zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

Khảo sát mật độ nguyên tử bề mặt của lớp oxi tự nhiên trên bề mặt mẫu GaAs sau khi cấy ion Xe+

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

6
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Khảo sát mật độ nguyên tử bề mặt của lớp oxi tự nhiên trên bề mặt mẫu GaAs sau khi cấy ion Xe+ trình bày xác định mật độ nguyên tử bề mặt (surface atomic density) của ô xi tự nhiên trên bề mặt mẫu GaAs.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khảo sát mật độ nguyên tử bề mặt của lớp oxi tự nhiên trên bề mặt mẫu GaAs sau khi cấy ion Xe+

Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 KHẢO SÁT MẬT ĐỘ NGUYÊN TỬ BỀ MẶT CỦA LỚP OXI TỰ NHIÊN TRÊN BỀ MẶT MẪU GaAs SAU KHI CẤY ION Xe+ INVESTIGATION OF THE SURFACE ATOMIC DENSITY OF NATIVE OXIDE LAYER ON THE SURFACE GAAS AFTER IMPLANTATION OF XE+ ION P.L. TUAN 1,2, *), T.V. PHUC2,3,4), L.H KHIEM3,4), M. KULIK2,5), N.T.B MY2,6), P.M DUC1). 1) Trung tâm chiếu xạ Hà Nội, Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam, Hà Nội, Việt Nam. 2) Viện liên hiệp nghiên cứu hạt nhân, Dubna, Liên bang Nga. 3) Viện Vật lý, Viện hàn lâm và khoa học Việt Nam, Hà Nội, Việt Nam. 4) Học viện khoa học và công nghệ, Viện hàn lâm và khoa học Việt Nam, Hà Nội, Việt Nam. 5) Viện Vật lý, Đại học Maria Curie-Skłodowska, Lublin, Ba Lan. 6) Viện khoa học và kỹ thuật hạt nhân, Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam, Hà Nội, Việt Nam. *) Tác giả chính: phanluongtuan@gmail.com Tóm tắt: Bề mặt mẫu GaAs được cấy ion Xe + có năng lượng 250 keV với các liều lượng khác nhau. Sự thay đổi của lớp oxi tự nhiên được hình thành trên bề mặt mẫu nguyên thủy và mẫu sau quá trình cấy được khảo sát. Mật độ nguyên tử bề mặt của của lớp oxi được xác định bằng phương pháp tán xạ ngược Rutherford với phản ứng hạt nhân (RBS/NR). Kết quả cho thấy sự tương quan tuyến tính giữa mật độ nguyên tử bề mặt của lớp ô xi và liều lượng cấy ion trong khoảng 2 x 1013 ion.cm-2 đến 8 x 1014 ion.cm-2. Từ khóa: GaAs, RBS/NR, cấy ion. Abstract: The surface of the GaAs sample was implanted with Xe + ions with an energy of 250 keV with different dosages. The surface atomic density of the oxygen layer was determined by Rutherford backscattering spectroscopy with nuclear reaction (RBS/NR). The results show a linear correlation between the surface atomic density of the oxygen layer and the ion implantation dose in the range of 2 x 10 13 ion.cm-2 to 8 x 1014 ion.cm-2. Keyword: GaAs, RBS/NR, ion implantation. MỞ ĐẦU Cấy ion (ion implantation) là một phương pháp phổ biến để đưa các tạp chất vào trong vật liệu. Các tạp chất này được sử dụng để thay đổi các tính chất của vật liệu []. Cấy ion cũng là một trong những phương pháp chính trong việc sản xuất transitor hiệu ứng trường với vật liệu GaAs. Tuy nhiên cấy ion có một số nhược điểm trong đó nhược điểm lớn nhất là nó gây ra sự phá hủy cấu trúc tinh thể bên trong vật liệu được cấy. Bề mặt của các vật liệu bán dẫn luôn được bao phủ bởi một lớp ô xi tự nhiên. Các lớp ô xi tự nhiên này dẫn đến những hiện ứng điện tử nhất định trên bề mặt của vật liệu và gây ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của linh kiện, thiết