Kdo jsme?

Jsme výzkumnou skupinou katedry mikroelektroniky zaměřenou na studium nových polovodičových struktur, jejich návrh, charakterizaci a aplikaci. V současnosti se zaměřujeme především na studium polovodičových nanostruktur, kvantově vázaných struktur, vývoj nových technologií pro výkonovou elektroniku a aplikace vybraných polovodičových součástek. V týmu EDG pracuje: prof. Pavel Hazdra (vedoucí), prof. Jan Vobecký, doc. Jan Voves, ing. Vít Záhlava, ing. Michal Janoušek a ing. Zbyněk Šobáň.

 

Pavel Hazdra

Je vedoucím týmu. Věnuje se studiu radiačních poruch v polovodičích a jejich využití v moderních polovodičových strukturách, kvantovým strukturám a jejich experimentální charakterizaci elektrickými a optickými metodami. Zabývá se vývojem aplikačně specifických diagnostických metod, např. vysokonapěťovou proudovou spektroskopií hlubokých úrovní pro diagnostiku radiačních poruch ve výkonových strukturách, fotomodulovanou reflektancí pro studium charakterizaci kvantových teček, apod.

Jan Vobecký
Věnuje se návrhu, charakterizaci, simulaci a aplikaci výkonových polovodičových struktur (diody, tyristory, IGBT). Na FEL-ČVUT je vedoucím řešitelského týmu centra základního výzkumu LC06041 “Příprava, modifikace a charakterizace materiálů energetickým zářením” a výzkumného záměru MSM6840770017 “Rozvoj, spolehlivost a bezpečnost elektroenergetických systémů” za katedru mikroelektroniky. V současné době pracuje ve vývojovém oddělení ABB Switzerland Ltd. Semiconductors (Lenzburg, CH) na pozici “Expert Scientist”. Jeho úkolem je vývoj příštích generací výkonových polovodičů.

Jan Voves
Se zabývá modelováním a charakterizací nanometrových struktur (rezonanční tunelové diody, lasery s kvantovou jámou a s kvantovými tečkami, spintronické struktury feromagnetických polovodičů). Ve stejné oblasti přednáší v denním studiu a v PGS.

Vít Záhlava
Zabývá se elektromagnetickou kompatibilitou a souvisejícími pravidly pro návrh desek plošných spojů. Věnuje se především vývoji a prototypové výrobě nových elektronických zařízení.

Michal Janoušek
Zabývá se charakterizací a simulací feromagnetických polovodičových nanostruktur a využitím mikroskopu atomárních sil AFM pro jejich modifikaci.

Zbyněk Šobáň
Zabývá se fyzikálními simulacemi a charakterizací transportních jevů v polovodičových heterostrukturách a nanostrukturách vhodných pro elektronické a spintronické aplikace.

Jakým výzkumem se zabýváme

Snažíme se navrhovat, měnit a charakterizovat vlastnosti polovodičových struktur tak, abychom byli schopni lépe ovládat transport elektronů a dosáhli tak jejich lepších elektrických a optických vlastností.

K čemu to je

Zlepšujeme parametry stávajících elektronických struktur použitím nových principů a technologických postupů. Vylepšujeme vlastnosti součástek výkonové elektroniky. Umožňujeme, aby pracovaly na vyšších frekvencích, byly schopné zvládat vyšší výkon a pracovat v náročnějších aplikacích.

Jaké používáme nástroje

Naše laboratoře jsou vybaveny špičkovou technikou pro diagnostiku a simulaci polovodičových struktur: Laboratoř Nanoelektroniky a elektroniky polovodičů mikroskopií AFM a STM, souborem spektroskopických aparatur (fotoluminescence, fotomodulovaná reflexe, DLTS) a aparatur pro kryoelektromagnetická měření; Laboratoř diagnostiky výkonových součástek a mikroprocesorů pak aparaturami pro měření statických a dynamických parametrů výkonových součástek v rozsahu kA a kV, stanice SUN máme vybaveny špičkovým softwarem pro simulaci od firem SILVACO a SYNOPSYS.

