MIFOGAN

2015 - 2014

Rezultate 2016 (ianuarie-septembrie) ------------------------------------------------------

Etapa finala a proiectului trateaza caracterizarea structurilor optimizate de fotodetectori UV.
Optimizarea fotodetectorilor MSM pe membrane de GaN ; caracterizarea structurilor optimizate de fotodetectori UV

Structurile optimizate de fotodetector MSM suspendat pe membrana au fost procesate pe plachete de GaN/Si comerciale (de la firma NTT AT Japonia). Pentru procesarea structurilor MSM a fost utilizat procesul EBL (Electron Beam Lithography) cu “scriere directa”.

Fig. 1 Imagine SEM a structurii de fotodetector fabricata pe membrana subtire de GaN, avand digiti/interdigiti cu latimea de 100 nm

Masuratori curent de intuneric
Determinarile pentru curentul de intuneric in functie de tensiunea aplicata la structurile de fotodetector suspendat pe membrana (Fig.1) s-au realizat utilizand sistemul de caracterizare Keythley 4200. La o polarizare de 2V, curentul de intuneric este aproximativ 4.35 pA pentru structurile optimizate cu digiti de 100nm (Fig.2).

Fig.2  Curentul de intuneric in functie de tensiunea aplicata pentru fotodetectori, latimea digit/interdigit 100 nm

Cresterea curentului de intuneric odata cu descresterea spatiului digit/interdigit a fost observata pentru toate structurile. S-a observant de asemena cresterea semnificativa a curentului de intuneric si a pantei d(logI)/dV pentru 0.5 µm la tensiuni mai mari de 5V. Spre deosebire de structurile pe GaN/Safir sau GaN/Si, in cazul detectorilor pe membrane de GaN, purtatorii fotogenerati sunt blocati in membrana foarte subtire, din cauza barierei foarte mari intre membrane si aer. Aceasta inhiba fluxul de purtatori la o tensiune aplicata moderata si creste curentul de intuneric precum si responsivitatea [23].

Masuratori responsivitate

Determinarile de responsivitate s-au realizat utilizand un montaj special pentru utilizare atat la masutatori din fata cat si din spatele structurii (Fig. 3).
Aria totala a structurii MSM a fost de 10000 µm² (digiti plus spatii interdigitate pentru ambele structuri) in timp ce aria activa fara metal a fost de 5000 µm².

Fig. 3 Responsivitatea in functie de lungimea de unda la iluminarea din fata (a) si din spate (b) pentru fotodetectorul UV optimizat, latime a digit/interdigit de 100 nm la diferite tensiuni: 1 V, 2.5 V, 3 V, 5 V

Responsivitatea maxima s-a obtinut la lungimea de unda l = 362 nm. In cazul structurii cu spatiul digit/interdigit de 100 nm, responsivitatea la iluminarea din fata a fost de 1.45 A/W, iar responsivitatea la iluminare din spate a fost de 0.37 A/W. In cazul structurilor cu 200 nm spatiu digit/interdigit, responsivitatea maxima la iluminarea din fata a fost de 0.127 A/W, iar responsivitatea la iluminare din spate a fost de 0.022 A/W. Aceste date corespund unui raport de responsivitate cu iluminarea din fata versus iluminarea din spate de 3.9 pentru prima structura, respectiv 5.9 pentru a doua structura.

Dependenta frecventei de rezonanta a structurilor SAW pe GaN cu presiunea

Variaţia frecvenţei de rezonanţă în funcţie de presiunea aplicată a fost determinată cu ajutorul unei incinte cu presiune controlată (Fig. 5, 6). Presiunea din incintă este monitorizată cu un manometru şi poate fi reglată folosind două robinete: unul pentru admisia gazului în incintă şi altul pentru a elibera gazul în atmosferă.

Fig. 4 Structua SAW având 200 de digiţi/interdigiţi (a); suportul metalic pe care s-a lipit structura SAW (b)

Modulul coeficientul de relexie S11 este folosit pentru a extrage variaţia frecvenţei de rezonanţă pentru presiuni în intervalul 1 – 5 Bar (fig.7). Din figura 7a se poate observa că frecvenţa de rezonanţă a structurii SAW, având grosima substratului de Si de 65 μm, scade odată cu creşterea presiunii din incintă.

