氧對砷化鎵的影響

最早有關氧在半導體材料中的研究是氧在矽晶圓中的影響，氧在矽晶 圓中的可以藉由二種方式，第一、氧原子以插入型原子和相鄰的二個矽原 子形成 Si2O，插入型的鍵結對矽晶圓來說是穩定的且電性不活潑，是矽晶 圓當中主要的缺陷形式。第二、氧原子以置換型原子方式存在，藉由插入 型原子所引起的空孔捕捉，形成(V-O)缺陷，作為淨受體，氧在砷化鎵中的 穩定位置與影響可以從文獻^[29]中得知，

圖 4.13 砷化鎵內部位置示意圖^[29]

圖 4.13 在 砷 化 鎵 中 的 移 動 位 置 ， 中 ＂Td＂ 代 表 晶 格 四 面 體 的 位 置、＂H＂代表六方體的插入型位置、＂BC＂代表砷原子與鎵原子互相鍵結 的中心位置、＂C＂代表四面體位置，＂Td(III)＂代表與鄰近三個砷化鎵 原子所組成的菱形體中心位置、＂M＂的位置在 C(As)和 C(As)中間，M 不是 位於(110)平面

為了求得最穩定的位置，也需要把 Fermi-level effect 列入考慮。結 果顯示氧原子在沒有摻雜其他原子的狀況下，可以形成二種穩定的結

構:Ga-O-Ga 和 Ga-O-As。文獻中提到，當砷化鎵晶圓為 N-type 時，氧 (Ohmic contact)，實驗上我們是使用 Cr/Au (2000A/300A) 作為電極，且 使用鍍雙面的方式來量測電性，而用來量測電性的機台為 KETHLEY 4200。

在一開始實驗上遇到了很大的問題，原因是因為在網格狀結構的周 圍，會有很多互相垂直交錯的長條型溝槽，而在鍍附金屬的過程當中，無 法避免會有部分的金屬鍍附到溝槽中，這些溝槽裡的金屬會使得電性量測 的時候電流並不會如我們預期的經過試片的介面處，會形成有如短路一般 的新的捷徑，如此一來我們就無法得到所想要量測到的介面的電性研究。

最後解決的方法有兩種：(1)我們利用光阻來填補溝槽的範圍，試圖讓 金屬即使會鍍附到溝槽的部分，也可以藉由浸泡丙酮溶液且使用超音波震 盪器將溝槽的光阻震落，整體完整的試片的製作過程與上述 3.6 小節的試 片製作流程圖相同；(2)將真空膠切割成很細小的長條狀，再將網格狀結構 的試片表面處有溝槽的地方黏貼住，如此一來可以有效的避免金屬鍍附在 溝槽的內部，所以可以得到我們想要的正確的電性分析。

在本實驗中兩組不同的試片接合，其電性量測的試片製備並不相同，

其中，在 N-GaAs / P-GaAs 的試片中是採用上述第二種方法；而另外一組 N-GaAs / N-Ge 的試片則是採取了上述第一種方法，接著以下分別討論兩組 試片的電性分析：

在第一組的實驗中 (N-GaAs/P-GaAs) ，量測時 P-GaAs 端接地，偏壓 來源全部加在 N-GaAs 這端，量測結果如下：

圖 4.14 P-GaAs / N-GaAs 電性量測結果

將電性量測結果分成兩個部分來觀察，在順相偏壓的部分，可以得知 當退火溫度從 600℃升高到 800℃的過程，所需要的起始電壓(Turn on voltage)是逐漸的變小；而在反相偏壓的部分，當退火溫度從 600℃升高到 700℃的時候，崩潰電壓(Break down voltage)有變大的趨勢，但是從 700

℃升高到 800℃的時候，崩潰電壓反而有下降的趨勢。

首先從順相偏壓的部分著手討論：在一個理想的二極體，其內建電位

圖 4.15 GaAs 對壓力與溫度、時間變化圖 – 1^[30]

圖 4.16 GaAs 對壓力與溫度、時間變化圖 – 2^[30]

由圖 4.15 與 4.16 我們可以得知：在溫度升高到 143℃就開始可以測得 (Residual acceptors)，使得外表面的多數載子 (電子)濃度降低。另外，