Na čem konkrétně pracujeme

Charakterizace a aplikace nanostruktur

Možnosti současné techniky vytvářet a manipulovat s nanometrovými objekty vytváří prostor pro návrh a realizaci nových elektronických součástek. Nanostruktury je možné také zabudovat do stávajících struktur s cílem zlepšit jejich vlastnosti. Příkladem mohou být polovodičové kvantové tečky, nanostruktury o rozměru řádu jednotek až desítek nanometrů, které jsou zarostlé do polovodiče odlišného typu (např. InAs v GaAs). Pohyb elektronů v této nanostruktuře je lokalizován elektrostatickým potenciálem, a tečka má pak charakteru “umělého atomu”. Elektronické vlastnosti lze ovládat volbou rozměru či složením tečky. Naše skupina se ve spolupráci s Fyzikálním ústavem AVČR zabývá studiem charakterizací InAs kvantových teček v GaAs vytvářených samoorganizačním epitaxním růstem. Jejich zabudování do struktury polovodičového laseru umožňuje zvýšit jeho účinnost a  posunout vyzařovanou vlnovou délku do oblasti, která by nebyla pro daný polovodičový systém možná. Rozměry narostlých teček charakterizujeme mikroskopií atomárních sil AFM (obrázek vlevo a uprosřed), jejich optoelektronické vlastnosti fotoluminescencí a fotomodulovanou reflektancí a možné stavy elektronů v tečkách simulujeme nejmodernějšími programovými nástroji (obrázek vpravo).

 

Výkonová elektronika

Ke zmírnění nedostatku elektrické energie a ochraně životního prostředí zásadním způsobem přispějí výkonové polovodičové součástky (diody, tyristory a tranzistory), které zajistí přechod k vyšším pracovním frekvencím, vyšším provozním přepětím, větším ovládaným výkonům a tím i k potřebným úsporám energie. To vše stimuluje vývoj nových polovodičových technologií, které umožní výrobu součástek s nižšími provozními ztrátami a lepšími užitnými vlastnostmi. Typickou aplikací je rozvod a zpracování energie, řízení trakčních motorů (metro, tramvaje, vlaky, trolejbusy), průmyslových motorů (robotika, vzduchotechnika, apod.) a hybridních motorů v automobilech. Mezi zkoumané součástky patří zejména diody s rychlou komutací (Free Wheeling Diode), IBGT (Insulated Gate Bipolar Transistor) a GCT (Gate Commutated Thyristor), které nás obklopují v zařízeních každodenní potřeby.

 

Modifikace vlastností polovodičů a jejich charakterizace

Při výrobě elektronických součástek a integrovaných obvodů se užívá řada technologických postupů, které umožňují lokálně měnit vlastnosti polovodičového materiálu (iontová implantace, difúze, apod.). V této oblasti se naše skupina se zaměřuje na studium a využití ozáření energetickými částicemi (protony, elektrony a částicemi alfa) s energiemi řádu jednotek až desítek MeV. Poruchy krystalové struktury, které vznikají v důsledku kolize částice (projektilu) s atomy polovodiče lze s výhodou použít k odstranění elektronů (děr) z těch míst struktury, kde je jejich přítomnost nevhodná, nebo k tvarování profilu příměsí (např. platiny či paladia), které by standardními technikami nebylo možné dosáhnout. Výsledkem je pak značné zlepšení parametrů součástek, které mohou pracovat na vyšších frekvencích a za podstatně vyššího výkonového zatížení. Ozáření struktur a součástek provádíme na urychlovačích v tuzemsku i zahraničí ve spolupráci s akademickými a průmyslovými partnery. Pro charakterizaci krystalových poruch a jejich vlastností používáme špičkových aparatur (DLTS spektrometr DLS-83E) a řadu unikátních metod vyvinutých na našem pracovišti.

 

Spintronika

Nanometrové struktury s feromagnetickými polovodiči jsou perspektivním stavebním kamenem pro spintronické aplikace. Spintronika je na rozdíl od elektroniky, využívající přenos náboje, založena na uchování a přenosu informace pomocí orientace spinu elektronu. Umožňuje pracovat s vyššími pracovními frekvencemi a s minimálním ztrátovým výkonem. Struktury s feromagnetickými polovodiči jsou navíc kompatibilní se stávajícími polovodičovými technologiemi.