Fig. 5 Incintă cu presiune controlată	Fig. 6  Sistem special de măsură parametrii S

Rezultate obţinute find foarte promiţătoare; s-a propus analizarea unor structuri SAW realizate pe o membrană având grosimea substratului de Si de 10-20 μm.
Dispozitivele SAW au fost reproiectate, placheta de GaN/Si a fost subţiată de la 525 μm până la 100 μm pentru a putea fi mai departe corodată selectiv prin RIE (reactive ion etching), astfel încât să se obţină un strat de GaN/Si având grosimea intre 10 - 20 μm doar sub zona activă (zona cu structura IDT) a structurilor SAW [25].

Structura SAW suspendata pe membrana de 11.2 μm este prezentata în Fig.8, unde a fost marcata zona care defineste membrana propriu-zisă. Caracteristica de răspuns, S11, a structurii SAW, evidenţiind doua moduri de propagare (Rayleigh - 5.24 GHz şi Lamb - 9.61 GHz) la temperatura şi presiunea ambiantă, ambele menţinute constante, este arătată în Fig. 9.

Fig. 7 Variaţia frecvenţei de rezonanţă cu presiunea (a); aproximarea liniară a variaţiei (b)

Variația frecvenţei de rezonanță în funcţie de presiune a fost determinată pentru presiuni în domeniul 1 – 5 bar. Măsurătorile pentru prima frecventa de rezonanta (modul de propagare Rayleigh) sunt prezentate in Fig.10. S-a obţinut o sensibilitate de 92 ppm/Bar.

Fig.8 SEM cu structura SAW suspendata pe diafragma cu aria de 500 μm x 500 μm

Fig. 9 Coeficientul de reflexie al unui rezonator SAW cu un singur port

Pentru modul Lamb, în intervalul de presiuni de la 1 Bar la 5 Bar, frecvenţa variază liniar între 9.6095 – 9.6156 GHz (Fig.11a), rezultând o sensibilitate de 159 ppm/Bar. Pentru modul Lamb s-a obţinut o sensibilitate de 1.7 ori mai mare decât în cazul modului Rayleigh (Fig.11).

Fig. 10 Variaţia frecvenţei de rezonanţă cu presiunea pentru modul Rayleigh al rezonatorului SAW având aria 500 µm x 500 µm (a); aproximarea liniară a variaţiei cu presiunea (b)

Structurile de senzori de presiune SAW au demonstrat valori mari pentru sensibilitate, mult mai mari decat ce este raportat in literatura pe straturi de AlN pe un substrat de 50 μm de Si - pentru modul Rayleigh -3.33 ppm/Bar si -9.07 ppm/Bar pentru modul Lamb. Si in cazul nostru masuratorile au aratat ca modul Lamb este mai sensibil la presiune decât modul Rayleigh.

Fig.11 Variaţia frecvenţei de rezonanţă cu presiunea pentru modul Lamb al rezonatorului SAW având aria 500 µm x 500 µm (a); aproximarea liniară a variaţiei cu presiunea (b)

2015 ------------------------------------------------------

Obiectivul fazei: Procesare tehnologica si caracterizare noi structuri de detector UV pe baza de rezonator SAW.

Aceasta etapa a proiectului are ca obiectiv efectul interactiei dintre fotodetector si un dispozitiv SAW realizat pe acelasi substrat, aflat in proximitatea fotodetectorului. Aceasta interactie poate avea loc in ambele sensuri. (a) iluminarea fotodectorului influenteaza caracteristica SAW-ului; (b) polarizrea SAW –ului care influnteaza proprietatiler fotodetectorului. (fig 1)
La aceasta etapa s-a analizat prima interactie, [(a)]. Structurile SAW operand la frecvente mai mari de 6 GHz au fost realizate pe un substrat de GaN/safir, (grosimea stratului de GaN de 0.3 μm.), utilizand nanolitografia pentru realizarea IDT –urilor si reflectoarelor avand latimea de 200 nm, dimensiuni determinate de obtinerea frecventei de rezonanta a SAW-rilor peste 6 GHz.

