Application of the far-infrared reflectance spectroscopy to characterization of AlAs/ GaAs Bragg mirrors

Metodę spektroskopii odbiciowej w zakresie dalekiej podczerwieni zastosowano do badań zwierciadeł Bragga wykonanych z AlAs/GaAs na podłożu GaAs. Pomiary widm odbicia zwierciadeł zostały wykonane dla różnych kątów padania fali na próbkę oraz z polaryzacją fali s i p. Otrzymane z pomiarów widma analizowane były numerycznie, poprzez dopasowanie widma teoretycznego do widma zmierzonego. Klasyczną teorię dyspersji zastosowano do wyznaczenia funkcji dielektrycznych związków GaAs i AlAs . Z dopasowania widm wyznaczono grubości warstw wchodzących w skład badanej struktury oraz określono koncentracje nośników w warstwach. Wyniki pracy pokazują, że za pomocą widm odbicia z dalekiej podczerwieni można dokonać charakteryzacji zwierciadeł Bragga wykonanych z GaAs/AlAs.We present a study of GaAs/AlAs Bragg mirrors grown on GaAs substrates. Far-infrared reflectivity spectra were measured using polarized oblique-incidence Fourier transform spectroscopy. The optics of the features observed were analyzed, with respect to a given resonance mode. The far-infrared spectra were numerically modelled within a classical dispersion theory and then compared with the experimental data. The thicknesses of the layers and the free carrier concentration were determined when the best agreement between experimental and calculated spectra was reached. The results demonstrate that the oblique incidence far-infrared reflectance techniques can be applied to the characterization of GaAs/AlAs Bragg mirrors

Infrared spectroscopic analysis of the SiO2//Si interface of soi structures

Badania tlenków w pobliżu interfejsu SiO2//Si powstałego w wyniku połączenia płytek krzemowych oraz interfejsu Si/SiO2 uformowanego w procesie termicznego utleniania płytek Si w łączonych strukturach SOI przeprowadzono metodą fourierowskiej spektroskopii absorpcyjnej w podczerwieni. Określono zmiany energii fononów TO i LO wiązań O-Si-O w zależności od grubości tlenku, pocieniając badane tlenki poprzez trawienie w rozcieńczonym kwasie fluorowodorowym. Uzyskane wyniki zmian energii fononów optycznych w funkcji grubości tlenków pokazują, że w pobliżu obu interfejsów istnieją obszary substechiometrycznego SiOx. Struktura tlenków w tych obszarach jest jednak różna. W przypadku interfejsu SiO2//Si występuje SiO2 + Si, co powoduje przesunięcie linii absorpcyjnej modu TO w stronę wyższych liczb falowych. Zmiany położenia linii modu TO obserwowane są dla tlenków o grubości poniżej 4,0 nm. W interfejsie Si/SiO2 warstwa SiOx jest taka sama jak warstwa przejściowa w tlenkach termicznych. Badania absorpcyjne wykonano dla tlenków w zakresie grubości l,5-20nm.Infrared absorption spectroscopy has been used to investigate the silicon oxide near the two interfaces in the SOI structure, the SiO2//Si interface created by bonding of two silicon wafers and the Si/SiO2 interface created by thermal oxidation. The oxide films were thinned by etching in dilute hydrofluoric acid for the spectroscopic analysis. The behavior of the transverse (TO) and longitudinal (LO) optical phonon modes, which are associated with asymetric streching the O-Si-O bonds as a function of the oxide film thickness provides an evidence that near the both interfaces exist region of sub-stoichiometric silicon oxide (SiO ). The structure of this SiOx layer is different at each interface. We propose a model in which the sub-oxide layer in the SiO2//Si interface is composed with SiO2 and Si. We found that the TO phonon frequency apparently starts to shift toward higher wave number at around 4,0 nm from the interface. The structure of this SiOx layer in the Si/SiO2 interface is just the same as that observed for the thermal oxide. Spectroscopic investigations were performed for the oxide films range from 1,5 nm to 20 nm