Tým se zabývá charakterizací feromagnetických polovodičových vrstev (obrázek vlevo). Epitaxí z molekulárních svazků ve FzÚ AVČR jsou připravovány rezonanční tunelové diody s feromagnetickou vrstvou (obrázek uprostřed). Testujeme využití lokální anodické oxidace pomocí AFM (obrázek vpravo) pro přípravu nanometrových struktur, ve kterých dochází ke zvýraznění spintronických jevů (obří magnetorezistence, tunelová magnetorezistence).

 

TCAD – simulace polovodičových struktur a technologií

Složitost současných polovodičových součástek a požadavek jejich rychlého vývoje vyžaduje intenzivní vyžití počítačových prostředků. V posledních 10 letech se tak velmi intenzivně rozvinul obor nazývaný Technology Computer Aided Design (TCAD). Ten umožňuje simulaci výrobních procesů polovodičových struktur a součástek a v přímé návaznosti také simulaci jejich elektrické činnosti v reálných aplikačních obvodech včetně extrakce elektrických parametrů. To umožňuje pochopit a ověřit chování nově vyvíjených struktur ještě před jejich výrobou a měřením. To ale platí pouze za předpokladu, že používaný simulátor disponuje modely fyzikálních jevů, které dané struktury využívají a že tyto modely mají správně nastaveny potřebné parametry – jsou zkalibrovány. Kalibrace parametrů nově vyvíjených technologií představuje jeden z výzkumných směrů v oblasti TCAD naší skupiny. Důkladná znalost simulačních postupů a kalibrace umožňuje profesionální využití těchto prostředků, které je mimo jiné vyžadováno našimi průmyslovými partnery. Naše skupina začala využívat nástroje TCAD jako první v ČR, následně je zavedla do výuky a v ČR je trvale hlavním pracovištěm v tomto oboru.

 

Návrh, simulace a realizace nových polovodičových součástek

Nové fyzikální poznatky aplikujeme při návrhu polovodičových struktur pro moderní komunikační technologie, které vyvíjíme ve spolupráci s Fyzikálním ústavem AVČR. Jedná se o struktury, jejichž činnost je založena na principech kvantové fyziky – polovodičové lasery s nanometrovými a subnanometrovými aktivními vrstvami (ultratenkými kvantovými jamami a kvantovými tečkami), rezonanční tunelové diody RTD, tranzistory s vysokou pohyblivostí HEMT. Při návrhu a charakterizaci struktur realizovaných ve FzÚ využíváme naši zkušenost s návrhovými a simulačními prostředky TCAD a diagnostické aparatury pro charakterizaci jejich elektrických a optických vlastností (fotoluminescence, elektroluminescence, meření charakteristik proud (kapacita) – napětí, a to v širokém rozsahu teplot ( 8 – 500K) a v magnetickém poli). Na obrázku vlevo je ukázka našeho návrhu a výsledné realizace rezonančně tunelové diody na bázi InGaAs/GaAs včetně její naměřené V-A charakteristiky, ve které je patrná výrazná oblast záporného diferenciálního odporu. Realizovaná součástka je vhodná pro konstrukci ultrarychlých a víceúrovňových logických obvodů. Na prostředním obrázku je porovnání vypínání dvou výkonových struktur s různým axiálním i laterálním strukturováním doby života (simulace). Vpravo pak návrh spintronické Fe/MgO/Fe struktury provedený na molekulární úrovni v programu Atomistix.

 

Aplikace elektronických struktur

Na těchto pracovištích vyvíjíme nové měřicí metody, nová elektronická zařízení a zajišťujeme jejich prototypovou výrobu. Návrhy provádíme v programu OrCAD (Capture, PSpice, Layout). Můžeme zde pájet a opravovat desky plošných spojů se součástkami SMT. Vyvíjíme také aplikace s využitím programovatelných integrovaných obvodů FPGA.