Fig 1 Schema de principu pentru analizarea interactiei SAW –fotodetector (a) si (b)

S-au realizat masti pentru doua tipuri de structuri SAW cu structuri interdigitate avand latimea de 200 nm si, respectiv 300 nm, pe plachete de GaN (0.3 mm) pe Safir (525 mm). In ambele cazuri lungimea IDT-urilor este de 50 mm. Structurile sunt de tip « fata in fata », avand IDT-urile plasate la diferite distante: 20 mm, 100 mm, 200 mm, 400 mm. Masca 1 este pentru obtinerea padurilor de contact, urmeaza nanolitografia cu fascilul de electroni (EBL) printr-un proces de scriere directa pe placheta. Pentru definirea IDT-urilor este utilizat tot un proces de tip lift-off, metalizarea utilizata fiind Ni/Au 5/10 nm. Masca 2 (overlay) este destinata pentru ingrosarea padurilor de contact si asigurarea contactului intre paduri si liniile nano litografice.- 200 nm Au.
Structurile realizate tehnologic au fost caracterizate morfologic cu microescop electronic scaning TESCAN (figura 2).

Fig. 2. Imagine SEM ale structurii SAW - fotodetector: structura cu doua IDT-uri plasate fata in fata la o distanta de 100 mm;

Caracterizare structuri cuplate SAW/fotodetector – UV. -Rezultate experimentale

Fig. 3. Set-up-ul experimental pentru caracterizarea detectorului de UV:
montajul optic pt iluminarea cu UV-(stg), echipamentul de microunde pentrugenerarea semnalului de microunde in structura de rezonator SAW si determinarea raspunsului in frecventa, S11 -(dr)

Raspunsul rezonatoarelor SAW la iluminarea cu lumina UV avand o lungime de unda de 341 nm rezulta intr-o deplasare in frecventa (frequency shift) fata de frecventa de rezonanta a SAW de 6.63 GHz, deplasare pusa in evidenta prin masuratorile in microunde a parametruuil de reflexie S11 functie de frecventa (figura 4). Raspunsul la iluminarea cu lumina UV variaza cu densitatea de putere a luminei UV (figura 5).

Fig. 4. Raspunsul in frecventa, parametrul S11 pentru detector cu rezonatori SAW in cazul neiluminarii si respectiv iluminarii cu UV avand densitatea de putere de 2.66 µW/mm²

Fig. 5. Raspunsul in frecventa, parametrul S11 pentru detectorul cu rezonatori SAW in cazul neiluminarii si respectiv iluminarii cu UV avand densitatea de putere 3.2 µW/mm²

 

2014 -------------------------------------------------------------------------------------------------------

Optimizare fotodetector UV suspendat pe membrane

In vederea optimizarii structurilor de fotodetector MSM suspendat pe membrana a fost realizat un nou lot. Dispozitivul a fost realizat pe plachete de GaN/Si comerciale (de la firma NTT AT Japonia) cu stratul de GaN crescut  prin tehnici MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Placheta are un strat de  GaN nedopat cu grosimea de 0.5µm, crescut pe siliciu de inalta rezistivitate si orientare <111> si un strat tampon de 0.28 µm intre siliciu si GaN. Aria totala a structurii MSM este de 2000 µm², dar estimand 50% transparent contactului , aria activa a detectorului a fost de cca 1500 µm². O imagine SEM este prezentata in figura 16 in timp ce detalii ale structurii sunt prezentate in figura 17.

Fig. 16. Imagine SEM a structurii, fabricate pe membrane subtire de GaN, avand digiti/interdigiti cu latimea de 0.5 µm

   

Fig. 17 Detalii SEM ale structurii de fotodetector realizat pe membrane de GaN

Pentru structurile optimizate s-au efectuat masuratori de current la intuneric, inainte si dupa procesarea membrane, pana la tensiuni de 10 V. Curentul de intuneric pentru structurile pe volum (fara membrane realizata) a fost de 1 pA la 2 V. In cazul structurilor pe membrane, curentul de intuneric a fost de 10 pA. In figura 18 sunt prezentate masuratori ale curentului de intuneric in functie de tensiunea aplicata, dupa procesarea membranei.

