氮離子佈植於氮化鎵之特性研究

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黃金鍾(Jing-Chung Huang) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

氮離子佈植於氮化鎵之特性研究

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摘要(中)

本文的實驗是研究氮離子佈植於n型氮化鎵的特性研究，以不同的佈植濃度1e11、1e12、1e13、1e14、1e15cm-2之疊加，造成5e16、5e17、5e19cm-3之佈植濃度，佈植在濃度為3.3e16cm-3、1.4e17cm-3、2.8e18cm-3之n型氮化鎵試片上﹔藉以了解氮離子佈植後的氮化鎵試片特性。利用光激發螢光光譜(photoluminescence)的量測顯示，氮離子之佈植不會增進氮化鎵之發光機制﹔由拉曼(Raman) 量測顯示，在離子佈植濃度超過5x1017cm-3時，佈植之表面才會對於拉曼光譜產生影響，藉由A1(LO)模之變化發現，氮離子佈植後在熱處理之後會填補與A1(LO)相關之缺陷。
在電性方面，由蕭特基二極體之內阻計算可得在離子佈植之後電阻明顯的隨佈植濃度上升而上升，在5e19cm-3之佈植量可造成1e10之高電阻，而且在750oC有熱穩定性。由電容-電壓(C-V)量測結果顯示，在低濃度氮離子佈植至低濃度之試片上可以在表面增加電子的濃度，經由DLTS之量測結果，發現是產生高濃度氮的空缺(VN)所導致。而在高濃度之佈植，不同濃度試片會在750oC 30分鐘的加熱後在拉曼光譜中360cm-1位置會有一種新振動模式產生，經由DLTS之分析結果我們認為是與氮化鎵結構相關之缺陷，其能階位置在導電帶以下0.465eV，缺陷截面積3.5e-17cm2。

關鍵字(中)

★ 氮化鎵
★ 離子佈植
★ 深層能階暫態光譜

關鍵字(英)