Influence of residual pores on optical properties of MgAl₂O₄ ceramics in the infrared range

W pracy wykazano, że straty w transmitancji dla ceramiki MgAl2O4 spowodowane są rozpraszaniem fali elektromagnetycznej na porach obecnych w ceramice. Badania przeprowadzone zostały za pomocą metod mikroskopowych oraz spektroskopii w zakresie światła widzialnego i podczerwieni. Poziom transmitancji w funkcji długości fali zależy od stopnia porowatości ceramiki, rozmiaru porów oraz rozkładu ich wielkości. Do wyznaczenia współczynnika rozpraszania zastosowano teorie rozpraszania Mie z uwzględnieniem rozkładu rozmiarów porów. Porównując transmitancję obliczoną teoretycznie ze zmierzoną określono rozkład rozmiarów porów oraz porowatość ceramiki. Uzyskano dobrą zgodność z danymi eksperymentalnymi. Pomiary odbicia całkowitego oraz wyznaczony współczynnik asymetryczności pokazały, że rozpraszanie zachodzi głównie w kierunku padania fali.The aim of the present work was to study the influence of residual porosity on the transmission of polycrystalline MgAl2O4. Spinel samples were investigated by optical microscopy, scanning electron microscopy as well as IR and VIS spectroscopy. It was showed that the inline transmission is sensitive to the microstructure of a ceramic and depends on the total porosity, the pore size and the pore distribution. Mie theory for light scattering was applied to compute scattering coefficients. Transmission curves versus wevelength for spinel MgAl2O4 were also estimated on the basis of of the pore radius rm, the width of the distibution a and the porosity Vp. Finaly, the calculated transmission curves were compared with the experimentally determined transmission using rm, σ and Vp as parameters. Good agreement with experimental data was obtained. It was proved that light is mainly scatered in the forward direction

Determination of nitrogen concentration in Czochralski silicon crystals from the far infrared absorption spectra

Monokryształy krzemu otrzymane metodą Czochralskiego (Cz - Si) domieszkowano azotem poprzez wzrost w atmosferze Ar + N2. Wykonując pomiary absorpcji optycznej po izotermicznych wygrzewaniach zbadano proces generacji płytkich donorów termicznych (STDs) związanych z kompleksami N[indeks dolny]i-O[indeks dolny]mi. Określono warunki procesów termicznych, w których koncentracja defektów ulega nasyceniu ( 650°C min. Igodz. lub 600°C min. 3 godz.). Przedstawiono metodę określania koncentracji azotu w monokryształach Cz - Si w zakresie l x 10[indeks górny]13 ≥ [N] < 5 x 10[indeks górny]14 at.cm-³ opartą o pomiar absorpcji w zakresie dalekiej podczerwieni w niskich temperaturach.The nitrogen doping of Czochralski silicon crystals was accomplished by adding a small amount of N[sub]2 gas to the argon ambient in the growth chamber. The generation process of shallow thermal donors (STDs) attributed to N[sub]i-O[sub]mi complexes with the measurement of their optical absorption after isothermal annealing was investigated. On the basis of the obtained results, we proposed the annealing conditions when concentration of complexes reaches a saturated value (650°C, min. 1 h or 600°C, min. 3 h). We have defined the method for the quantitative measurement of nitrogen in CZ silicon crystals by means of low temperature Fourier transform infrared spectroscopy (LT-FTIR), based on measurement in the far-infrared range. This method can be used for the detection of the nitrogen concentration in the range of 1 x l0[sup]13 - 5 x l0[sup]14 at.cm-³