在接合介面處的非晶質層中所含有氧原子的擴散，也會造成試片內部載子 的濃度下降：由於本時驗所使用的 N-GaAs 試片內部的參雜是 Si，而在退火 溫度升高的過程中，非晶質層中的氧原子會往兩邊 GaAs 試片的內部擴散，

而這些原子擴散的過程中，會跟 N-GaAs 內部的施體 (Si)形成複合的化合

物，如此一來，使得 Si 的參雜濃度降低。所以，氧原子在 GaAs 的試片內

圖 4.17 600℃接合介面 圖 4.18 700℃接合介面

圖 4.19 800℃接合介面

由上面三接合介面圖所示，在中間的非晶質層由原本一整層層狀結 構，藉由溫度的升高，一邊慢慢的變薄、一邊沿著介面方向聚集，

到高溫時甚至會有接合完美的區域出現。而在接合過程所形成的中間非晶 質層在順向偏壓電性上，可以將之當作一絕緣層(Insulator) ，而這層非 晶質結構就會形成一個障礙，去阻擋載子的流通，這表示在順相偏壓的時 候，啟始電壓除了要克服內建電位以外，還必須要克服在接合介面處的這

一層非晶質結構，當溫度逐漸升高的時候，介面的非晶質區域逐漸的變薄、

聚集之下，形成了有完美接合的區域，在接合完美的區域內載子不會被阻 擋住，所以啟始電壓只需要克服其因載子濃度所造成的內建電位，如此一 來也可以解釋當退火溫度升高的時候，啟始電壓會有下降的現象。

接著繼續討論反向偏壓的部分，在反向偏壓的部分可以觀察到當退火 溫度從 600℃升高到 700℃的時候，崩潰電壓(Breakdown voltage)有變大 的趨勢，但是從 700℃升高到 800℃的時候，崩潰電壓卻反而有下降的趨勢。

在第二組的實驗中 (N-GaAs/N-Ge) ，量測時 N-Ge 端接地，偏壓來源 全部加在 N-GaAs 這端，量測結果如下：

圖 4.20 N-GaAs / N-Ge 電性量測結果

由圖 4.20 中可以看出：三種溫度的電性圖，在順向偏壓方面，電性的 表現都差不多，而 600℃的電阻值比起 700℃與 800℃是有略低一些些的現 象；在反向偏壓部分，出現了類似崩潰電流的現象，負偏壓加到大約-2.5v 左右才開始有比較大的負電流出現，且當溫度逐漸升高的時候，產生負電 流所需要的電壓逐漸的變大，其中以 800^oC 的圖形擁有 Break down voltage 最大。

從文獻中得知^[33]，當在 GaAs 表面磊晶一層 Ge 的時候，Ge 與 GaAs 之間 擴散的情形可以由下圖中得知：

圖 4.21 Ge/GaAs 磊晶界面的 SIMS 分析圖^[33]

由上圖 4.21 可以明顯的觀察到，當 Ge 磊晶在 GaAs 上的過程中，幾乎 沒有 As 原子與 Ga 原子有擴散進入 Ge 的情況發生；而在 GaAs 試片的內部 則是有 Ge 的訊號出現，而在此時 Ge 擴散進入 GaAs 的內部可以視為一種雜 質濃度，所以在接近 GaAs 表面約 150-200nm 深度的附近，有許多 Ge 進入，

可能會造成一些缺陷的產生。

在本實驗中，當退火溫度升高的時候，原子擴散的速率增加，Ge 擴散 進入 GaAs 的量也會逐漸提高，因此用來解釋在反向偏壓的時候，產生負電 流所需的電壓隨著溫度的升高而變大的現象。

五、結論

六、未來工作

在 N-GaAs / P-GaAs 的晶圓接合方面，可以繼續藉由改變試片的條件 來觀察介面型態變化或者是電性分析的不同，例如：使用反相接合的方式 來比較本實驗中順相接合方式的不同處；或者是不使用表面的網格狀結 構，來比較與有使用網格狀結構的差異性。

另外在 N-GaAs / N-Ge 的部分，首先要先將接合介面圖(TEM)的數據補 齊，另外還有釐清電性分析的部分，在不同溫度下變化的詳細原因，看是 否能將電性部分跟接合介面形貌以理論來做連接，來完整的解釋所有的實 驗數據。而後續也可以嘗試用不同的試片：例如 N-GaAs / P-Ge 或者是 P-GaAs / P-Ge 來觀察比較其中的同異處。

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