Nghiên cứu trạng thái khuyết tật N-GaAs bằng phương pháp phổ truyền qua

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:3

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu trạng thái khuyết tật N-GaAs bằng phương pháp phổ truyền qua tập trung vào việc xây dựng hệ thống quang phổ quá độ mức sâu (DLTS), một phương pháp hiệu quả và mạnh mẽ được sử dụng để quan sát các tạp chất ở mức độ sâu trong GaAs.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu trạng thái khuyết tật N-GaAs bằng phương pháp phổ truyền qua

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI KHUYẾT TẬT N -GAAS BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ TRUYỂN QUA Nguyễn Thị Minh Ngọc, Phạm Đồng Bằng* ABSTRACT The study of defect states is necessary to find the source of defects and their influence on the characteristics of semiconductor devices. There are several methods used to investigate defects including microscopy, theoretical calculations, and deep-level transmission spectroscopy. Among them, deep-level transmission spectroscopy is one of the most effective methods used to find the source of defects. In this work, we investigated the defects in n-GaAs using capacitance-voltage (C-V) and deep level transient spectroscopy (DLTS). An electron trap with an activation energy of 0.57 eV is found. This defect is thought to be caused by the EL3 defect which is an as vacancy. Keywords: Defects, deep level transmission spectroscopy (DLTS), n-GaAs. Received: 05/03/2023; Accepted: 25/04/2023; Published: 28/05/2023 1. Đặt vấn đề thạch anh. Do hoạt động phức tạp của chúng, các Các vật liệu bán dẫn, thiết bị điện tử và mạch khuyết tật phải được phát hiện và nghiên cứu bằng tích hợp khi được sản xuất, chúng không thể hoạt nhiều kỹ thuật khác nhau, nhằm cung cấp thêm động như mong đợi. Nguyên nhân chính là do sự thông tin và đưa ra hướng giảm mật độ khuyết tật tồn tại của các khuyết tật trong vật liệu khối bán trong GaAs. dẫn, trong giao diện của các lớp trong thiết bị, gây Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào ra hư hỏng hoặc giảm hiệu suất của thiết bị. Vì lý việc xây dựng hệ thống quang phổ quá độ mức sâu do này, việc xác định và xác định đặc điểm của các (DLTS), một phương pháp hiệu quả và mạnh mẽ khuyết tật trong chất bán dẫn, cũng như hiểu biết được sử dụng để quan sát các tạp chất ở mức độ về vận chuyển hạt tải điện là lĩnh vực nghiên cứu sâu trong GaAs. tích cực. Điều này đặc biệt đúng trong trường hợp 2. Nội dung nghiên cứu của GaAs, là chất bán dẫn nổi tiếng được sử dụng 2.1. Thí nghiệm trong sản xuất các thiết bị như pin mặt trời, mạch Dùng diode n-GaAs (2 inch, điện trở suất tích hợp vi sóng, điốt phát quang và cửa sổ quang 0,00017 Ωcm) làm đế. Đối với phép đo DLTS, học. Với sự cải tiến trong các lớp mỏng ngày càng tiếp điểm Schottky cần được hình thành. Lớp Au tăng, tầm quan trọng của vật liệu này đã trở nên có độ dày 70 nm