氮化鎵磊晶矽離子佈植活化度之研究

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林平盛(Ping-Sheng Lin) 查詢紙本館藏

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物理學系

論文名稱

氮化鎵磊晶矽離子佈植活化度之研究
(Activation efficiency analysis of Si-Implanted n-GaN)

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摘要(中)

摘要
本實驗為研究氮化鋁保護層對活化矽離子佈植氮化鎵的影響。利用氮化鋁作為保護層，可減少氮化鎵在高溫熱退火中表面氮的損失，進而提升在較高活化溫度實現高活化率。
我們在室溫下利用氮化鋁靶材射頻濺鍍成長氮化鋁薄膜，發現增加濺鍍功率和氬氣流率可提高氮的含量，使得氮和鋁含量比例更接近實際的氮化鋁薄膜，其特性在高溫下更為穩定，所以更適合作為高溫活化的保護層。
在使用氮化鋁保護層活化矽離子佈植氮化鎵的實驗中，未加氮化鋁保護層的試片僅能做熱退火至1100℃，其活化率約為25％，在更高的熱退火溫度中，活化率因氮化鎵表面的破壞明顯下降。反觀有加氮化鋁保護層的試片則可做熱退火至1200℃，其活化率則明顯提升到75％。

摘要(英)

Abstract
The application of AlN capping layer on Si-implanted GaN was studied. Under high temperature annealing, AlN capping layer can decreases the loss of nitrogen from GaN surface, and achieve high activation efficiency.
We use Aluminum Nitride (AlN) as target material of radio-frequency sputter to grow the AlN films at room temperature. While increasing RF power and gas flow rate of Ar, we find that can increases the percentage of nitrogen in AlN films. These AlN films are suitable for the capping layer due to the high stability under high temperature annealing environment.
The activation efficiency is about 25% of samples without AlN capping layer annealed at 1100℃. The activation efficiency will obviously drop because of the destruction of the GaN surface at temperature higher than 1150℃. However, samples with AlN capping layer annealed at 1200℃, the activation efficiency can be 75%.

關鍵字(中)

★ 矽
★ 氮化鎵
★ 氮化鋁

關鍵字(英)