★ GaN
★ implantation
★ DLTS

論文目次

中文摘要…………………………………………………………………1
目錄………………………………………………………………………2
圖目錄……………………………………………………………………5
表目錄……………………………………………………………………7
第一章緒論…………………………………………………………….8
1.1背景及研究動機………………………………………………….8
1.2 實驗目的……………………………………………………….9
第二章量測系統與原理簡介…………………………………………10
2-1離子佈植簡述………………………………………………… 10
2-2量測系統與原理概述…………………………………………..11
2-2-1 光激光量測(PL)…………………………………………. 11
2-2-1-1光激發螢光法 (PL)……………………………..…….11
2-2-1-2 光激光量測原理…………………………………….…11
2-2-1-3光子在能帶間之躍遷型式………………………..……12
2-2-1-4能隙隨溫度及摻雜濃度影響之變化………………..…13
2-3 XRD量測…………………………………………………….14
2-3-1 XRD量測…………………………………………….…….15
2-4 拉曼光譜量測………………………………………………16
2-4-1拉曼光譜量測…………………………..………………..16
2-4-2拉曼光譜原理………………………………….…….…..16
2-4-3聲子振動模式……………………………………..………17
2-5 電容-電壓量測………………………………………..…..17
2-6 深層能階暫態能譜…………………………………….…..18
2-6-1 DLTS緒論………………………………………..….……18
2-6-2 DLTS原理……………………………………….…..…..19
2-6-3 缺陷活化能、缺陷濃度及載子截面積的測定……...….22
第三章實驗方法及量測步驟…………………………………………24
3-1實驗準備……………………………………………..…..…24
3-2實驗步驟……………………………………………...…….24
3-3氮化鎵蕭特基二極體製作………………………..….…….26
第四章結果與討論……………………………………………………29
4-1 電阻係數之討論……………………………………..…....29
4-2 電容電壓量測分析…………………………….…..….….30
4-3 XRD量測分析………………………………………..….…31
4-4 拉曼量測分析…………………………….……….……….33
4-4-1拉曼光譜…………………………………………….…….33
4-4-2拉曼光譜與離子佈植……………………….………..….33
4-4-3拉曼光譜與A1(LO)模……………………….……….….34
4-4-4高濃度離子佈植與拉曼光譜……………………………..37
4-5 光激光(PL)量測分析……………………………….….….38
4-6 DLTS量測分析………………………………………………40
4-6-1 缺陷能階之分析……………………………….………..40
4-6-2 高濃度佈植之缺陷分析……………………….………..44
第五章結論……………………………………………………………48
參考文獻……………………………………………………………….51
附圖
圖2.1 典型DLTS裝置圖……………………………………………….55
圖2.2 外加電壓脈衝及電容暫態變化與時間關係之示意圖……….55
圖2.3 在脈衝偏壓下多數載子缺陷捕捉及發射電子變化之情形….56
圖2.4 速率窗之內所觀察到之電容暫態變化圖…………………….56
圖3.1 模擬均勻離子佈植層圖……………………………………….57
圖3.2 schottky二極體之製作流程………………………………….58
圖3.3 schottky二極體之製作流程………………………………….59
圖3.4 schottky二極體元件上視圖………………………………….60
圖4.1 不同氮離子佈植於不同濃度氮化鎵試片之電阻係數圖…….61
圖4.2 不同氮離子濃度佈植於不同濃度氮化鎵試片熱處理
750oC 30分鐘之電阻係數圖…………………….………...61
圖4.3 5x1016cm-3之氮離子佈植於3.3x1016cm-3之C-V總圖……….62
圖4.4 5x1017cm-3之氮離子佈植於3.3x1016cm-3之C-V總圖…………63
圖4.5 5x1019cm-3之氮離子佈植於3.3x1016cm-3之C-V總圖…………64
圖4.6 5x1016cm-3之氮離子佈植於1.4x1017cm-3之C-V總圖…………65
圖4.7 5x1017cm-3之氮離子佈植於1.4x1017cm-3之C-V總圖…………66
圖4.8 5x1019cm-3之氮離子佈植於1.4x1017cm-3之C-V總圖…………67
圖4.9(a) 氮離子佈植於氮化鎵之X-ray normal scan………………68
圖4.9(b) 不同濃度之氮離子佈植於氮化鎵X-ray normal scan……68
圖4.10(a)不同濃度氮離子佈植3.3x1016cm-3氮化鎵試片
之拉曼光譜………………………………………………………….69
圖4.10(b)不同濃度氮離子佈植1.4x1017cm-3氮化鎵試片
之拉曼光譜………………………………………………………….69
圖4.10(c)不同濃度氮離子佈植2.8x1018cm-3氮化鎵試片
之拉曼光譜………………………………………………………….70
圖4.11 不同濃度氮化鎵試片之拉曼光譜圖…………………………70
圖4.12 氮離子佈植1.4x1017cm-3之氮化鎵試片之A1(LO)模總圖….71
圖4.13 氮離子佈植3.3x1016cm-3之氮化鎵試片之A1(LO)模總圖….72
圖4.14 氮離子佈植2.8x1018cm-3之氮化鎵試片之A1(LO)模總圖….73
圖4.15 高濃度佈植於不同濃度試片750oC 30分鐘之拉曼光譜圖…74
圖4.16 室溫下3.3x1016cm-3氮化鎵試片之PL光譜總圖…………..74
圖4.17 室溫下1.4x1017cm-3氮化鎵試片之PL光譜總圖…………….75
圖4.18 室溫下2.8x1018cm-3氮化鎵試片之PL光譜總圖…………….75
圖4.19 低溫下5x1016cm-3之氮離子佈植，在750oC 30分鐘
熱處理後之PL光譜圖……..……………………………..76
圖4.20 undoped 氮化鎵試片之DLTS訊號圖………………………..77
圖4.21 1.4x1017cm-3 氮化鎵試片之DLTS訊號圖…………………….77
圖4.22 5x1016cm-3佈植於3.3x1016cm-3氮化鎵試片之DLTS訊號圖…78
圖4.23 5x1017cm-3佈植於1.4x1017cm-3氮化鎵試片之DLTS訊號圖…78
圖4.24 5x1016cm-3佈植於3.3x1016cm-3氮化鎵試片，
熱處理750oC 30分鐘之DLTS訊號圖……………………….79
圖4.25 5x1017cm-3佈植於1.4x1017cm-3氮化鎵試片，
熱處理750oC 30分鐘之DLTS訊號圖……..……………….79
圖4.26 高濃度氮離子佈植於undoped氮化鎵試片，
熱處理750oC 30分鐘之DLTS訊號圖……………………….80
圖4.27高濃度氮離子佈植於1.4x1017cm-3氮化鎵試片，
熱處理750oC 30分鐘之DLTS訊號圖……………………….80
圖4.28高濃度氮離子佈植於2.8x1018cm-3氮化鎵試片，
熱處理750oC 30分鐘之DLTS訊號圖……………………….81
表一氮離子佈植於氮化鎵之電阻率表…………………………….82
表二光激光譜黃光區與能帶邊緣輻射區強度之比值表………….83
表三 undoped與1.4x1017cm-3之氮化鎵試片之缺陷能階與濃度表.84
表四高濃度離子佈植，熱處理750oC 30分鐘後之缺陷能階與濃度表………………………………………………………….….85

參考文獻

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指導教授

李清庭(Ching-Ting Lee)

審核日期

2000-7-4

推文