bị. Vật liệu bán dẫn GaAs cũng không tránh khỏi điều này. Đã có nhiều các nghiên cứu tìm hiểu về vấn đề này như Bluhm và các đồng nghiệp đã nghiên cứu về độ dày và thành phần của lớp ô xi tự nhiên trên bề mặt vật liệu []. Kulik và các đồng nghiệp đã mô tả về sự hình thành của InAs, In2O3 và InAsO4 khi các mẫu GaAs được cấy ion In, đồng thời họ cũng đã mô tả về thành phần của In tăng trong khi thành phần As giảm ở bề mặt của mẫu . Nghiên cứu này sẽ phân tích thành phần của lớp ô xi tự nhiên hình thành trên bề mặt mẫu. Mẫu GaAs được cấy ion Xe+ có năng lượng 250 keV và với các liều lượng ion (ion fluence) khác nhau từ 3 x 10 12 cm-2 đến 3 x 1016 cm-2. Sau đó tiến hành phơi các mẫu GaAs trước và sau khi cấy ion Xe + để quá trình ô xi hóa xảy ra trên bề mặt mẫu trong môi trường thông thường. Mục tiêu của nghiên cứu là xác định mật độ nguyên tử bề mặt (surface atomic density) của ô xi tự nhiên trên bề mặt mẫu GaAs. THÍ NGHIỆM Các mẫu GaAs với kích thước 10 x 10 x 1 mm được sử dụng để tiến hành thí nghiệm. Đầu tiên bề mặt của các mẫu được làm sạch hóa học bằng quá trình đánh bóng Bromine Methanol (BrM). Sau quá trình này một mẫu GaAs được giữ lại làm mẫu nguyên thủy, các mẫu còn lại được tiến hành cấy ion Xe + có năng lượng 250 keV. Ion đươc cấy với các liều lượng khác nhau từ 3 x 1012 ion.cm-2 đến 3 x 1016 ion.cm-2. 114
Tiểu ban B: Vật lý hạt nhân, Số liệu hạt nhân, Phân tích hạt nhân và Máy gia tốc Section B: Nuclear physics, Nuclear data, Nuclear analysis and Accelerator Quá trình cấy ion này được thực hiện bởi thiết bị cấy ion UNIMAS tại đại học Maria Curie- Sklodowska, Ba Lan. Sau khi cấy ion các mẫu được phơi trong môi trường tự nhiên với điều kiện bình thường. Quá trình phơi ít nhất là 5 giờ. Độ phân bố của ion Xe+ trong mẫu được 5 tính toán mô phỏng bằng phần mềm SRIM/TRIM 6   1013 1015 cm-2 cm-2 [] và cho kết quả như hình 1. Nồng độ của ion Xe+ nồng độ Xe [ 1021 (at./cm3)/(at./cm2)] 1 4 1  1016 cm-2 tăng khi liều lượng cấy ion tăng. Độ phân bố lớn  1016 cm-2 nhất (đỉnh Bragg) nằm tại độ sâu khoảng 60 nm 3 3 trong mẫu và vùng phân bố của ion được cấy có độ sâu khoảng 180 nm tính từ bề mặt mẫu. 2 Mật độ nguyên tử của các lớp trong mẫu được xác định bằng hệ phổ kế tán xạ ngược 1 Ruthorford với phản ứng hạt nhân (Ruthorfort 0 0 50 100 150 200 backscattering spectroscopy with Nuclear độ sâu [nm] reactions - RBS/NR) [,]. Tất cả các mẫu bao gồm Hình 2: Độ phân bố của ion Xe+ cả mẫu nguyên thủy và các mẫu được cấy ion được phân tích bằng hệ phổ kế RBS/NR tại phòng thí nghiệm vật lý nơ tron (FLNP), Viện liên hiệp nghiên cứu hạt nhân Dubna (JINR), Liên bang Nga []. Các thí nghiệm sử dụng chùm α có năng lượng nằm trong khoảng từ 3,015 MeV đến 3,070 MeV từ máy gia tốc Van de Graaff – EG5. Chùm tia α bay đến tương tác với mẫu theo một góc 75 0. Đầu dò ghi nhận có độ phân giải 15 keV đặt tại vị trí có góc tán xạ 1700 ghi nhận các dữ liệu cho hệ phổ kế RBS/NR. Nồng độ các nguyên tố và phân bố độ sâu của chúng được phân tích và tính toán bằng cách khớp các đường cong lý thuyết với các đường cong thu được trong thực nghiệm bằng phần mềm SIMNRA []. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các kết quả thực nghiệm và tính toán bằng hệ phổ kế RBS/NR đã khẳng định sự tồn tại của một lớp giàu ô xi trên bề mặt của các mẫu GaAs. Hình 2 là đại diện cho các phổ của mẫu GaAs 25 nguyên thủy và mẫu GaAs sau khi được cấy ion với mẫu nguyên thủy O 3  1016 cm-2 các liều lượng khác nhau được ghi nhận bởi hệ phổ 20 kế RBS/NR (sau được gọi chung là phổ RBS/NR). Trong hình gồm 2 phổ của mẫu GaAs nguyên thủy và mẫu GaAs sau khi được cấy ion Xe với liều lượng số đếm [ 103] 15 Ga 3 x 1016 cm-2. Phổ có một vài đặc trưng có thể quan 10 sát được. Đầu tiên là khu vực phổ gần kênh 380, đây là vùng phổ đặc trưng cho quá trình tán xạ ngược của As Xe hạt α với hạt nhân ô xi. Chính điều này giúp chỉ ra sự 5 tồn tại của các nguyên tử ô xi trên bề mặt của mẫu GaAs. Việc cấy ion Xe+ vào mẫu GaAs tạo ra những 0 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 thay đổi trên bề mặt mẫu và quá trình ô xi hóa bề số kênh mặt mẫu. Hình 3: Phổ RBS/NR cho mẫu nguyên thủy và mẫu sau khi Hình 3 mô tả chi tiết sự phát triển của lớp ô xi cấy ion Xe+ với liều lượng 3 x 1016 cm-2 trên bề mặt mẫu GaAs trước và sau khi cấy ion với các liều lượng khác nhau. Kết quả cho thấy số đếm của ô xi tăng lên khi liều lượng cấy ion tăng. Với Giả thiết rằng mật độ nguyên tử bề mặt của ô xi tỉ lệ với diện tích của đỉnh ô xi trên phổ, có thể kết luận rằng mật độ nguyên tử bề mặt của ô xi tăng với sự tăng của liều lượng cấy ion. Hình 4 thể hiện chi tiết đặc trưng khác của phổ RBS/NR trong vùng kênh từ kênh 720 tới kênh 900 với phổ của mẫu nguyên thủy và mẫu được cấy ion với liều lượng 3 x 1016 ion.cm-2. Kết quả cho thấy có sự thay đổi về số đếm của các mẫu sau khi được cấy ion. Điều này có nghĩa là đã có sự thay đổi về thành phần cụ thể ở đây là các thành phần của Ga và As trong mẫu suy giảm, thêm vào đó là sự hiện diện của nguyên 115
Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 tố Xe trong mẫu. Thành phần của Ga và As suy giảm là do hiện tượng ô xi hóa trên bề mặt mẫu và sự khuyếch tán của nguyên tử Xe trong mẫu. 1.6 12 O mẫu nguyên thủy Ga O số đếm [ 103] 10 1.5 Xe Þ GaAs Exe = 250 keV 8 số đếm [ 103] 3  1014 cm-2 As 1.4 6 mẫu nguyên thủy 4.0 3  1016 cm-2 Xe Þ GaAs O Xe Þ GaAs Exe = 250 keV Exe = 250 keV Xe 4 3  1015 cm-2 3  1016 cm-2 3.5 O số đếm [ 103] 2 3.0 0 700 800 900 2.5 số kênh 340 350 360 370 380 390 400340 350 360 370 380 390 400 số kênh số kênh Hình 4: Vùng phổ RBS/NR từ kênh 650 đến kênh 900 Hình 5: Phổ RBS/NR của vùng oxi Bằng các phân tích phổ RBS/NR với phần mềm SIMNRA, mật độ nguyên tử bề mặt của các nguyên tử ô xi (O), gallium (Ga) và asenic (As) đã được tính toán. Với giả thiết rằng bề mặt của tất cả các mẫu là phẳng và đồng nhất. Kết quả được thể hiện trong Bảng 1. Các kết quả phân tích phổ RBS/NR đã chỉ ra rằng mật độ nguyên tử bề mặt của ô xi tăng cùng với quá trình tăng của liều lượng cấy ion cho mẫu. Quá trình ô xi hóa bề mặt mẫu GaAs đã được bắt đầu kể cả với các mẫu nguyên thủy, sau khi cấy ion thì sự ô xi hóa bề mặt xảy ra một cách mạnh và rõ ràng hơn với mẫu nguyên thủy. Mật độ nguyên tử [×1015 at./cm2] Liều lượng [ion.cm-2] O Ga As mẫu nguyên thủy 0.36 9.00 8.64 2.0×1013 0.54 8.82 8.64 4.0×1013 0.72 8.82 8.64 6.0×1013 0.90 8.82 8.28 1.0×1014 1.44 8.64 7.92 2.0×1014 1.80 8.64 7.56 3.0×1014 2.16 8.10 7.74 4.5×1014 2.70 8.10 7.20 6.0×1014 3.78 7.20 7.02 8.0×1014 4.86 7.20 5.94 1.0×1015 29.00 69.45 29.50 3.0×1015 30.75 66.45 26.10 1.0×1016 39.50 54.50 31.25 3.0×1016 41.25 54.60 28.55 Bảng 1: Mật độ nguyên tử bề mặt của các nguyên tố trong mẫu GaAs 116
