相關文獻

此節首先介紹文獻中量測 MOS 元件的方法與量測的特性，接著介紹 KFM 在半導體元件上的應用。本實驗則是以 KFM 為工具，試著量出並解釋 MOS 元 件的一些特性。

1.3.1 以電容偵測器量測氧化層上的捕捉電荷(Trapped charge)

H. C. Casey等[2]，驗證離子晶格的GaN在介面上比共價晶格的GaAs有較小 的表面態。他們的樣品製作方式是：藍寶石(sapphire)基板上，以 600⁰C長 19nm 的GaN，增加溫度至 1050⁰C，再以2.5µm /h的速度沉澱1.2µm的GaN。然後 300⁰C 的溫度下，在GaN上長一層SiO2，最後再鍍 200nm的鋁薄膜當閘極。以電容偵測 器量出電容與閘極電壓之間的關係圖，見圖 1.6。

圖 1.6 C-V 曲線(本圖取自 Appl. Phys. Lett. 68,1850(1996)) 由圖 1.6 得知V_FB =−2.35v，帶入 1.2.3 (5)式

ox o ms

FB C

V =

φ

得氧化層總有效電荷Q0 =8.9×10¹¹cm⁻²

K. A. Abdulla等[3]，是探討製程溫度對表面態的影響。樣品製作方式為：

Si(100)基板上以不同溫度(200 and 600⁰C)長GaN薄膜，在自然的情況下GaN薄膜 上會形成小於 5nm的氧化層。氧化層在製程上有幾個重要的角色，例如：鈍化半 導體表面；讓半導體能選擇區域參雜雜質；為半導體元件絕緣的材料；保護半導 體元件免於環境的污染….等等。接著在氧化層上鍍鋁薄膜當閘級，以電容偵測 器偵測MOS元件的C-V圖，如圖 1.7。由圖 1.7 C-V曲線，得知 200⁰C製程的樣品 平帶電壓(flat band voltage)與臨界電壓(threshold voltage)為 1.72v和-4.95v；600⁰C 製程的樣品平帶電壓與臨界電壓為-0.65v和-4.01v。在由 1.2.3 (5)式：

ox o ms

FB C

V =

φ

求出氧化層的總有效電荷，結果為 200⁰C製程的樣品 ；

600

2 10 0 =2.72×10 cm⁻ Q

0C製程的樣品 。可發現低溫成長的GaN具較小的氧化層總

有效電荷。

2 10 0 =2.82×10 cm⁻ Q

圖 1.7 以GaN當半導體製成的MOS元件之電容-電壓圖(a)GaN成長溫度 200⁰C(b)600⁰C(本圖取自Microelectronic Engineering 81,201(2005) )

1.3.2 表面電位顯微鏡的應用

表面電位顯微鏡主要是利用材質間的功函數(work function)差異，量出各材 質與探針的功函數差，判斷其在元件上的分佈。O. Douheret 等[5]利用此特性作 了以下的實驗：以 KFM 觀察 cross-sectional 的 InGaAs/InP QWs。圖 1.8(a)兩條 比較亮的即是 InGaAs 量子井，其中 QW1 寬度 20nm；QW2 寬度 5nm。周圍較 暗的即是 InP。由圖 1.8(b)可看出 InGaAs 與 InP 的 CPD 差為 230mV。

圖 1.8 用 KFM 所量測的 InGaAs/InP QW 圖中有兩個 QWs(a)是 CPD 圖 ( )(b)是取單一條的電位圖。(本圖取自 Appl. Phys. Lett.

85,5245(2004)) mV CP=230

∆

我們也針對這個特性，作了 InAs/GaAs QDs 的 CPD 量測，見附錄一。

除了儀器直接量測的 CPD 圖外，把量到的 CPD 曲線對掃描位置 x 軸作一次 維分，得到電場對掃描位置的相對圖。利用電場的分佈來探討各材質的分佈位置 也是一個很有效的工具，此方法可以明顯的看出材質與材質的交接面。F. Ronin 等[6]以 KFM 來量測 p-i-n 雷射，所使用的樣品為 n-doped InP substrate；intrinsic InGaAsP 220nm；p-doped InP，把樣品剖開其地勢高低圖見圖 1.9。 圖 1.10 是量

測的 CPD 圖，由圖(a)可發現 n 的電位比 p 的電位高了 600mV，i 的區域並不明 顯。圖 1.10(b)是沿 A-A”作電位對位置的一次微分得到電場分佈圖，此圖有 peak 的地方即是材質間的交接面，可明顯的看出中間有兩個 peak，peak 與 peak 間 220nm 即是 intrinsic InGaAsP。此方法是利用各材質的電位曲率不同判斷出交接 面。

圖 1.9 AFM 量測樣品 p-i-n laser 的地勢高低圖(本圖取自 Appl. Phys. Lett.

76,2907(2000))

圖 1.10 用 KFM 量測 p-i-n 雷射的 CPD 圖(a)電位圖(b)由位置 A~A”的電場圖。(本 圖取自 Appl. Phys. Lett. 76,2907(2000))

我們也有針對此特性，作不同材質 p-i-n 雷射的量測，見附錄二。

接著，R. Shikler 等[7]以 KFM 量測作用中的 p-n 二極體。即是在樣品正反面 鍍金屬薄膜當電極，改變外加偏壓且同時量測 CPD 的變化。實驗方法如圖 1.11，

實驗結果如圖 1.12。很明顯的看到 CPD 值隨外加偏壓改變而升降，利用此種特 性，可以觀測許多的物理現象。例如，圖 1.12 外加偏壓為 1.66v 時，n 與 p 的電 位近乎相同，可知 1.66v 即是 p-n 二極體的自建電位差(built-in potential)與表面態 的總合。自建電位差可由理論計算求出，即可得到因表面態所影響的電位值。

圖 1.11 以 KFM 量測外加偏壓的 p-n 二極體(本圖取自 J. Appl. Phys. 86,107(1999))

圖 1.12 p-n 二極體在外加九個不同偏壓時的電位分佈圖(本圖取自 J. Appl. Phys.

86,107(1999))