電 機 工 程 學 系 碩 士 班 碩 士 論 文
鎂摻雜氮化鎵的歐姆接觸劣化之研究
Degradation for Ohmic Performance of Metals/Mg-doped GaN
指導教授:林祐仲 博士 研 究 生:李振道
中 華 民 國 九 十 三 年 六 月
摘 要
在 近 幾 年 中 , III-V 族 氮 化 物 為 主 的 半 導 體 引 起 極 大 的 注 意 並 且 被 廣 泛 的 研 究 。 其 發 光 的 波 長 範 圍 可 從 藍 光 到 紫 外 光 , 加 上 具 有 相 當 好 的 發 光 效 率 , 所 以 適 合 應 用 於 製 作 成 藍 色 發 光 二 極 體 及 雷 射 二 極 體 等 元 件 。 由 於 氮 化 鎵 對 P 型 的 雜 質 摻 雜 方 面 仍 然 無 法 有 效 的 突 破 , 因 此 , 在 於 製 作 歐 姆 接 點 時 將 出 現 製 程 技 術 困 難 度 較 高,且 其 特 殊 接 觸 電 阻 (specific contact resistance, ρC)較 大 等 問 題 。 本 次 實 驗 於 空 氣 環 境 中 500℃
熱 處 理 方 式 使 金 /鎳 /鎂 摻 雜 P 型 氮 化 鎵 的 金 /半 界 面 間 形 成 歐 姆 接 觸 , 並 發 現 歐 姆 接 觸 的 形 成 是 由 於 鎳 金 屬 轉 變 成 氧 化 鎳 界 面 層 , 接 著 更 進 一 步 引 用 Cserveny 的 理 論 來 探 討 氧 化 鎳 的 電 洞 濃 度 、 特 殊 接 觸 電 阻 和 位 障 之 間 的 關 連 性 , 實 驗 結 果 得 知 當 界 面 層 氧 化 鎳 電 洞 濃 度 增 加 時 , 導 致 氮 化 鎵 能 帶 更 為 彎 曲 (位 障 高 度 增 加 ), 以 及 特 殊 接 觸 電 阻 值 增 加 , 以 致 於 使 原 先 良 好 的 歐 姆 接 觸 產 生 劣 化 。
關 鍵 字 : 氮 化 鎵 、 歐 姆 接 觸 、 特 殊 接 觸 電 阻 、 異 質 結 構
Abstract
Recently, Gallium nitride (GaN) has attracted much attention as optoelectronic devices in the blue and ultraviolet wavelength regions. However, there remain several critical problems in the fabrication processes for the devices such as blue light emitting diodes (LEDs) and laser diodes. One of them is that the specific contact resistance (ρC) of metal/Mg-doped GaN is not enough low, resulting in ohmic contacts that are difficult to form.
In this study, ohmic contact is formed by Ni convert to NiOX after annealing, according to the results from x-ray photoelectron spectroscopy and the Cserveny’ s concept, we found that an increase of hole concentration of NiOX would lead to the increasing barrier height and the increasing specific contact resistance of oxidized Au/Ni/Mg-doped GaN.This suggests that the NiOX plays an important role in increasing (or reducing) the specific
contact resistance of oxidized Au/Ni/Mg-doped GaN.
Key word : GaN 、 ohmic contact 、 specific contact resistance、 heterostructure
誌 謝
在 研 究 所 兩 年 的 求 學 過 程 中 , 首 先 得 感 謝 我 的 指 導 教 授 林 祐 仲 博 士 的 諄 諄 教 悔 , 不 僅 在 專 業 的 領 域 上 傾 囊 相 授 , 在 本 論 文 的 寫 作 上 更 有 效 指 導 錯 誤 及 不 當 , 終 使 本 論 文 能 夠 完 成 ; 而 在 平 日 的 處 事 上 , 其 和 藹 可 親 、 平 易 近 人 的 態 度 , 更 讓 我 在 學 習 上 能 夠 完 全 放 心 地 有 所 發 揮 。