Fig. 18. Curentul de intuneric in functie de tensiunea aplicata pentru doua structuri de fotodetector realizat pe membrana de GaN

Pentru masuratorile de responsivitatein functie de lungimea de unda s-a folosit ca sursa de UV o lampa Ozone free 150W Xede la firma Hamamatsu. S-a utilizat un amplificator de zgomot redus pentru a masura intregul spectru. Rezultatele pentru responsivitatea masurata la structurile fara membrane procesata si dupa procesarea membrane sunt prezentate in figurile 19 si 20.

Figura 19. Responsivitatea functie de lungimea de unda pentru structurile de detector fara membrana procesata

Figura 20. Responsivitatea functie de lungimea de unda pentru structurile de detector dupa procesarea membranei

 

Procese nanolitografice pe GaN pentru realizarea de structuri MSM si traductori interdigitati necesare structurilor de fotodetectori si rezonatorilor SAW.

Ca un prim pas pentru fabricarea sructurilor SAW si de fotodetector, s-au realizat trasee nanolitografice pe GaN/Si ca structuri test. S-au obtinut trasee continue metalizate cu Ti/Au in cadrul unor structuri interdigitate avand latimea cuprinsa intre 70 nm si 200 nm, ceea ce reprinta starea artei la ora actuala pe GaN. Nanolitografia pe GaN prezinta dificultati extreme datorate incarcarii electrostatice a substratului precum si datorita masei atomice mari a galiului care are ca efect crearea unor probleme mari la procesul de lift-off a aurului.

                      Fig 1                                              Fig 2                                        Fig 3

Fig 1 Trasee nanolitografice pe GaN cu latimea digit/interdigit 150 nm si grosimea metalizarii de 100 nm.
Fig 2 Trasee nanolitografice pe GaN cu latimea 100 nm si grosimea metalizarii de 50 nm.
Fig 3 Trasee nanolitografice pe GaN cu latimea de 70 nm si grosimea metalizarii de 30 nm.

Realizare structuri test de rezonatori SAW “ fata in fata” pentru frecvente de rezonanta in banda X (8-12 GHz)

Primele strucuri de tip SAW fabricate pe GaN/Si au fost structuri de tip “face to face”. Procesarea a constat in fotolitografie si depunerea metalizari pentru padurile de contact. S-a utilizat un sandwich de Ti/Au (10 nm/ 200 nm). Pentru traductorul interdigitat s-a utilizat Electron Beam Lithography (EBL). Au fost realizate structuri avand latimea digit interdigit egala cu 130 nm. Masuratorile electrice au pus in evidenta o rezonanta la 8.159 GHz, ceea ce corespunde obiectivului propus (f >8GHz). Structura a avut 100 de digiti/interdigiti cu lungimea de 100 µm.

 

Membrane de GaN

S-au realizat doua tipuri de membrane metalizate de GaN utilizand tehnici de microprelucrare a GaN/Si.. Dimensiunile si topologia metalizarii lor au fost diferite  La structura de tip A, aria membranei a fost mai mica si zonele metalizate au fost de tip structura interdigitata. De asemenea au fost realizate pe aceasta membrana, structuri metalizate de tip “pad” si lasate partial pe viitoarea membrana. La structura de tip B aria membranei a fost mai mare si metalizarea compacta in doua regiuni de pe viitoarea membrana.  Realizarea si analiza acestor membrane reprezinta un prim pas in realizarea structurilor de fotodetectoare suspendate.
Tehnologic, dupa metalizarea selectiva pe fata, utilizand un proces de dubla aliniere, s-au realizat, prin corodare selectiva RIE, de pe spate, membrane de GaN de grosime de 0.4-0.5 μm.

Caracterizarea morfologica a membranelor de GaN

Pentu analiza deflexiei membranei s-a utilizat un echipament 3D WLI Photomap. Deflexia functie de pozitie pe directia A1-A1 si pe directia A2-A2 este prezentata in  fig 6 si Fig.7, pentru structurile de tip A si respectiv B.. Concluzia importanta este ca structurile de tip A au o deflexie mai mica si mentinerea totala a padurilor in afara membranei poate reduce si mai mult deflexia.
Acest rezultat va fi utilizat la realizarea structurilor de fotodetector suspendat.