Tiểu ban B: Vật lý hạt nhân, Số liệu hạt nhân, Phân tích hạt nhân và Máy gia tốc Section B: Nuclear physics, Nuclear data, Nuclear analysis and Accelerator Trong khoảng liều lượng cấy ion từ 2 x 1013 đến 8 x 1014 ion.cm-2 mật độ nguyên tử bề mặt của ô xi tăng tuyến tính với sự tăng của liều lượng cấy mật độ phân tử bề mặt [1015 at./cm2] 5 (xem hình 5). Các dữ liệu phân tích cũng cho thấy 4 trong vùng liều lượng cấy này thì độ dày của lớp ô xi trên bề mặt mẫu là hầu như không thay đổi. Điều này 3 thay đổi khi liều lượng cấy ion được tăng lên vượt quá vùng này. Khi liều lượng cấy ion tăng từ 1 x 1015 2 ion.cm-2 trở lên thì độ dày của lớp ô xi trên bề mặt tăng mạnh kết quả là mật độ nguyên tử bề mặt của ô 1 xi cũng tăng mạnh theo chính điều này dẫn đến quá 0 trình tăng này không còn mối quan hệ tuyến tính với 0.0 2.0x10 4.0x10 6.0x10 14 14 8.0x10 14 liều lượng cấy ion. Các thông số trong bảng 1 cũng 14 liều lượng [cm-2] thể hiện sự suy giảm của các nguyên tố Ga và As trong mẫu. Hiện tượng suy giảm của các nguyên tố Hình 4: Mật độ nguyên tử bề mặt của ô xi với liều lượng Ga và As cũng khác nhau và độ suy giảm của cấy ion nguyên tố As là lớn hơn độ suy giảm của nguyên tố Ga. Hiện tượng suy giảm này ngoài các nguyên nhân đã nói ở trên là quá trình ô xi hóa và sự hiện diện của nguyên tử Xe ra còn có thể kể đến hiện tượng phún xạ (sputtering phenomenon) trong và sau quá trình cấy ion. Hiện tượng phún xạ phụ thuộc vào thành phần hóa học của vật liệu cấy, mật độ ion cấy, năng lượng của ion cấy và loại ion cấy. Trong trường hợp năng lượng của ion cấy và loại ion cấy không thay đổi thì hiện tượng phún xạ sẽ phụ thuộc vào liều lượng của ion cấy []. Trong quá trình cấy ion vào mẫu GaAs, hiện tượng phún xạ trên bề mặt đã xảy ra và sự phún xạ này tăng theo sự tăng của liều lượng cấy ion. Hiện tượng này vẫn tiếp tục xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn sau khi kết thúc quá trình cấy ion. Thêm vào đó là sự phún xạ của nguyên tử As mạnh hơn với sự phún xạ của nguyên tử Ga. Trong nghiên cứu gần đây [], T.S Kulik và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng sự hình thành và phát triển của lớp vô định hình đạt đến trên 90% khi liều lượng cấy ion vào khoảng 1 x 10 15 ion.cm-2 với ion được sử dụng trong nghiên cứu là Indium (In). Quay trở lại với nghiên cứu này thì ion cấy được sử dụng là ion Xe có số khối nặng hơn ion In, nên cũng có thể giả thiết rằng lớp vô định hình trong mẫu GaAs cũng hình thành và phát triển đạt đến trên 90% khi liều lượng cấy ion Xe vào khoảng 1 x 1015 ion.cm-2. Từ sự so sánh này có thể kết luận rằng sự thay đổi của lớp ô xi trong khoảng liều lượng cấy từ 1 x 10 15 ion.cm-2 có liên quan đến sự hình thành và phát triển của lớp vô định hình trong quá trình cấy ion. Khi liều lượng cấy ion tăng lên thì đồng nghĩa với chiều dày của lớp vô định hình cũng tăng lên, đó cũng là một lý do giải thích cho sự thay đổi mạnh của lớp oxi tự nhiên trên bề mặt mẫu khi liều