而 同 在 實 驗 室 一 起 為 研 究 努 力 的 同 學 許 洲 維 、 柯 焜 騰 , 學 弟 吳 國 禎 也 是 我 必 須 抱 以 謝 意 的 對 象 , 於 課 業 上 和 你 們 的 砥 礪 及 討 論 , 使 我 得 以 在 專 業 技 能 、 知 識 上 有 所 進 步 。
最 後 我 特 別 感 謝 我 的 父 親 及 女 友 姿 月 在 精 神 上 的 支 持 及 鼓 勵 , 有 了 你 們 , 我 才 能 有 繼 續 前 進 的 動 力 。 在 本 論 文 完 成 的 同 時 , 我 也 同 時 將 這 份 喜 悅 和 我 的 家 人 及 朋 友 們 一 起 分 享 。
目 錄
中 文 摘 要………i
英 文 摘 要………..ii
誌 謝………..…iv
目 錄………v
圖 目 錄……….vii
表 目 錄………..ix
第 一 章 前 言 ………..1
1.1 氮 化 鎵 材 料 ...1
1.2 氮 化 鎵 元 件 的 發 展 ……….2
1.3 氮 化 鎵 元 件 的 條 件………..………..5
1.4 未 來 的 展 望………..7
第 二 章 實 驗 目 的 ………..8
第 三 章 基 礎 理 論 ………11
3.1 異 質 接 面 ………11
3.1.1 同 態 異 質 接 面 ………...13
3.1.2 非 同 態 異 質 接 面 ………...17
第 四 章 實 驗 步 驟 ………20
4.1 試 片 的 清 洗 ………20
4.2 黃 光 微 影 ………21
4.3 蝕 刻 矩 形 高 台 ………..……….22
4.4 電 子 槍 蒸 鍍 系 統 ……….………..………25
4.5 傳 輸 線 模 式 ………27
4.6 X-光 光 電 子 能 譜 ………30
4.7 實 驗 流 程 ………32
第 五 章 實 驗 結 果 討 論 ………33
第 六 章 結 論 ……….41
參 考 文 獻……….42
圖目 錄
圖 1.1 雙 異 質 結 構 之 發 光 二 極 體………4
圖 3.1 接 觸 前,一 個 窄 能 隙 和 寬 能 隙 之 能 帶 圖………..12
圖 3.2 P-P 在 熱 平 衡 時 之 同 態 異 質 接 面 的 能 帶 圖 ...13
圖 3.3 N-N 在 熱 平 衡 時 之 同 態 異 質 接 面 的 能 帶 圖…...15
圖 3.4 P-N 在 熱 平 衡 時 之 非 同 態 異 質 接 面 的 能 帶 圖………….17
圖 4.1 矩 形 高 台 之 光 罩 圖………..23
圖 4.2 矩 形 高 台………24
圖 4.3 蝕 刻 高 台 流 程 圖………...24
圖 4.4 電 子 槍 蒸 鍍 系 統 示 意 圖………..……26
圖 4.5 電 子 束 蒸 鍍 系 統 示 意 圖………..27
圖 4.6 金 屬 電 極 的 光 罩 圖………..28
圖 4.7 鍍 上 金 屬 電 極 後 的 矩 形 高 台……….29
圖 4.8 單 一 矩 形 高 台 之 俯 視 圖………..29
圖 4.9 傳 輸 線 模 式 量 得 的 電 阻 和 間 距 的 函 數 圖………30
圖 4.10 實 驗 流 程 圖………..……...32 圖 5.1 特 殊 接 觸 電 阻 及 相 關 的 氧 /鎳 原 子 濃 度 比 對 熱 處 理 時 間
的 函 數 圖………..33 圖 5.2 氮 化 鎵 分 別 對 熱 處 理 時 間 (a)3 分 鐘 (b)30 秒 的 Ni2 P核 心
能 譜 圖….……….34 圖 5.3 分 別 對 熱 處 理 時 間 (a)3 分 (b)10 分 (c)20 分 (d)40 分
Ga2 P 3 / 2的 核 心 能 譜 圖………..35
圖 5.4 金 /氧 化 鎳 /P 型 氮 化 鎵 的 能 帶 輪 廓 圖 ………38 圖 5.5 不 同 熱 處 理 時 間 P 型 氧 化 鎳 /P 型 氮 化 鎵 的 能 帶 圖…..40
表目 錄
表 1.1 常 用 於 P 型 氮 化 鎵 形 成 歐 姆 接 觸 的 金 屬 功 函 數………..2
第一 章 前言
1.1 氮 化 鎵 材 料
目 前 的 氮 化 鎵 材 料 , 主 要 的 成 長 方 式 皆 是 以 有 機 金 屬 化 學 氣 相 磊 積 法 (MOCVD)所 成 的 磊 晶 片 , 多 數 都 是 烏 采 (Wurtzite) 結 構 或 是 閃 鋅 (Zincblende)結 構 , 但 以 烏 采 較 為 常 見 。 由 於 氮 化 鎵 本 身 具 有 較 高 的 能 隙 , 因 此 適 合 應 用 在 藍 光 及 紫 外 光 等 光 電 元 件 上 。