 

 

Procesare si caracterizare structuri SAW de tip “single resonator”

Structurile SAW (de tip “single resonator”) s-au realizat in urmatoarea etapa a proiectului pe plachete de GaN/Si obtinute de la NTT-AT Japonia (grosime strat GaN - 1 mm, grosime strat buffer – 0.2 mm). Utlizarea structurii SAW cu un singur rezonator are avantajul unei valori mari a factorului Q. Valoare mare a acestuia este foarte imprtanta in  unele aplicatii.
In cazul rezonatorilor de tip “face to face “ caracterizarea se bazeaza pe masuratorile parametrului de transmisie ( parametrul S₂₁) in timp ce structurile de tip  “single resonator”  sunt caracterizate prin intermediul parametrului de reflexie S₁₁.
Traductorul interdigitat este de asemenea definit printr-un proces de scriere directa pe placheta utilizand litografierea cu fascicul de electroni (EBL – Electron Beam Lithography).
Parametrii structurii sunt

• Latime digit/interdigit 130 nm; lungime digit 100 µm, 50 µm;
• Metalizare Ti/Au 100 nm
• IDT: 150 digiti/interdigiti
• Reflectoare 50 digiti /interdigiti

S-a obtinut o frecventa de rezonanta de 8.02 GHz ceea ce se inscrie in gama propusa.

Pentru a creste frecventa de rezonanta la aproximativ 8.5 GHz, in urmatoarea etapa ne propunem realizarea de IDT-uri cu digiti/interdigiti cu latimea de 120 nm.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Procesare si caracterizare fotodetector UV

Structurile interdigitate de fotodetectori MSM (metal - semiconductor - metal) au fost realizate pe membranele subtiri de GaN/Si (placheta obtinuta comercial de la NTT AT Japonia; grosime GaN 0.3 µm; grosime strat buffer format din AlN si AlGaN 0.2 µm). Padurile de tip diport au fost depuse printr-un proces de lift-off Ni/Au (20 nm/ 500 nm). Structura interdigitata MSM a fost scrisa printr-un proces direct de scriere pe placheta cu EBL (electron beam lithography, echipament e-line de la RAITH GmbH). S-au obtinut structuri cu digiti si spatii interdigitate avand latimea de 200 nm si o lungime de 100 µm.
Metalizarea este semi-transparenta Ni/Au 5 nm/10 nm, realizata prin proces de lift-off. In procesul de fabricare, substratul de Si este subtiat la 150 µm si se depune o masca de Al pe spatele structurii pentru formarea membranei (300 µm x 300 µm).

Utilizarea microspectroscopiei Raman pentru evaluarea stresului rezidual in structurile suspendate de fotodetectori pe membrane de GaN.

Exista o relatie liniara intre stresul rezidual σ_xx si siftul Raman E₂: Δω=Kσ_xx.;K are valoarea de 4.3 cm⁻¹/GPa . Datele Raman au fost achizitionate cu un spectrometru LabHR 800 la o excitare laser de 632 nm. Frecventa de 568 cm⁻¹ pentru monocristalul de GaN, a fost utilizata  ca referinta. (stress zero)

Fig 15 Siftul Raman pentru diferite regiuni ale structurilor de fotodetector UV realizate pe membrane subtiri de 0.5 μm (5/10 nm metalizare Ni/Au)[A Cismaru, A Muller, G Konstantinidis, F Comanescu, M Purica, A Stefanescu, A Stavrinidis, A Dinescu, A Moldoveanu, “Residual stress distribution and deflection analysis of very thin GaN membrane supported devices”.J. Micromech. Microeng. 23 (2013) 015010]

 

In regiunea nedegajata a membranei fotodetectorului (punctul A din insert) a rezultat o frecventa de stress de 569.8 cm^-1, corespunzatoare unui stress compresiv de 418 MPa .  Iin zona de margine a membranei stressul rezidual scade la 569.5 cm^-1, (punctul B din insert) ceea ce corespunde la 348 MPa si 569.3 cm^-1, in punctul D, in zona centrala, ceea ce corespunde la un strss rezidual 300 MPa.