Graphene obtained by electrolytic method on silicon carbide substrates

W artykule przedstawiono nową technikę osadzania warstw grafenu na podłożach z węglika krzemu metodą elektrolityczną. Polega ona na zastosowaniu jako materiału elektrod grafitu i SiC oraz elektrolitu organicznego poli–styrenosulfonianu sodu (PSS). Widma Ramana osadzanych warstw wskazują na to, że otrzymano grafen. Istnienie wiązań typu C=C potwierdza spektroskopia FTIR. Prowadzono także proces z roztworów na bazie tlenku grafenu. Ponadto w procesie z rozcieńczonym elektrolitem uzyskano rzadką odmianę alotropową węglika krzemu - moissanit, który syntetycznie jest produkowany przede wszystkim na potrzeby przemysłu elektronicznego.We present a new electrochemical deposition method of graphene layers on silicon carbide substrates. The technological arrangement was comprised of graphite, SiC electrodes and organic electrolyte, i.e. poly(sodium-4-styrenesulphonate), and in the case of an alternative technique suspension with graphene oxide was applied. Graphene layers consisting of flakes were obtained on SiC electrodes, which was concluded based on a Raman Spectroscopy analysis. Moreover, during the process with diluted electrolyte solution we achieved a rare allotropic form of silicon carbide called moissanit, which is commonly used in electronic applications

SiCN films deposited by RF magnetron sputtering

Węglik i azotek krzemu są obiecującymi materiałami, które dzięki swym właściwościom mogą być wykorzystane do uzyskiwania różnego rodzaju przyrządów elektronicznych. Oba są wysoko temperaturowymi półprzewodnikami używanymi jako izolatory i stosowanymi jako bariery dyfuzji w urządzeniach mikroelektronicznych. SiCN znajduje liczne praktyczne zastosowania w ogniwach słonecznych, płaskich monitorach telewizyjnych, pamięciach optycznych, jako warstwy antyrefleksyjne. Kontrola parametrów procesu sputteringu pozwala na uzyskiwanie warstw o różnych właściwościach fizycznych i chemicznych np. o różnej przerwie energetycznej, od 2,86 V dla SiC do 5 eV dla Si3N4 [1]. W artykule opisane zostały właściwości warstw SiCN otrzymane metodą reaktywnego sputteringu z targetu węglika krzemu oraz w atmosferze argonowo - azotowej. SiCN osadzany był na podłożach Si(111) oraz na podłożach krzemowych z warstwą AlN. Skład, struktura, powierzchnia uzyskiwanych warstw była określana za pomocą metod diagnostycznych takich jak: dyfrakcja rentgenowska (XRD), spektroskopia masowa jonów wtórnych (SIMS), mikroskopia sil atomowych (AFM). Badano wpływ parametrów sputteringu na jakość warstw analizując widma transmisji i z zakresu podczerwieni i światła widzialnego.(FTIR - spektroskopia optyczna w zakresie podczerwieni).Silicon carbide and silicon nitride are prospective candidates for potential high-temperature structural applications because of their excellent mechanical properties [1]. Both are high-temperature semiconductor materials used as electrical insulators or diffusion barriers in microelectronic devices. Apparently, amorphous silicon carbide nitride (SiCxNy) has tenability over a very wide range of x and y. In this context, SiCXNY alloys are interesting materials, among which one can enumerate the SiC band gap (2,86eV) and insulating Si3N4 films (5eV) [1]. In our paper, we describe the properties of SiCN fabricated by magnetron sputtering from a silicon carbide target in a reactive atmosphere of nitrogen and argon. SiCN was deposited on both Si(111) substrates and silicon substrates with AlN layers. The composition, structure and surface roughness (RMS) of the SiCN films were characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS), Atomic Force Microscopy (AFM), and Scanning Electron Microscopy (SEM).The influence of the gas composition, gas flow rate and working gas pressure on the quality of layers was examined by the analysis of the spectrum of Optical Absorption and by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)

Badania właściwości antyzużyciowych smaru grafenowego na bazie wody. Kontakt smaru z materiałami metalicznymi