 

Kdo financuje náš výzkum

Náš výzkum je průběžně financován z různých grantů základního a aplikovaného výzkumu:

  • Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií, výzkumný záměr MŠMT ČR MSM 6840770014, 2005-2011
  • Výzkum efektivnosti a kvality spotřeby energie, výzkumný záměr MŠMT ČR MSM212300017, 2005-2011
  • Centrum základního výzkumu “Příprava, modifikace a charakterizace materiálů energetickým zářením”, MŠMT ČR LC 06041, 2006-2010
  • Struktury pro spintroniku a kvantové jevy v nanoelektronice vytvořené elektronovou litografií, KAN400100652, 2006-2010
  • Vliv krycích vrstev na elektronové stavy v kvantových tečkách, Grantová agentura ČR 202/09/0676, 2009-2011
  • Inženýrství kvantových teček, Grantová agentura ČR 202/06/0718, 2006-2008
  • Mechanismus zářivé rekombinace v subnanometrových InAs/GaAs laserových strukturách, Grantová agentura AVČR IAA10103180, 2003-2005
  • Accurate control of recombination centre introduction in silicon, 5FP EU HPRI-1999-00039/72, 2001-2002
  • Spintronické aplikace feromagnetických polovodičových nanostruktur, Grantová agentura ČR 102/06/0381, 2006-2008

a je také podporován renomovanými výrobci polovodičové elektroniky:

  • Studium odolnosti mikrokontrolérů proti proudové injekci, Freescale Semiconductors UK, East Kilbride, Velká Británie
  • Simulace parazitních jevů v polovodičových strukturách, ON Semiconductor Czech Republic, s.r.o., Rožnov p. Radhoštěm
  • Charakterizace výkonových polovodičových diod, Freescale Semiconducteurs S.A.S., Toulouse, Francie
  • Vývoj simulačních prostředků a ozařovacích technik pro výkonovou polovodičovou elektroniku, ABB Switzerland, Semiconductors

 

S kým spolupracujeme

Spolupracujeme s výzkumnými institucemi i průmyslovými podniky v tuzemsku i  zahraničí:

  • Fyzikální ústav AVČR, Česká republika
  • Ústav jaderné fyziky AVČR, Česká republika
  • Forschungzentrum Rossendorf, Německo
  • CNM Barcelona, Španělsko
  • Polovodiče Praha, a.s.
  • ON Semiconductor Czech Republic, s.r.o., Rožnov p. Radhoštěm, Česká republika
  • ABB Switzerland, Semiconductors, Inc.
  • Freescale Semiconductors UK, East Kilbride, Velká Británie
  • Freescale Semiconducteurs S.A.S., Toulouse, Francie
  • Institute of Bioengineering and Nanotechnology A-Star, Singapur
  • Institute of Microelectronics A-Star, Singapur

 

Ukázky našich praktických výsledků

Funkční prototyp výkonových křemíkových diod

Na obrázku je prototyp křemíkové výkonové diody s průrazným napětím 4.5 kV a maximálním proudem 500 A vyrobené v Polovodiče a. s. Praha. Je z první sady diod ozářené vysokoenergetickými protony na urychlovači Tandetron pracovníky Centra LC06041 v lednu 2007. Parametry ozařování protony a následného tepelného zpracování byly optimalizovány pracovníky skupiny tak, aby diody snesly extrémní zátěž při rychlé komutaci, která je typická pro moderní výkonové měniče a střídače. Výsledkem je výkonová dioda s parametry na úrovni nejlepších světových výrobců. Výsledek měření rychlé komutace (3400A/us) ze sepnutého do vypnutého stavu je uveden na vedlejším obrázku. Měření bylo provedeno na testeru s tranzistory IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) v ABB Switzerland Ltd., Semiconductors v Lenzburgu.

Vybrané publikace

Publikujeme v renomovaných odborných časopisech. Mezi nejvýznamnější práce patří:

  • J. Voves, Z. Šobáň, M. Janoušek, V. Komarnickij, M. Cukr, Z.Novák, Nanostructures defined by the local oxidation of the ferromagnetic GaMnAs layer, Microelectronic Journal, 2009, doi:10.1016/j.mejo.2008.07.039
  • P. Hazdra, J. Oswald, V. Komarnitskyy, K. Kuldová, A. Hospodková, E. Hulicius, J. Pangrác, Influence of capping layer thickness on electronic states in self assembled MOVPE grown InAs quantum dots in GaAs, Superlattices and Microstructures,2009, doi:10.1016/j.spmi.2008.12.002
  • J. Voves, M. Cukr, V. Novák, The AFM LAO lithography for GaMnAs Layers, Microelectronic Engineering, 2009, doi:10.1016/j.mee.2008.11.035
  • P. Hazdra, V. Komarnitskyy, V. Buršíková, Hydrogenation of platinum introduced in silicon by radiation enhanced diffusion, Materials Science and Engineering B, 2009, doi:10.1016/j.mseb.2008.11.038
  • P. Hazdra, V. Komarnitskyy, Influence of radiation defects on formation of thermal donors in silicon irradiated with high-energy helium ions, Materials Science and Engineering B, 2009, doi:10.1016/j.mseb.2008.10.008
  • J. Vobecký, P. Hazdra, Dynamic avalanche in diodes with local lifetime control by means of palladium, Microelectronics Journal, vol. 39, 2008, pp. 878-883.
  • P. Hazdra, J. Oswald, M. Atef, K. Kuldová, A. Hospodková, E. Hulicius, J. Pangrác, InAs/GaAs quantum dot structures covered by InGaAs strain reducing layer characterised by photomodulated reflectance, Materials Science and Engineering B, vol. 147(2-3), 2008, pp. 175-178.
  • V. Komarnitskyy, P. Hazdra, Proton implantation in silicon : evolution of deep and shallow defect states, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, Vol 10(6), 2008, 1374-1378.
  • P. Hazdra, J. Voves, J. Oswald, K. Kuldová, A. Hospodková, E. Hulicius, J. Pangrác, Optical Characterisation of MOVPE Grown Vertically Correlated InAs/GaAs Quantum Dots, Microelectronics Journal 39, 2008, pp. 1070-1074.
  • J. Vobecký, P. Hazdra,  “Radiation-Enhanced Diffusion of Palladium for a Local Lifetime Control in Power Devices”, IEEE Transactions on Electron Devices 54 (2007), pp. 1521-1526.
  • P. Hazdra, V. Komarnitskyy, “Thermal Donor Formation in Silicon Enhanced by High-Energy Helium Irradiation”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 253 (2006), pp. 187-191.
  • J. Vobecký, P. Hazdra, “Low-Temperature Radiation Controlled Diffusion of Palladium and Platinum in Silicon for Advanced Lifetime Control”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 253 (2006), pp. 162-166.
  • P. Hazdra, J. Voves, E. Hulicius, J. Pangrác, Z. Šourek, “Ultrathin InAs and Modulated InGaAs Layers in GaAs Grown by MOVPE Studied by Photomodulated Reflectance Spectroscopy Reference”, Applied Surface Science, Vol. 253/1 (2006), pp. 85-89.
  • P. Hazdra, V. Komarnitskyy,“Lifetime control in silicon power P-i-N diode by ion irradiation: suppression of undesired leakage”, Microelectronics Journal , Vols. 37/3, 2006, pp.197-203.
  • L. Novák, P. Neužil, J. Pipper, Ch. Zhang, V.  Záhlava, “A Palm-Sized Real-Time (RT) PCR“, In Proceedings of microTAS 2006 Conference, Tokyo: Japan Academic Association Inc., 2006, s. 332-334. ISBN, 4-9903269-0-3.
  • P. Hazdra, J. Vobecký,“Platinum in-diffusion controlled by radiation defects for advanced lifetime control in high power silicon devices”, Materials Science and Engineering: B, Vols. 124-125, 2005, pp. 275-279.
  • J. Vobecký, P. Hazdra, “High-Power P-i-N Diode With Local Lifetime Control Using Palladium Diffusion Controlled by Radiation Defects”, IEEE Electron Device Letters 26(12) , 2005, pp. 873-875.
  • P. Hazdra, J. Vobecký, “Radiation enhanced diffusion of implanted platinum in silicon guided by helium co-implantation for arbitrary control of platinum profile”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 230(1-4), 2005, pp. 225-229.