氮 化 鎵 的 能 隙 為 3.4eV, 電 子 親 和 力 約 為 4.1eV【 1】, 且 活 化 後 鎂 (Mg)摻 雜 之 P 型 氮 化 鎵 的 電 洞 濃 度 約 為 101 7cm- 3, 加 上 費 米 能 階 (Femi Level)約 在 價 帶 頂 端 上 方 0.13eV 處 【 2】,
所 以 其 P 型 氮 化 鎵 的 功 函 數 高 達 約 7.4eV。 因 此 , 若 要 和 金 屬 形 成 歐 姆 接 觸 , 其 金 屬 功 函 數 的 選 擇 上 , 則 必 須 以 高 功 函 數 為 主 , 表 1.1 為 各 個 較 常 使 用 金 屬 的 功 函 數 【 3】。 但 自 然 界 中 並 沒 有 金 屬 功 函 數 大 於 7.4eV 的 金 屬 , 因 此 如 何 利 用 合 金 化 或 藉 著 減 少 表 面 缺 陷 的 方 式 來 達 到 歐 姆 接 觸 的 機 制 , 以 及 P 型 氮 化 鎵 歐 姆 接 觸 可 靠 度 分 析 , 是 本 次 實 驗 所 研 究 的 重 點 。
表 1.1 常 用 於 P 型 氮 化 鎵 形 成 歐 姆 接 觸 的 金 屬 功 函 數
材 料 功 函 數
鎂 摻 雜 之 P 型 氮 化 鎵 7.4eV
鉑 (Pt) 5.65eV
鎳 (Ni) 5.15eV
鈀 (Pd) 5.12eV
金 (Au) 5.1eV
1.2 氮 化 鎵 元 件 的 發 展
III-V 族 氮 化 物 早 在 1970 年 代 便 已 經 被 認 為 是 可 以 應 用 於 藍 光 及 紫 外 光 波 段 的 發 光 材 料。在 1972 年 時,美 國 的 Pankove 先 生 便 以 MIS (metal insulator semiconductor) 的 結 構 成 功 的 研 製 藍 光 LED【 4】, 此 結 構 雖 只 須 於 電 極 和 N 型 氮 化 鎵 層 間 加 上 很 強 的 電 場 便 會 發 光 , 但 若 在 絕 緣 層 上 附 加 較 大 的 電 場 , 便 容 易 造 成 絕 緣 層 的 破 壞 而 降 低 了 元 件 的 可 靠 度 , 因 此 想 利 用 這 方 法 來 獲 得 高 亮 度 及 高 可 靠 度 的 發 光 元 件 是 非 常 困 難 的 事 。 而 對 於 P 型 氮 化 鎵 而 言 , 更 是 因 為 當 時 不 易 成 長 , 而 無 法 研 製 成 PN 接 面 的 LED。
而 在 1980 年 代 間 , I. Akasaki 利 用 有 機 金 屬 化 學 氣 相 磊 晶 的 長 晶 方 式 , 並 以 二 階 段 的 磊 晶 方 式 先 於 低 溫 生 長 一 層 薄 的
氮 化 鋁 (AlN) 做 為 避 免 氮 化 鎵 和 藍 寶 石 (Sapphire) 間 晶 格 不 匹 配 (lattice mismatch) 緩 衝 層 , 於 1050℃ 的 高 溫 下 生 長 氮 化 鎵 薄 膜 , 成 功 的 生 長 出 高 品 質 的 氮 化 鎵 薄 膜 【 5】。 接 著 又 以 低 能 量 光 子 束 照 射 (Low Energy Electron Beam Irradiation,LEEBI) 【 6】,將 有 機 金 屬 CP2Mg 當 中 的 Mg 原 子 活 化 , 成 功 完 成 P 型 的 GaN 之 薄 膜 , 進 而 得 到 第 一 顆 亮 度 為 10mcd 的 PN 接 面 GaN LED, 此 發 現 使 得 PN 接 面 型 的 藍 光 二 極 體 有 很 大 的 進 展 。 之 後 Nakamura 在 1989 年 以 雙 流 路 (Two-Flow MOCVD)反 應 器 方 式 成 長 出 GaN 薄 膜 【 7】, 更 加 提 昇 了 氮 化 鎵 薄 膜 的 磊 晶 品 質。Nakamura 先 用 低 溫 成 長 GaN 薄 膜 為 緩 衝 層 , 以 CP2Mg 做 為 鎂 的 來 源 , 成 長 出 GaN 薄 膜 。 並 進 一 步 提 出 在 氮 氣 環 境 下 以 熱 處 理 (thermal annealing)的 方 式 進 行 對 鎂 原 子 的 活 化 , 而 提 高 載 子 濃 度 【 8】, 在 1991 年 3 月 即 研 製 出 第 一 顆 PN 同 質 接 面 的 LED。 為 了 能 夠 得 到 更 好 的 發 光 效 率 , Nakamura 進 一 步 採 用 了 雙 異 質 結 構 (Double heterojunction,DH) , 將 氮 化 銦 鎵 發 光 層 致 於 P 型 層 和 N 型 層 之 間 , 如 圖 1.1。
Al
2O
3GaN buffer
N-GaN N-AlGaN
InGaP:Zn
P-AlGaN P-GaN