lượng cấy ion tăng cao. KẾT LUẬN Sự hình thành và phát triển của lớp ô xi tự nhiên trên bề mặt mẫu GaAs trước và sau khi được cấy ion Xe+ với các liều lượng cấy khác nhau đã được xem xét và phân tích bằng phương pháp tán xạ ngược Rutherford với phản ứng hạt nhân (RBS/NR). Mật độ nguyên tử bề mặt của lớp ô xi tự nhiên trên bề mặt mẫu GaAs được tính toán và thiết lập mối quan hệ như là một hàm của liều lượng cấy ion. Mối quan hệ này là một hàm tuyến tính trong vùng liều lượng cấy từ 2 x 1013 ion.cm-2 đến 8 x 1014 ion.cm-2. Khi liều lượng cấy ion tăng cao hơn thì mối liên quan này không còn là tuyến tính. Nguyên nhân của thay đổi này có liên quan đến hiện tượng phún xạ trong quá trình cấy ion và sự phún xạ của As là lớn hơn của Ga đồng thời với đó có thể là sự hình thành và phát triển của lớp vô định hình trong mẫu GaAs trong quá trình cấy ion. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J.W. Mayer, L. Eriksson, J.A. Davies, (1970) “Ion Implantation in Semiconductors: Silicon and Germanium”, first ed., Academic Press, New York. [2] A.G. Baca, C.I.H. Ashby, (2005) “Fabrication of GaAs Devices”, The Institution of Engineering and Technology, London. [3] M.R. Brozel, G.E. Stillman, (1996) “Properties of Gallium Arsenide”, third ed., INSPECT, The Institute of Electrical 117
Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 Engineer, London. [4] H. Bluhm, U.D. Schwarz, F. Herrmann, P. Paufler, “Study of the influence of native oxide layers on atomic force microscopy imaging of semiconductor surfaces”, Appl. Phys. A 59 23-27, 1994 [5] M. Kulik, W. Rzodkiewicz, S. Gluba, A.P. Kobzev, “Dielectric Function of Native Oxide on Ion-Implanted GaAs”, Acta Phys. Polon. A 23 956-959, 2013. [6] D.E. Aspnes, A.A. Studna, “Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 eV”, Phys. Rev. B 27 985-1009, 1983. [7] M. Kulik, J. Zuk, “Ellipsometric Investigation of the Kinetics of Native Oxide Growth on Aluminium and Argon Implanted GaAs”, Phys. Status Solidi A 112 789-792, 1989. [8] J.F. Ziegler, J.P. Biersack, M.D. Ziegler, (2008) „SRIM. The Stopping and Range of Ions in Matter”, Srim Co, Ion Implantation Press, Chester. [9] W.K. Chu, J.W. Mayer, M.A. Nicolet, (1978) “Backscattering Spectrometry”, Academic Press, New York, San Francisco, London. [10] J.R. Cameron, “Elastic scattering of alfa-particles by oxygen”, Phys. Rev. 90 839-844, 1953. [11] P.L. Tuan, M. Kulik, J. Nowicka-Scheibe, J. Żuk, P. Horodek, L.H. Khiem, T.V. Phuc, Nguyen Ngoc Anh, M. Turek. “Investigations of chemical and atomic composition of native oxide layers covering SI GaAs implanted with Xe ions”, Surface & Coatings Technology 394 2020. [12] M. Mayer, (1997) “SIMNRA User's Guide”, Report IPP 9/113, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching, Germany. [13] D.E. Aspnes, A.A. Studna, “Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 eV”, Phys. Rev. B 27 985-1009, 1983. [14] M. Kulik, D. Kołodyńska, A. Bayramov, A. Drozdziel, A. Olejniczak, J. Zuk, “Dielectric function, chemical and atomic compositions of the near surface layers of implanted GaAs by In+ ions”, Spectrochim. Acta A 198 222-231, 2018. 118

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.