  • P. Hazdra, J. Vobecký, H. Dorschner, K. Brand, “Axial lifetime control in silicon power diodes by irradiation with protons, alphas, low- and high-energy electrons”, Microelectronics Journal, vol. 35(2004), pp 249-257.
  • H. Moravcová, J. Voves, “Bloch Oscillations in Superlattices: Monte Carlo Analysis Using 2D Scattering Model” , Physica E, 17 (2003), 307-309
  • J. Vobecký, P. Hazdra,“Advanced Local Lifetime Control for Higher Reliability of Power Devices, Microelectronics Reliability”, 43(2003), 1883-1888.
  • J. Vobecký, P. Hazdra, “The application of platinum-silicide anode layer to decrease the static and turn-off losses in high-power P-i-N diode”, Thin Solid Films 433(2003), pp. 305-308.
  • J. Vobecký, P. Hazdra, V. Záhlava, “Impact of the electron, proton and helium irradiation on the forward I-V characteristics of high-power P-i-N diode”, Microelectronics Reliability 439(2003), pp. 537-544.
  • P. Hazdra, H. Dorschner, “Radiation defect distribution in silicon irradiated with 600 keV electrons”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 201(3), 2003, pp. 513 – 519.
  • J. Vobecký, P. Hazdra, “Helium irradiated high-power P-i-N diode with low ON-state voltage drop”, Solid-State Electronics, 47(1), 2003, pp. 45-50.
  • P. Hazdra, J. Voves, J. Oswald, E. Hulicius, J. Pangrác, T. Šimeček, “InAs δ-layer structures in GaAs grown by MOVPE and characterised by luminescence and photocurrent spectroscopy”, Journal of Crystal Growth, 248C, 2003, pp. 328-332.
  • P. Hazdra, K. Brand, J. Vobecký, “Defect distribution in MeV proton irradiated silicon measured by high-voltage current transient spectroscopy“, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 192(3), 2002, pp. 291-300.
  • J. Vobecký, P. Hazdra, “High-power P-i-N Diode With the Local lifetime Control Based on the Proximity Gettering of Platinum“, IEEE Electron Device Letters, 23(7), 2002, pp. 392-394
  • P. Hazdra, J. Vobecký, K. Brand, “Optimum lifetime structuring in silicon power diodes by means of various irradiation techniques”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 186(1-4), 2002, pp. 414 – 418.
  • J. Oswald, E. Hulicius, J. Pangrác, K. Melichar, T. Šimecek, O. Petrícek, K. Kuldová, P. Hazdra, J. Voves,  “Lasers with delta-InAs layer in GaAs”, Material Science and Engineering B 88(2-3), 2002, pp. 312-316
  • P. Hazdra, K. Brand, J. Rubeš, J. Vobecký, “Local lifetime control by light ion irradiation: impact on blocking capability of power P-i-N diode”, Microelectronics Journal, 32(56), 2001, pp. 449 – 456.
  • J. Vobecký, Hazdra P., O. Humbel, N. Galster, “Crossing point current of electron and proton irradiated power P-i-N diodes”, Microelectronics Reliability, 40(3), 2000, pp. 427-433.
  • Hazdra P. , Rubeš J., Vobecký J., ” Divacancy profiles in MeV helium irradiated silicon from reverse I-V measurement”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B 154(4), 1999, pp. 207-217.
  • Vobecký J., Hazdra P. , Záhlava V., “Open circuit voltage decay lifetime of ion irradiated devices”, Microelectronics Journal, 30(6), 1999, pp. 513 – 520.
  • Tidlund P., Kleverman M., Hazdra P. : “Excitation spectrum of a PtLi-related center in silicon”, Physical Review B, 59(7), 1999, pp. 4858 – 4863.

Významné technické výsledky také patentujeme:

  • N.Galster, Hazdra P., Vobecký Jan, “Process for adjusting the carrier lifetime in a semiconductor component”, US patent  No. 6159830, United States Patent and Trademark Office, Washington, 12.12.2000
  • Z. Rozehnal, P. Hazdra, J. Vobecky, “Equipment For Testing of Integrated Systems’ Ruggedness”, Utility Model   CZ 7291 U1, Úřad průmyslového vlastnictví (Patent office), 1998.

 

Kontakt:Pavel Hazdra, katedra mikroelektroniky FEL ČVUT v Praze

Za obsah odpovídá: Pavel Hazdra