電極 電極
圖 1.1 雙 異 質 結 構 之 發 光 二 極 體
因 為 載 子 被 限 制 於 發 光 層 中 , 使 得 發 光 的 效 率 因 而 提 高 。 接 著 又 成 長 單 量 子 井 (Single- Quantum Well,SQM)及 多 量 子 井 (Multi-Quantum Well,MQW)結 構 的 LED,以 氮 化 鋁 鎵 或 氮 化 鎵 為 障 壁 層,在 1994 年 和 1995 年 間,陸 續 發 表 亮 度 高 達 2cd 及 12cd 的 藍 綠 光 及 綠 光 LED。 之 後 又 於 1997 年 Nakamura 更 加 利 用 ELOG ( epitaxial laterally overgrown )方 法 來 有 效 減 少 差 排 密 度,進 一 步 來 提 升 藍 光 雷 射 二 極 體 的 壽 命【 9】,並 以 於 1998 年 底 開 始 量 產 。
1.3 氮 化 鎵 元 件 的 條 件
由 於 半 導 體 材 料 所 製 作 而 成 的 發 光 元 件 具 有 壽 命 長 、 效 率 高 、 輻 射 溫 度 低 等 優 點 , 因 此 其 應 用 範 圍 非 常 廣 , 不 只 充 當 一 般 的 指 示 燈 , 更 可 進 一 步 應 用 在 全 彩 顯 示 器 上 , 為 了 完 成 全 彩 顯 示 器 , 其 光 的 三 元 色 (紅 色 、 綠 色 、 藍 色 , RGB)之 發 光 元 件 須 能 達 到 高 亮 度 才 可 生 產 , 在 紅 光 方 面 , 已 經 可 以 利 用 砷 化 鎵 (GaAs)來 達 成 , 而 在 藍 、 綠 光 方 面 卻 還 無 法 到 預 期 的 效 果 。 對 氮 化 鎵 而 言 , 要 能 達 到 高 亮 度 及 高 穩 定 度 , 則 在 氮 化 鎵 上 製 作 高 品 質 的 金 屬 電 極 接 觸 對 元 件 上 的 應 用 是 必 須 的 , 另 外 還 得 考 慮 金 屬 電 極 的 穩 定 度 、 透 光 度 及 金 /半 界 面 間 的 特 殊 接 觸 電 阻 值 。
對 鎂 摻 雜 的 P 型 氮 化 鎵 來 說,由 於 金 /半 界 面 間 歐 姆 接 觸 製 程 技 術 困 難 度 高 , 故 金 屬 電 極 的 選 擇 方 面 和 熱 處 理 方 式 更 是 值 得 注 意 的 重 點 。 就 目 前 的 研 究 而 言 , P 型 氮 化 鎵 所 選 用 的 金 屬 以 鈀 、 鉑 、 鎳 、 金 這 四 種 最 為 普 遍 。 Y. Koide 等 人 曾 對 這 四 種 金 屬 電 極 做 過 研 究【 10】,指 出 當 鎳 /金 鍍 於 P 型 氮 化 鎵 表 面 時,
經 過 熱 處 理 後 , 鎳 原 子 會 往 外 擴 散 到 表 面 處 並 形 成 氧 化 鎳 , 而
金 會 往 內 擴 散 成 為 氧 化 鎳 及 P 型 氮 化 鎵 的 界 面 層 , 所 求 得 的 電 特 性 較 佳 , 但 如 果 將 鎳 換 成 鈀 或 鉑 , 即 將 鈀 /金 或 鉑 /金 鍍 於 P 型 氮 化 鎵 表 面 時 , 同 樣 於 相 同 條 件 下 熱 處 理 , 其 表 面 金 屬 的 氧 化 物 並 不 會 出 現,且 電 特 性 較 差。另 外 從 文 獻【 11】中 也 得 知 , 以 鎳 /鉑 做 為 金 屬 電 極 , 經 熱 處 理 後 , 一 部 份 的 鎳 原 子 雖 然 往 外 擴 散 到 表 面 處 形 成 氧 化 鎳 , 但 另 一 部 份 卻 和 鉑 及 鎵 合 金 化 , 而 形 成 類 似 氧 化 鎳 /鉑 /P 型 氮 化 鎵 結 構 , 並 不 是 金 /P 型 氧 化 鎳 /P 型 氮 化 鎵 結 構 , 故 接 觸 電 阻 值 較 高。由 以 上 結 果 綜 合 可 知 , 雖 然 金 及 鉑 的 穩 定 性 都 很 好 , 但 作 為 金 屬 電 極 來 說 , 鎳 /金 比 鎳 /鉑 可 容 易 達 到 較 低 的 接 觸 電 阻 值 。
以 氮 化 鎵 所 製 作 的 發 光 元 件 在 長 期 使 用 下 , 會 因 接 觸 電 阻 過 大 , 產 生 熱 量 導 致 溫 度 提 高 , 造 成 金 /半 界 面 間 歐 姆 接 觸 劣 化 , 而 影 響 其 元 件 的 壽 命 及 電 特 性 。 在 前 人 的 研 究 中 【 12】,
通 常 只 以 控 制 熱 處 理 溫 度 及 時 間 求 得 最 小 值 的 特 殊 接 觸 電 阻 及 討 論 界 面 和 表 面 間 的 原 子 轉 換 , 卻 沒 有 進 一 步 去 討 論 溫 度 對 界 面 間 位 障 值 的 變 化 及 對 歐 姆 特 性 的 影 響 , 在 以 下 的 章 節 中 , 本 實 驗 將 針 對 這 方 面 做 進 一 步 的 說 明 。