cho diode Schottky được lắng rõ rệt hơn. Khi nhu cầu về vật liệu hoàn hảo, việc đọng trên tấm wafer GaAs bằng cách bay hơi nhiệt hiểu được những điểm không hoàn hảo này là cần với mặt nạ bóng. Sơ đồ của diode GaAs Schottky thiết hơn bao giờ hết. Một số phương pháp được được thể hiện trong Hình 2.1. sử dụng để kiểm tra các khuyết tật bản địa trong Hệ thống DLTS bao gồm một bộ điều nhiệt với GaAs cung cấp cho chúng ta một cái nhìn tổng nhiệt độ được điều khiển bởi bộ điều khiển nhiệt quan về các khuyết tật nội tại được hình thành độ, một máy đo điện dung HP 4280A, một máy trong số lượng lớn GaAs: chỗ trống As và Ga phát xung và PC với labview. Chế độ bên trong (VAs, VGa), xen kẽ (Asi, Gai) và phản ứng trùng được sử dụng để đo điện áp điện dung và quá độ (AsGa, GaAs). Những khiếm khuyết này tuy đơn điện dung phụ thuộc thời gian với 64 điểm và thời giản nhưng lại thể hiện rất nhiều hành vi với các gian lấy mẫu là 50 ms. Nhiệt độ đo được thay đổi mức độ cục bộ khác nhau trong khoảng cấm. Mặt liên tục từ 160K đến 325K bằng cách sử dụng thiết khác, ngay cả khi vật liệu được trồng cố ý không bị đông lạnh chu trình kín. pha tạp chất, các tạp chất vệ tinh như C và Si vẫn có mặt do nhiễm bẩn từ các vật chứa than chì và *ThS.Trường Đại học Hàng hải Việt Nam TẠP CHÍ KHOA HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ - SỐ 25 QUÝ II/2023 67
Quá trình 1 ở hiệu điện thế 0V, các electron bị bắt vào các tầng sâu. Điện dung tăng KHOA HỌC CÔNG NGHỆ do sự sụp đổ của lớp nghèo. Khi áp dụng VR phân cực ngược cho mẫu và nó giảm trong một Hình 2.2. Cơ chế của quá trình phát xạ ngắn về không. Các điện tử sẽ dịch chuyển vào vùng suy giảm và các điện tử ở tầng sâu bắt Hình 2.1. Sơ đồ của diode Schottkytrình 1 ở hiệu điện thếQuá trình electron điện thế 0V, cáctầng sâu. bị Quá n-GaAs 0V, các 1 ở hiệu bị bắt vào các electron Điện dung t bắt vào các tầng sâu. Điện dung tăng mạnh là do xạ bằng cách phát xạ nhiệt. Điện dung giữa của lớp nghèo. Khi áp tiếp điểm Schottky giống nh sự sụp đổ hai điện cực của các dụng V phân cực do sự sụp đổ của lớp nghèo. Khi áp dụng VR phân cực ngược cho mẫu và nó giảm trong m R ngược cho mẫu và nó giảm trong một thời gian bản song song: C = εAđiện tử sẽεdịch chuyểnđiện vùngcủatửgiảm và cácdẫn và W tầng sâu ngắn về không. Các /W. Với ngắn về không. Các điện vật liệu bán điệnvào ở là chiều là hằng số vào môi suy sẽ dịch chuyển tử vùng suy giảm và các điện tử ở tầng sâu bắt đầu giảm.bằng cáchchất mang ở rìa của dung giữagiảm được xạcủa các tiếp dung giữa xạ Nồng độ phát xạ nhiệt. Điện vùng suy hai điện cực nhiệt. bằng: điểm Schottky giống phát xạ bằng cách phát biểu thị Điện hai điện cực của các tiếp điểm Schottky giống như bản song song: C = εA /W. Với ε là hằng số điện môi của vật liệu bán dẫn và W là chi tụ điện bản song song: C = εA /W. Với ε là hằng số 2 thị 1 giảm. Nồng độ chất mang ở rìađiện môi của vật liệu được biểu thị là chiều