Due to their ecological and financial aspects, water-based lubricants may be competitive in use for production and sustainable technology. The paper presents tribological measurements results in the ball-flat friction node with reciprocal movement. The friction element manufactured of 316L stainless steel and 100Cr6 bearing steel cooperated under mixed friction with the use of water-based lubricants. Firstly, graphene flakes and graphite were applied as lubricant additives, both used as a similar reference material. Secondly, graphene lubricant reduced the friction coefficient and wear of friction elements. Interaction between water and graphene lubricants with 0.1 wt % and 1 wt % of graphene flakes and metal was also investigated. After 30 days of oxidation test in water and graphene lubricants, the Fe sample (Armco iron) surface was covered in graphene flakes with iron oxide structures. A compact coverage of the surface creates a protective layer against intensive oxidation in the distilled water-based graphene lubricant. The tests results have proven that the greater density of graphene flakes in the lubricant, the smaller is the amount of detected oxides. Graphene flakes agglomeration was observed in contact with the iron metal.Ze względu na proekologiczny oraz finansowy aspekt smary na bazie wody mogą być konkurencyjne w zastosowaniu w produkcji i eksploatacji. W pracy przedstawiono wyniki badań tribologicznych w węźle tarcia kula–powierzchnia płaska w ruchu postępowo-zwrotnym. Elementy trące wykonane ze stali nierdzewnej 316L oraz łożyskowej 100Cr6 współpracowały w tarciu mieszanym z udziałem smaru na bazie wody. Jako dodatek zastosowano płatki grafenowe oraz grafit jako podobny materiał referencyjny. Smar grafenowy zmniejszył współczynnik tarcia oraz zużycie materiałów trących. Następnie zbadano oddziaływanie wody i smaru grafenowego 0,1%wt oraz 1%wt płatków grafenowych i metalu. Po 30 dniach kontaktu z próbką z żelaza Armco powierzchnia metalu pokryła się płatkami grafenowymi, na których wykrystalizowały tlenki żelaza. Przy zwartym pokryciu powierzchni uzyskano warstwę zabezpieczającą przed intensywnym utlenianiem w wodzie destylowanej, która stanowiła bazę smaru. Stwierdzono, że im większa zwartość płatków grafenowych w smarze, tym mniejsza ilość detektowanych tlenków. Zaobserwowano aglomerację płatków grafenowych w kontakcie z materiałem żelaza

Identification of position of the n+n and p+p LH junctions in epitaxial SiC layers by chemical decoration

Opracowano metodę ujawniania obszarów typu n i p epitaksjalnej warstwy SiC metodą chemicznego barwienia. Złącze n+n lub p+p znajduje się pod powierzchnią płytki. Ujawnienie i pomiar położenia złącza wykonuje się na próbce zeszlifowanej pod niewielkim kątem. Przebadano kilka roztworów, spośród nich wybrano jeden dla którego wykonano próby barwienia warstw w różnych warunkach. Ustalono warunki prowadzenia procesu dające jednoznaczny pomiar grubości ujawnionych warstw. Opracowano technicznie prostą i nie wymagającą specjalistycznej aparatury metodę, której wyniki są porównywalne z wynikami otrzymanymi metodami optycznymi.A method of the chemical decoration of n and p SiC epitaxial layers has been established. Both n+n and p+p junctions are located under the wafer surface. The decoration and measurement of junction depth have been done using samples lapped at a small angle. Several staining solutions have been tested. In consequence, the best has been selected out of them to perform decoration under different circumstances. The processing conditions which enable an unambiguous thickness measurement have been determined. The reported method is simple and does not require specialised equipment. The results of junction depth measurements are consistent with those obtained using optical methods

Silicon nitride for InP based planar photodiode applications

Przeprowadzono badania warstw azotku krzemu osadzonych na płytkach z fosforku indu metodą PECVD (Plasma Enhanced Chemical Yapor Deposition) z wykorzystaniem do wytwarzania plazmy dwóch generatorów pracujących na różnych częstotliwościach. Celem badań było ustalenie warunków wytwarzania warstw azotku krzemu stosowanych w technologii planarnych fotodiod wykonanych na bazie InP, w których obszarem absorpcyjnym są studnie kwantowe z InxGa1-xAs. Warstwy azotku krzemu były osadzane w temperaturach pomiędzy 250°C i 300°C. Podstawą do oceny wytworzonych warstw były wyniki badań: ich składu chemicznego, struktury, współczynnika załamania, poziomu naprężeń, rezystywności, wytrzymałości dielektrycznej, stałej dielektrycznej i efektywnej gęstości powierzchniowej ładunków elektrycznych. Stwierdzono, że warstwy osadzane w temperaturze 250°C mają najlepszą strukturę, dobrze spełniają rolę maski w procesie selektywnej dyfuzji cynku, a właściwości elektryczne umożliwiają wykorzystanie ich do pasywacji powierzchni bocznych złącz p-n, pod warunkiem zastosowania odpowiedniego cyklu wygrzewań po procesie osadzania.Silicon nitride films, deposited on InP wafers by the PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) method, have been investigated in terms of their applicability in the technology of InP based planar photodiodes with the InxGa1-xAs quantum well absorption region. In order to compensate the mechanical stress in the films, the plasma was excited by two radio-frequency sources operating at frequencies of 13,56 MHz and 100 kHz. The films were deposited at different temperatures in the range of 250 - 300°C. The chemical composition of all examined films, determined by the RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) method, is very close to that of stoichiometric Si3N4. The films contain a large amount of hydrogen. The hydrogen content, evaluated by the NRA (Nuclear Reactions Analysis) technique, exceeds 30 %. The silicon nitride films deposited at 300°C have grown much faster on InP wafers than on Si wafers placed beside these and the structure of both films is different. As the films deposited on Si are amorphous with smooth surfaces, the films deposited on InP are heterogeneous with rough surfaces. These last ones exhibit lower Si-N bond concentration, lower refractive index, higher extinction coefficient, lower resistivity and lower dielectric breakdown strength than the films deposited on silicon. Deterioration of the film quality is caused probably by the reaction of phosphorus, released from the InP substrate at the beginning of the deposition process, with deposited SiNx:H. Such films should not be used in the fabrication of InP based planar photodiodes. When the deposition temperature decreases, the properties of silicon nitride films improve. Their structure becomes more homogeneous and the Si-N bond concentration increases. The silicon nitride films deposited on InP at 250°C have the same amorphous structure and the same Si-N bond concentration, determined from FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) absorption characteristics, as the films deposited on silicon. They exhibit the highest refractive index, the lowest extinction coefficient, the highest resistivity and the highest dielectric breakdown strength. These films are continuous, they do not crack during thermal processes and they can be applied as masking layers for the selective Zn diffusion used to form the p-n junctions. Unfortunately the films deposited at 250°C have the highest hydrogen content and the highest effective charge density. These films cannot be applied directly to passivate the p-n junction side surfaces. Measurements of hydrogen depth profiles and of FTIR absorption characteristics have revealed that the amount of hydrogen and of Si-N, Si-H and N-H bonds changed during annealing. An analysis of C-V characteristics of Al/Si3N4:H/InP MIS capacitors containing these films has shown, that annealing of the Si3N4:H films reduced the electronic defect state density at the Si3N4:H/InP interface. It is possible to take advantage of the thermal instability of silicon nitrides deposited by the PECVD method and to reduce the trap state density and the effective charge density by proper annealing processes. These investigations have enabled us to achieve reverse current values as low as 4 - 15 pA at the voltage of - 5 V and 200 - 500 pA at the voltage of -50 V for planar InP diodes with the 320 um diameter p-n junction. A high yield of 90 % is obtained. These results make a good base for development of planar photodiodes with InxGa1-xAs quantum wells inserted into the depletion region of the InP p-n junction