在 特 殊 接 觸 電 阻 值 方 面 , 一 個 發 光 元 件 的 特 殊 接 觸 電 阻 值
至 少 須 達 到 10- 4Ω cm2以 下,本 實 驗 成 功 做 出 特 殊 接 觸 電 阻 值 為 10- 6Ω cm2 的 等 級 ,已 達 到 發 光 元 件 所 應 具 備 的 要 求 , 而 元 件 壽 命 的 減 短 和 溫 度 有 關 , 本 實 驗 亦 探 討 熱 處 理 後 溫 度 變 化 的 關 係 而 了 解 金 /半 界 面 間 歐 姆 接 觸 之 劣 化 , 進 而 得 知 元 件 衰 退 的 特 性 。
1.4 未 來 的 展 望
以 氮 化 鎵 為 主 的 發 光 體 , 的 確 為 未 來 最 具 潛 力 的 光 電 元 件 , 目 前 主 要 的 訴 求 為 研 製 出 高 亮 度 及 高 品 質 的 藍 光 和 綠 光 LED、 半 導 體 二 極 體 及 雷 射 二 極 體 。 而 高 亮 度 、 低 成 本 及 大 面 積 的 白 光 LED 在 未 來 數 年 內 , 也 有 可 能 取 代 傳 統 的 螢 光 燈 或 白 熾 燈 。 目 前 國 內 廠 商 已 有 十 餘 家 投 入 這 個 行 列 , 學 術 界 更 有 多 所 學 校 努 力 研 發 , 積 極 的 改 善 及 找 出 氮 化 鎵 特 性 , 未 來 如 何 發 明 且 突 破 專 利 上 的 限 制 , 將 是 國 內 產 業 上 最 主 要 的 課 題 。
第二 章 實驗 目的
氮 化 鎵 為 一 寬 能 隙 材 料 , 對 N 型 的 氮 化 鎵 來 說 , 藉 著 使 用
鈦 /鋁 /鎳 /金 已 可 達 到 非 常 低 的 特 殊 接 觸 電 阻 (8.9× 10- 8Ω cm2)
【 13】, 但 對 P 型 氮 化 鎵 而 言 , 要 達 到 較 低 的 特 殊 接 觸 電 阻 值 還 有 一 些 問 題 存 在 , 其 中 鎂 摻 雜 的 P 型 氮 化 鎵 由 於 鎂 原 子 會 和 氨 氣 (NH3)中 的 氫 原 子 產 生 鍵 結,降 低 了 鎂 的 受 體 效 應,使 得 濃 度 一 直 無 法 有 效 的 提 高 , 加 上 自 然 界 中 並 無 法 找 到 高 於 P 型 氮 化 鎵 功 函 數 的 金 屬 , 導 致 P 型 氮 化 鎵 和 金 屬 間 歐 姆 接 觸 製 作 的 困 難 度 提 高 。
半 導 體 的 表 面 非 常 容 易 和 空 氣 中 的 氧 原 子 產 生 化 學 吸 收 反 應 , 而 在 半 導 體 的 表 面 形 成 一 層 自 然 的 氧 化 層 , 而 這 個 氧 化 層 更 會 在 載 子 從 金 屬 傳 送 到 半 導 體 的 期 間 充 當 一 位 障 , 並 增 加 特 殊 接 觸 電 阻 值 , 因 此 為 了 解 決 鎂 摻 雜 P 型 氮 化 鎵 歐 姆 接 觸 的 問 題 , 在 鍍 上 金 屬 電 極 前 , 去 除 氮 化 鎵 表 面 氧 化 物 及 雜 質 是 必 要 的 工 作 , 前 人 的 研 究 中 曾 用 王 水 【 14】、 KOH【 15】 處 理 來 去 除 表 面 的 氧 化 層 , 且 減 少 表 面 的 位 障 高 度 , 並 有 效 地 降 低 特 殊 接 觸 電 阻 值 , 而 硫 化 銨 ((NH4)2SX)被 證 實 是 最 有 效 能 去 除 表 面
氧 化 層 , 且 可 將 特 殊 接 觸 電 阻 從 5.1 × 10- 1cm2 減 少 到 2.5 × 10- 5cm2,其 減 少 的 數 值 遠 比 其 它 化 學 溶 液 來 得 多【 16】。另 外 文 獻 【 17】【 18】 亦 有 使 用 許 多 高 功 函 數 的 金 屬 來 當 做 電 極 , 試 圖 將 位 障 高 度 降 低 , 而 使 歐 姆 接 觸 的 性 能 提 高 。
本 實 驗 的 研 究 目 的 , 在 於 利 用 熱 處 理 時 間 的 差 異 來 觀 察 其 表 面 位 障 的 變 化 , L.C.Chen 等 人 曾 提 出 【 11】, 在 相 同 的 空 氣 環 境 熱 處 理 , 雖 然 鉑 的 金 屬 功 函 數 大 於 金 的 金 屬 功 函 數 , 但 在 金 屬 電 極 鎳 上 層 再 鍍 一 層 金 , 特 殊 接 觸 電 阻 最 低 可 達 4×10- 6Ω cm2, 遠 比 鎳 上 層 鍍 上 一 層 鉑 的 特 殊 接 觸 電 阻 值 5×10- 2Ω cm2 還 要 低,原 因 為 鍍 上 鉑 的 金 屬 電 極 界 面 間 無 法 形 成 金 /P 型 氧 化 鎳 /P 型 氮 化 鎵 結 構,因 而 充 份 顯 示 鎳 /金 的 歐 姆 特 性 遠 比 鎳 /鉑 更 佳 , 故 本 實 驗 因 而 選 用 鎳 /金 當 作 金 屬 電 極 。 