結論

表面電位顯微鏡應用於量測半導體元件特性上有多種的功能。不僅可量測雜 質濃度；氧化層厚度；氧化層捕捉電荷等等一些元件的特性，亦能直觀的分辨元 件上各材質的分佈，經由量測到的電位圖對掃描軸 x 軸作一次微分所得到的電場 分佈圖，更能清楚的觀測出材質間的交界面。基於此，我們試著以表面電位顯微 鏡量測運作中的 MOS 元件，一方面研究不同材質之間因製程或劈開樣品所造成 的表面態，一方面希望能實際觀測 MOS 元件運作時的能帶。

樣品的準備方式是，n-type( )與 p-type( ) Si 上以 Wet-Oxidation 長上一層氧化層，以熱蒸鍍與電子槍蒸鍍方式在氧化層上方蒸鍍 金屬薄膜。最後將樣品劈開觀測樣品剖面。共有四組樣品(A)Ti -SiO2-p-type silicon；(B) Ti-SiO2-n type Si； (C) Al-SiO2-p-type Si ；(D) Al-SiO2-n-type Si。得 到以下幾點結論：

1014

7 . 1 ×

d =

N N_a =10¹⁵

1.劈開樣品的方法很重要，剖面的平坦與否會影響介面的捕捉電荷的多寡，因此 必須尋一種減低破壞樣品表面的方法。我們的方法是依循矽晶片(wafer)在不同方 向的鍵結位置，尋找長直的裂面，例如 Si(100)的晶片在 flat 方向[110]或與 flat 垂直的方向，矽與矽之間是形成整齊的 dimer row，所以我們沿這方向劈的話，

可得到一個較平坦的(011)剖面。相同的，Si(111)矽原子鍵結的方式是類似菱形的 7x7，因此我們在與其 flat 方向[1-10]夾 30 度或 60 度劈開，可得較平坦的剖面。

此外，我們發現在純水中進行劈開過程，可減少樣品表面的細紋，原因是水能減 低樣品劈開時所受的硬力(stress field)。

2. 電容偵測器偵測出 MOS 元件的 C-V 圖，可推出平帶電壓的大小，依平帶電 壓可推得氧化層上的總有效電荷。相同地，KFM 更能直接的依表面電位分佈圖 觀測出平帶電壓的位置，亦可推得氧化層上的總有效電荷。其値與理論值差異並

不大，因此 KFM 亦能用來探討 MOS 元件氧化層成長的好壞。

將N_a =3.36×10¹⁴cm⁻³代回 4.2.3 節(A)樣品，重新計算氧化層總有效電荷結果為

附錄一 以 KFM 量側 InAs/GaAs QDs

圖一 樣品剖面圖。將樣品劈開，由右邊看起，首先是我們為了防止探針掉下所 長上的光阻層；在來是 GaAs 500nm；接著是 2.04ML InAs/30nm GaAs 30 layers，

也就是總共範圍約為 900nm；最後是 GaAs 基板。

圖二 樣品的 CPD 圖。由右邊看起，黑色區域為光阻區；接著較亮的區域 GaAs 500nm；在來比較暗ㄧ點區域是 InAs QDs；最後亮的區域是基板的 GaAs。

Potential Distribution

Position (um)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

CPD (v)

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2

GaAs InAs QDs GaAs

PR

圖三 樣品的 CPD porfile 圖。將圖二取一條 profile 得圖三，與圖一比較可發現與 實際製程的位置大約雷同。InAs QDs 部分的 CPD 比 GaAs 低了約 0.1V，我們以 圖四解釋。

Evac Ec

0.71eV 0.693eV

Ec

Efi Efi

Ev Ev

GaAs InAs

圖四 樣品的能帶圖。由查表可知無參入雜質的 GaAs Eg=1.43eV，InAs Eg=0.4eV，∆ Ec=0.693eV，由此可推得 GaAs 與 InAs 的 CPD 值差約為 0.693+0.2-0.71=0.183eV，與我們實驗値量出的 0.1eV 相差不大。

附錄二 以 KFM 量側 p-i-n 雷射

圖五 樣品的剖面圖。將樣品劈開，由右邊開始為光阻；p-type GaAs 200nm；

AlGaAs 1000nm；InAs QDs 400nm；AlGaAs 1000nm；n-type GaAs 200nm；GaAs 基板。

圖六 p-i-n 雷射之 CPD 圖。圖中有明顯的兩塊長方形寬度大約 1 mµ 是 AlGaAs，

中間夾比較暗的是 InAs QDs，寬度約為 400nm，最左邊較暗處為 n-GaAs。

Potential Distribution

Position (um)

0 1 2 3 4

CPD (v)

-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1

0.2 ^{n-GaAs AlGaAs} i-GaAs+InAs QDs ^AlGaAs p-GaAs

(a)

Electric Field Distribution

Position (um)

0 1 2 3 4

Electric Field (V/cm)*10^4

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6

AlGaAs AlGaAs

n-GaAs i-GaAs+InAs QDs p-GaAs

(b)

圖七 (a)圖為圖六 CPD 圖的一條 profile。(b)圖是(a)CPD 曲線對探針掃描軸作一 次微分所得的電場分佈圖，可發現各個材質交接面皆有一個 peak。

參考文獻

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