rộng của vùng suy giảm bán dẫn và W bằng: giảm được biểu [ bằng: 𝑁𝑁(𝑊𝑊) = ] (4) suy giảm. Nồng độ chất mang ở rìa của vùng suy 𝑞𝑞𝜀𝜀 𝑠𝑠 𝑑𝑑 ( 1 ) /𝑑𝑑𝑑𝑑 2.2. Kết quả và thảo luận 𝐶𝐶 2.2.1. Lý thuyết DLTS 2 2 1 Khi chúng ta đặt một điện áp ngược, có sự thay 𝑁𝑁(𝑊𝑊) = [ ] (4) 𝑞𝑞𝜀𝜀 𝑠𝑠 𝑑𝑑 ( 1 ) /𝑑𝑑𝑑𝑑 đổi trong chiều rộng suy giảm gây ra sự thay đổi về số lượng hạt tải điện tự do trên đường giao nhau, dẫn đến sự thay đổi trong điện dung. Độ chênh lệch về điện 𝐶𝐶 2 dung giữa hai thời điểm t1 và t2 là ΔC = C (t1) –C (t2). Bằng cách xem xét sự thay đổi theo thời gian của mật độ khuyết tật, NT được đưa ra b ΔC được cho bởi tốc độ phát xạ electron sau: Bằng cách xem xét sự thay đổi theo thời gian ΔC = C (t1) –C (t2) = Ci [exp (-ent1) - exp (-ent2)] (1) của mật độ khuyết tật, NT được đưa ra bởi: Khi nhiệt độ (T) của hệ thống đocách xemthì ΔC thay đổi theo thời gian của mật độ khuyết tật, N T được đưa Bằng thay đổi xét sự ∆𝐶𝐶(𝑡𝑡) 𝑁𝑁 𝑇𝑇 = 2𝑁𝑁 𝐷𝐷 (5) cũng thay đổi. Phổ của ΔC qua T được gọi là tín hiệu 𝐶𝐶(∞) DLTS. Tại một T xác định, ΔC đạt cực đại với tốc độ ∆𝐶𝐶(𝑡𝑡) phát xạ là: 𝑁𝑁 𝑇𝑇 = 2𝑁𝑁 𝐷𝐷 (5) 𝐶𝐶(∞) en = ln (t2 / t1) / (t2- t1) (2) Khi t1và t2 thay đổi thì nhiệt độ T để đạt cực đại ΔC 2.3. Các phép đo DLTS cho n-GaAs cũng khác nhau. Từ sự thay đổi của en và T ở cực đại Phép đo điện dung-điện áp (C-V) được sử ΔC, năng lượng hoạt hóa, tiết diện thu giữ các trạng dụng rộng rãi để đánh giá sự phân bố tạp chất tùy thái khuyết tật trong chất2.2. Các có thể đo DLTS cho n-GaAs bán dẫn phép được biểu ý được trình bày trong Hình 2.3a. Các số liệu được thị bằng: 2.2. Các phép đo DLTS trích n-GaAs kết quả của phép đo C-V của tấm cho xuất từ ln (en / T2) = ln (σn (T) A) - ΔE / (kBT) dung-điện áp (C-V) được sử dụng rộng rãi để đánh giá sự phân bố tạp c Phép đo điện (3) đế n-GaAs được sử dụng cho các phép đo DLTS với σn (T) là mặt cắt ngang, A làđo điện dung-điện áp (C-V) được sử dụng rộng rãi để đánh giá sự phân bố tạ Phép diện tích tiếp xúc thể hiện trong Hình 2.3b, Hình 2.3b minh họa sự Schottky, ΔE là năng lượng hoạt hóa và kB Hình 3a. Các số liệu được trích xuất từ kết quả của phép đo C-V của t được trình bày trong là hằng số phân bố hạt tải điện của n-GaAs được đo ở 300K. Bolzman. được trình bày trong Hình 3a. Các số liệu được trích xuất từ kết quả 16 cmphép đo C-V c Nồng độ pha tạp xuất hiện vào khoảng 10 của -3 và Cơ chế của quá trình phát sử dụng cho các đo đo DLTS thể hiện trong Hình 3b. Hình 3b minh họa sự ph GaAs được xạ đối với phép phép không đổi trong tất cả phạm vi suy giảm. Mật độ DLTS được (hình 2.2). GaAs được sử dụng cho các phép đo DLTS thể hiện trong Hình 3b. Hình 3b minh họa sự khuyết tật được biểu thị bằng nồng độ hạt tải và tín Hình 2.2. Cơ chế của quá trình phát xạ đo ở 300K. Nồng độ pha tạp xuất hiện vào khoảng 1016 cm-3 và k tải điện của n-GaAs được hiệu DLTS theo phương trình (5) là 7,2x1013 cm-3, tải điện của n-GaAs được đo ở 300K. Nồng độ pha tạp xuất hiện vào khoảng 1016 cm-3 v và đó là mật độ hợp lý. trong tất cả phạm vi suy giảm. Mật độ khuyết tật được biểu thị bằng nồngn-GaA, tải và tín hiệ Hình 2.3. (a) Đường cong điện dung của độ hạt trong tất cả phạm vi suy giảm. Mật độ khuyết tật được biểu thị bằng nồng độ hạt tải và tín (b) Nồng độ của hạt tải điện thông qua độ rộng dải theo phương trình (5)(5) 7,2x1013 cmcmvà đó đómật độ hợp lý. lý. theo phương trình là là 7,2x1013 , -3, và là là mật độ hợp -3 5 5 68 TẠP CHÍ KHOA HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ - SỐ 25 QUÝ II/2023
g mạnh là KHOA HỌC CÔNG NGHỆ thời gian đầu phát khuyết tật này, chúng tăng mạnh là tôi đã so sánh chúng với hư tụ điện các kết quả khác nhau một thời gian được báo cáo trong các rộng suy bắt đầu phát bài báo. Mức EL3 đo bằng GaA được cấy g như tụ điện boron, được chiếu xạ bằng điện tử, chiếu xạ γ iều rộng suy [4]. EL3 cũng được đề xuất chịu trách nhiệm về phức hợp của Asi và VA . 3. Kết luận Trong nghiên cứu Hình 2.4. (a) Phổ DLTS của n-GaAs này, các phép đo DLTS (b) Phổ DLTS ở các tốc độ phát xạ khác nhau cho tấm wafer n-GaAs với tốc độ phát xạ khác nhau. (c) Biểu đồ Arrhenius Nó bộc lộ một trạng thái khuyết tật với EL3 (EC bởi: -0,57eV) được coi là khuyết tật điểm - phức hợp của Asi và VAs trong tấm n-GaAs. Giải a ra bởi: pháp khả thi để giảm mật độ khuyết tật là tăng cường số lượng As trong quá trình chế tạo tấm n-GaAs. Chúng tôi tin rằng DLTS là một phương pháp hiệu quả để tìm ra nguồn gốc của các khuyết tật trong chất bán dẫn, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa chất lượng của vật liệu chất tùy ý bán dẫn. ạp chất tùy ý tấm đế n- Tài liệu tham khảo của tấm đế n- 1. K. Nakayama, K. Ta- hân bố hạt Phổ DLTS của dị cấu trúc n-GaAs được đo ở vùng nabe, H. A. Atwater (2008), Appl. Phys. Lett. Vol. 93, ự phân bố hạt độ cao từ 160K đến 325K (hình 2.4a). Độ lệch nhiệt 121904. không đổi xung được cố định ở 1V, và độ phân cực ngược hoặc 2. D. Robin, S. Smith, D. L. G. Eddison (1992), và không đổi áp đo là - 0,5V, và độ lệch của phép đo là - 2,5V. điện Advanced Materials Vol. 4, 1992, 12. ệu DLTS Rõ ràng là có một đỉnh DLTS quan trọng được quan 3. M. Kanieswka, Kanieswka (1985), J. Solid n hiệu DLTS sát ở 210K. Vị trí của đỉnh được chuyển sang nhiệt State Vol. 25,109. độ cao hơn khi tốc độ phát xạ tăng lên hình 2.4b. Dựa 4. J. R. Morante, A. Perez-Rodriguez, J. Samitier, trên sự thay đổi này, chúng ta có thể vẽ biểu đồ Ar- A. RomanoRodriguez (1991), J. Appl. Phys. Vol. 70, rhenius được thể hiện trong hình 2.4c. Năng lượng 4202. hoạt hóa và tiết diện bắt giữ thu được từ đồ thị Ar- 5. D. Stievenard, X. Boddaert, J. C. Bourgoin, rhenius lần lượt là 0,57eV và 1,43x10-13 cm2 tương H. J. von Baradeleben (1990), Phys. Rev. B Vol. 41, ứng với bẫy EL3. Để xác định nguồn gốc của hai loại 5271. TẠP CHÍ KHOA HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ - SỐ 25 QUÝ II/2023 69