★ GaN
★ Si
★ AlN

論文目次

目錄
摘要 (中文)………………………………………………………………………..Ⅰ
摘要 (英文)………………………………………………………………………..Ⅱ
致謝………………………………………………………………………………..Ⅲ
目錄…………………………………………………………………………...…...Ⅴ
圖目錄………………………………………………………………………….…..Ⅷ
表目錄…………………………………………………………………….……………………...ⅩⅠ
第一章導論……………………………………………………………………....1
第二章實驗原理與儀器分析………………………………………………...3
2-1離子佈植的基本理論及系統…………………………..………..…3
2-2氮化鋁薄膜性質與成長………………………………………..……4
2-2-1氮化鋁的結構與性質…………………………………………4
2-2-2氮化鋁的薄膜成長機制………………………………............4
2-3 濺鍍………………………………………………………………….….5
2-3-1濺鍍的原理……………………………………………………..5
2-3-2射頻濺鍍法的原理與特性…………………………….…..…7
2-4 X射線光電子能譜儀………………………………………………...8
2-5霍爾效應………………………………………………………………10
2-6 儀器分析方法………………………………………………..............11
2-6-1薄膜元素組成及縱深含量…………………………………..11
2-6-2 薄膜厚度分析…………………………………………………12
2-6-3 氮化鎵表面粗度分析………………………………………..12
2-6-4電性量測分析………………………………………………….12
第三章實驗製程的方法……………………………………………..………16
3-1試片清洗…………………………………………………….……..….16
3-2離子佈植製程….………………………………………..…....……...16
3-3氮化鋁薄膜的濺鍍……………...……………………......................17
3-4高溫活化熱處理……………………………..…………….………...18
3-5蝕刻氮化鋁保護層…………………………….................................19
第四章實驗結果與討論..................................................................................22
4-1改變氮化鋁成長條件對活化的影響……………………….…...22
4-1-1氮化鋁薄膜之成分分析……………….................................22
4-1-2氮化鋁保護活化後的電性量測結果……………..…...…23
4-1-3討論………………………………..............................................24
4-2改變氮化鋁厚度對活化的影響………………………………......24
4-2-1不同厚度的氮化鋁保護活化後的電性量測結果……..25
4-2-2氮化鋁保護活化後的表面粗度…………………………...26
4-2-3氮化鋁保護活化後的變溫霍爾量測…………………….28
4-2-4討論……………………..............................................................31
第五章結論與未來展望……………………………………………………..51
5-1 結論………………………………………………………..……...…...51
5-2 未來展望………………………….….................................................52
Reference…………………………………………………………………….…...53
圖目錄
圖2-1離子佈植機系統配置圖.......................................................................13
圖2-2外加一直流偏壓下，其電漿環境示意圖………………………...14
圖2-3 XPS 原理示意圖....................................................................................14
圖2-4霍爾量測示意圖.....................................................................................15
圖3-1以LSS模擬三重28Si+劑量分佈圖………………………...………20
圖3-2濺鍍機示意圖..........................................................................................21
圖3-3高溫退火爐裝置圖…………………………………………………….21
圖4-1改變氮化鋁成長條件對活化的影響實驗流程圖……………….33
圖4-2 RF800W, Ar 20sccm條件下濺鍍氮化鋁薄膜之XPS能譜圖.34
圖4-3 RF800W, Ar 20sccm條件下濺鍍氮化鋁薄膜之縱深XPS能譜圖
………………………………………………………………………………35
圖4-4-(a)RF800W, Ar 20sccm條件下濺鍍氮化鋁薄膜之縱深與原子組
成關係圖……………………………………………………………..…35
(b)RF600W, Ar 5sccm條件下濺鍍氮化鋁薄膜之縱深與原子組成關係圖……………………………………………………………...…36
(c)RF600W, Ar 20sccm條件下濺鍍氮化鋁薄膜之縱深與原子組成關係圖……………………………………………………………...…36
(d)RF800W, Ar 5sccm條件下濺鍍氮化鋁薄膜之縱深與原子組成關係圖……………………………………………………………...…37
(e)RF400W, Ar 5sccm條件下濺鍍氮化鋁薄膜之縱深與原子組成關係圖……………………………………………………………...…37
圖4-5氮化鎵片載子濃度對活化溫度關係圖………………………..….39
圖4-6氮化鎵片電阻對活化溫度關係圖………………..……………..….39
圖4-7改變氮化鋁厚度對活化的影響實驗流程圖……………………..40
圖4-8氮化鋁薄膜SEM剖面圖(a)AlN thickness 140nm (b)AlN
thickness 360nm (c)AlN thickness 660nm………………………...41
圖4-9氮化鎵片載子濃度對活化溫度關係圖………………………...…43
圖4-10氮化鎵片電阻對活化溫度關係圖………………………...…...…43
圖4-11以AFM掃描(範圍2μm×2μm)uncap與660nm cap的氮化鎵
試片結果……………………………………………………...……...…45
圖4-12片載子濃度和電子遷移率對活化溫度關係圖…………….…..46
圖4-13電子濃度對溫度變化圖(厚度660nm AlN capped)…………...47
圖4-14電子濃度對溫度變化圖(uncapped) …………...............................47
圖4-15載子濃度與有效態位密度對溫度倒數關係圖………………...48
圖4-16非簡併(nondegenerate)和簡併(degenerate)n型半導體簡化能帶圖………………………………………………………………………....48
圖4-17 片載子濃度對活化溫度倒數關係圖………………....................49
圖4-18 電子遷移率對溫度變化圖(厚度660nm AlN capped)…….....50
圖4-19電子遷移率對溫度變化圖(uncapped) ………………………......50
表目錄
表4-1氮化鋁不同成長條件的實驗參數…………………………...….…34
表4-2氮化鋁保護活化後的電性量測結果………………………...….…38
表4-3氮化鋁保護活化後的電性量測結果…………………………....…34
表4-4 活化條件和試片特性……………………………………..……….…42

參考文獻

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[22]施敏?b導體元件物理與製作技術 p.96.
[23]Donald A Neamen 譯李世鴻,陳勝利, 半導體物理元件 2nd, p.116.

指導教授

紀國鐘(Guo-Chung Chi)

審核日期

2005-7-25

推文