且 L.C.Chen 等 人 的 實 驗 中 , 更 舉 出 當 退 火 為 500℃ 時 , 其 特 殊 接 觸 電 阻 值 為 最 低 , 而 J.K.Ho 等 人 【 12】 也 同 樣 以 不 同 的 溫 度 做 了 熱 處 理 的 研 究 , 說 明 熱 處 理 的 溫 度 在 500℃ ~550℃ 時 其 電 阻 最 小 , 而 在 500℃ 以 下 和 550℃ 以 上 其 電 阻 較 大 , 並 加 以 比 較 不 同 鎳 /金 厚 度 的 性 質 , 發 現 當 鎳 /金 厚 度 相 同 時 , 可 降 低 其 特 殊 接 觸 電 阻 值,J.K.Ho 等 人 更 進 一 步 以 氮 氣、空 氣、氧 氣 及 各 種 不 同 氣 體
環 境 下 分 別 以 不 同 溫 度 進 行 熱 處 理 , 在 空 氣 和 氧 氣 環 境 下 其 歐 姆 特 性 是 相 同 的 , 即 使 在 此 兩 個 環 境 下 會 使 得 金 屬 鎳 轉 變 成 氧 化 鎳 , 但 氧 化 鎳 的 形 成 卻 反 而 降 低 了 特 殊 接 觸 電 阻 值 , 和 其 它 氣 體 相 較 , 其 歐 姆 特 性 更 佳 。
這 次 的 實 驗 同 樣 在 空 氣 環 境 下 以 500℃ 的 熱 處 理 來 使 得 金 屬 鎳 轉 變 成 氧 化 鎳 , 以 便 獲 得 良 好 的 金 屬 半 導 體 歐 姆 接 面 , 並 進 一 步 改 變 熱 處 理 時 間 長 短 來 觀 測 金 屬 半 導 體 界 面 間 接 觸 電 阻 與 位 障 的 變 化 。
第三 章 基礎 理論
3.1 異 質 接 面 (heterojunction)
【 19】【 20】當 使 用 兩 個 不 同 能 隙 的 材 料 , 去 形 成 一 個 異 質 接 面 , 將 會
造 成 能 帶 在 界 面 上 有 一 個 不 連 續 的 存 在 。 若 半 導 體 由 一 個 窄 能 隙 材 料 突 然 改 變 為 一 個 寬 能 隙 材 料 , 則 將 有 一 個 陡 峭 的 接 面 。 為 了 能 擁 有 一 個 有 用 的 異 質 接 面 , 兩 個 材 料 的 晶 格 常 數 必 須 有 很 好 的 匹 配 , 若 有 任 何 不 匹 配 的 情 形 存 在 , 將 會 引 起 差 排 (dislocation)造 成 界 面 狀 態 。
異 質 接 面 中 , 若 兩 接 面 的 雜 質 形 態 相 同 , 則 稱 為 同 態 (isorype)異 質 接 面 , 若 兩 接 面 的 雜 質 形 態 不 同 , 則 稱 為 非 同 態 (anisorype)異 質 接 面 。 通 常 異 質 接 面 可 由 一 個 窄 能 隙 和 一 個 寬 能 隙 所 形 成 , 如 圖 3.1 所 示 。 其 表 示 為 獨 立 的 兩 種 半 導 體 的 能 帶 圖 , 它 們 均 以 真 空 能 階 當 為 參 考 , 兩 個 導 電 帶 能 量 之 間 的 差 異 被 表 示 為 Δ EC, 而 兩 個 價 電 帶 能 量 的 差 異 則 為 Δ EV, 此 兩 個 能 帶 差 會 成 為 電 子 或 電 洞 傳 輸 時 的 位 障 。
ΔE
VΔE
C真空能階
E
C1E
F1E
V1E
C2E
F2E
V2圖 3.1 接 觸 前 , 一 個 窄 能 隙 和 寬 能 隙 之 能 帶 圖
當 忽 略 其 界 面 狀 態 所 引 起 的 電 隅 效 應 時 , 可 令 兩 半 導 體 界 面 間 的 電 位 (ϕ)為 連 續 , 即
( )
0 2( )
01 ϕ
ϕ = ...………(3-1) 並 進 而 可 知 公 式 (3-2), 即 電 通 量 亦 連 續
0 2 2 0 1
1 x= = x=
dx d dx
dϕ ε ϕ
ε ………(3-2)
ε1及ε2分 別 為 兩 半 導 體 的 介 電 係 數,x為 半 導 體 的 深 度, x=0 表 示 界 面 處 。 本 次 討 論 將 利 用 上 面 兩 式 的 邊 界 條 件 來 進 一 步 說 明 同 態 異 質 接 面 和 非 同 態 異 質 接 面 的 性 質 。
3.1.1 同 態 (isotype)異 質 接 面
P型半導體1 P型半導體2 x
E
CpE
FE
VpE
CpE
Vp電子能量
E
G1E
G2ΔE
CΔE
V圖 3.2 P 型 對 P 型 在 熱 平 衡 時 之 同 態 異 質 接 面 的 能 帶 圖
圖 3.2 為 同 態 異 質 接 面 能 帶 圖 , 以 P 型 對 P 型 為 例 , EG 1
和 EG 2 為 兩 半 導 體 之 能 隙 。 此 異 質 接 面 將 有 空 間 電 荷 存 在 於 半 導 體 1 中 的 累 積 層 及 半 導 體 2 的 空 乏 層。因 此 對 半 導 體 1 來 說,
