefüggés az S érzékenység és a6.c. Összefüggés az S érzékenység és a felületi borítottság megváltozása között:

7. Félvezető gázérzékelők felületének aktiválása, a folyamat részletei 7.a. Rezgőkondenzátoros potenciálméréssel, XPS és AFM segítségével kimutattam, hogy a katódporlasztással készített ultravékony (4nm) rétegek hőkezelés előtt folytonosak Távolság/mm Potenciál/V

7.b. az ultravékony arany és ezüst rétegek a rétegvastagságtól függő hőmérsékleten igen gyorsan és irreverzibilis módon szemcsékké alakulnak AFM XRD Ag 30 sAg 40 sAg 50 sAg 100 sAg 200 s

7.c. az ultravékony palládium rétegek amorf- kristályos átalakulás után oxidálódnak, majd ismételt redukció után adnak aktiválásra megfelelő fémkristály szerkezetet a félvezető gázérzékelő felületén

Ón-dioxid érzékelő aktiválása

7.d. a kész érzékelő szerkezet (Pd-SnO 2 réteg) felületéről érzékelés közben felvett STM kép segítségével bebizonyítottam, hogy a működés (adszorpció-deszorpció) során az aktiváló rétegben makroszkopikus szerkezeti átalakulások nem következnek be, csak a potenciál változik meg

Eszközök in situ STM mérésekhez

8. A félvezető gázérzékelők atmoszferikus körülmények között mérhető instabilitásai: a környezetre jellemzőek  g/m 3

9. Szelektív kémiai érzékelés lehetősége potenciál térképezéssel

Szagképek (kontaktpotenciál megváltozások) K (Pd-Ag-Au-Pt-V-Pt-SnO 2 ) PdAgAuPtV SnO 2 C 30mm 25mm 1% H 2 -levegő keverékNH 4 OH gőz (NH 3 ) CHCl 3 gőz C 2 H 5 OH gőz  460K  360K Volt Pixel

10. rezgőkondenzátoros potenciálmérés (térképezés) technológiai inhomogenitások kimutatására Nyomtatott áramköri lemez nedves csiszolás után: fénykép, potenciáltérkép, sűrűség függvény Kezeletlen felület Csiszolt felület

Napelem szerkezet (amorf Si): Sötét - megvilágított = üresjárási feszültség Al elektróda Amorf Si Ellenőrzés technológia közben: fémezés előtt megvizsgálható a réteg fotoelektromos aktivitása !

Potenciál eloszlás vastagréteg áramkörön Az áramkör U AB =0 U AB =5 V

Potenciál eloszlás vastagréteg áramkörön U AB =5 V A A AB B

E redmények: P-5-10 ohmcm P-0.01 ohmcm - = - = V - V FB =  SPV

E redmények: N ohmcm N-7-20 ohmcm N ohmcm V - V FB =  SPV