大 量 的 電 洞 會 因 Δ EV的 關 係 而 被 累 積 在 界 面 處 , 故 對 半 導 體 1 而 言 , 少 數 載 子 濃 度 是 可 忽 略 的 ; 而 就 寬 能 隙 的 半 導 體 而 言 ,
即 使 在 表 面 處 的 電 子 會 較 內 部 增 加 , 但 對 多 數 載 子 的 影 響 仍 是 太 小 , 故 少 數 載 子 的 濃 度 亦 被 忽 略 。 對 x<0 而 言 , 其 載 子 濃 度 為
) exp(
)
exp( 1 1 1
1
1 ϕ ψ
A
A N
kT N q
p = = ………(3-3)
其 中 k為 波 茲 曼 常 數, T為 絕 對 溫 度 , NA1為 P 型 半 導 體 1 的 淨 受 體 雜 質 濃 度 ,ψ1為 P 型 半 導 體 1 的 歸 一 化 後 的 電 位 。 接 著 從 柏 松 (Poisson)方 程 可 得 下 兩 式
( ) [
exp(
1 1) ]
1 1 1 1 1 1 1 1
2 =− ≈− − =− −
∇ ψ
ε ε
ε
ρ A
A
N N q
q p
V ………(3-4)
[
exp( )
1 1]
1 1 2 2
1
2 =− ψ −
ε ψ
kT N q dx
d A
………..(3-5) 再 將 (3-5)式 中 左 右 各 別 積 分
[ ( ) ] [ ( ) ]
∫
− − = + −= 1
0 1 1
1 1 2 1 1
1 1 2
1)2 exp 1 1 exp
2(
1 ψ
ψ ε ψ
ψ ε ψ
ψ
kT N d q
kT N q dx
d A A
………….(3-6) 而 對 x>0 而 言 , 以 相 同 方 式 可 得
( ) [
exp(
2)
1]
2 2 2 2
2 1 1 2
2 =− ≈− − =− − −
∇ A q NA t
N q p
V ψ ψ
ε ε
ε
ρ ...(3-7)
( )
[
exp 2 1]
2 2 2 2
2
2 =− A − t −
kT N q dx
d ψ ψ
ε
ψ ………..(3-8)
( )
[ ] [ ( ) ]
∫
− − − = − + − −= 2 2 2
2 2 2 2 2
2 2 2 2
2) exp 1 1 exp
2(
1 ψ
ψ ψ ψ ψ ψ
ψ ε ψ
ε ψ ψ
t t t
A t
A
kT N d q
kT N q dx
d
………(3-9)
2
NA 為 P 型 半 導 體 2 的 淨 受 體 雜 質 濃 度,ψ2為 P 型 半 導 體 2 的 歸 一 化 後 的 電 位 。 最 後 再 將 (3-6)及 (3-9)式 代 入 (3-1)(3-2)式 的
邊 界 條 件 , 如 下
[ ( ) ] [ ( ) ]
− + − −
=
A + A t t
kT N q kT
N
q ψ ψ ψ ψ
ε ε ψ ε ψ
ε 2 2
2 2 2 2 2 1
1 1
1 2 2
1 2 1 exp 2 1 exp
( ) (
t)
t A
A
N N
ψ ψ ψ
ψ
ψ ψ
ε ε
−
− +
−
−
= +
⇒
2 2
1 1
1 1
2 2
exp 1
exp
1 ………..(3-10)
其 中ψ1表 示 半 導 體 1 的 內 建 電 位,ψ2−ψt表 示 半 導 體 2 的 內 建 電 位 , 皆 為 隨 著 x 變 化 的 函 數 。 若 令ψ1(0)=ψ2(0)=ψ0, 則 上 式 變 為
( ) (
t)
t A
A
N N
ψ ψ ψ
ψ
ψ ψ
ε ε
−
− +
−
−
= +
0 0
0 0
1 1
2 2
exp 1
exp
1 ………..(3-11)
(3-11)式 不 只 可 應 用 於 P 型 對 P 型 的 異 質 結 構 中 , 同 樣 於 N 型 對 N 型 亦 可 , 討 論 如 下 。
N型半導體1 N型半導體2
x
E
CnE
FE
VnE
CnE
Vn電子能量
E
G1E
G2ΔE
CΔE
V圖 3.3 N 型 對 N 型 在 熱 平 衡 時 之 同 態 異 質 接 面 的 能 帶 圖
圖 3.3 為 N 型 對 N 型 同 態 異 質 接 面 能 帶 圖 。 空 間 電 荷 同 樣 存 在 於 半 導 體 1 中 的 累 積 層 及 半 導 體 2 的 空 乏 層 。 且 少 數 載 子 的 濃 度 同 樣 被 忽 略 。 對 x<0 而 言 , 其 載 子 濃 度 為
) exp(
)
exp( 1 1 1
1
1 ϕ ψ
D
D N
kT N q
n = = ………(3-12)
1
Nd 為 半 導 體 1 的 淨 施 體 雜 質 濃 度。接 著 由 柏 松 (Poisson)方 程 式 可 將 上 式 轉 換 成
[
1 exp( 1)]
1 1 2 2
1 2
ε ψ
ψ =− −
kT N q dx
d D
……….(3-13) 再 將 (3-4)式 經 由 積 分
[ ( ) ]
∫
= − −= 1
0 1 1
1 1 2 2 1
1 2 2
1) exp 1
2(
1 ψ
ψ ε ψ
ψ ψ ψ
kT N d q
dx d dx
d D
……….(3-14)
同 樣 類 似 的 方 法 對 x>0 時 , 可 得 (3-15)(3-16)(3-17)
) exp( 2
2
2 ND t
n = ψ −ψ ………(3-15)
[
1 exp( 2 )]
2 2 2 2
2 2
t D
kT N q dx
d ψ ψ
ε
ψ =− − − ………(3-16)
( )
[ ]
∫
= − − + −= 2 2 2
1 2 2 2 2
2 2
2)2 1 exp
2(
1 ψ
ψ ψ ψ ψ ψ
ψ ε ψ ψ
t t t
D
kT N d q
dx d dx
d …………(3-17)
最 後 再 利 用 (3-1)(3-2)式 的 邊 界 條 件 , 可 得 最 後 異 質 接 面 位 障 高 度 和 濃 度 的 關 係 為
( )
0 0 2 2) exp(
1
1
exp D
N N ε ε ψ ψ ψ
ψ
ψ
ψ =
− +
−
−
−
− ………(3-18)
公 式 (3-11) 和 (3-18) 為 異 質 結 構 界 面 中 個 別 位 障 高 度 和 濃 度 的 關 係 式 , 由 此 兩 公 式 可 看 出 , 同 態 異 質 接 面 不 論 是 P/P 界 面 或 N/N 界 面 的 用 法 都 相 同 , 且 此 公 式 將 被 用 來 作 為 本 實 驗 中 P 型 氧 化 鎳 /P 型 氮 化 鎵 之 位 障 和 其 濃 度 的 討 論 。
3.1.2 非 同 態 (anisotype)異 質 接 面
P型半導體 N型半導體 x
E
CnE
FE
VnE
CpE
Vp電子能量
E
G1E
G2ΔE
CΔE
V圖 3.4 P 型 對 N 型 在 熱 平 衡 時 之 非 同 態 異 質 接 面 的 能 帶 圖
上 圖 為 非 同 態 異 質 接 面 的 能 帶 圖 , 對 N 型 半 導 體 而 言 , 和 同 態 的 理 論 一 樣 , 少 數 載 子 是 可 被 忽 略 的 , 但 對 P 型 半 體 則 須 考 慮 電 洞 和 電 子 的 存 在 , 因 為 少 數 載 子 (電 子 )被 ∆EC累 積 於 界 面 處,故 不 可 忽 略。下 兩 式 為 x<0 時 所 考 慮 的 電 洞 及 電 子 濃 度。
) exp( 1
1
1 = NA −ψ
p ………..…………..(3-19)
) exp( 1
1 2
1
1 ψ
A i
N
n = n ……….……….(3-20) 其 中 ni1為 半 導 體 1 的 本 質 濃 度 。 再 依 柏 松 方 程 得 下 式
( )
− − +
= 1 exp ( )2exp( 2)
1 1 1 1
1 2 2
1
2 ψ ψ
ε ψ
A i A
N n kT
N q dx
d ………..(3-21)
再 對ψ1從 0 到ψ1積 分
( ) [ ( ) ]
∫
= + − − + − = 1
0 1
2
1 1 1
1 1
1 2 2 1
1 2
1)2 exp 1 exp 1
2(
1 ψ
ψ ψ
ε ψ ψ ψ
ψ
A A i
N n kT
N d q
dx d dx
d ………
…………..………..(3-22) 而 對 x>0 的 部 份 , 則 採 用 N 型 對 N 型 同 態 結 構 的 公 式 (3-15)(3-16)(3-17), 再 由 邊 界 條 件 則 得 所 要 式 子 (3-23), 此 為 非 同 態 異 質 接 面 個 別 濃 度 和 位 障 的 關 係 。
( ) ( ) [ ( ) ]
( )
1 12 2 0
0
0 2
1 1 0 0
exp 1
1 exp /
exp 1
A D t
t
A i
N N N
n
ε ε ψ
ψ ψ
ψ
ψ ψ
ψ =
− +
−
−
− +
− +
− ……….… (3-23)
若 當 ε2ND2>>ε1NA1時 , 則
(
/) [
exp(
0 1) ]
2 1
1 A ψ −
i N
n 可 忽 略 , 故 (3-23)式
可 變 為
( )
( )
1 12 2 0
0
0 0
exp 1
exp 1
A D t
t N
N ε ε ψ ψ ψ
ψ
ψ
ψ =
− +
−
−
− +
− ………(3.24)
第四 章 實驗 步驟
4.1 試 片 的 清 洗
由 於 試 片 的 尺 寸 都 非 常 小 , 空 氣 或 水 中 的 微 粒 對 元 件 良 率 有 相 當 的 影 響 力 , 因 此 從 清 洗 的 步 驟 開 始 , 皆 在 無 塵 室 內 完 成 , 且 製 程 中 的 用 水 也 須 以 去 除 懸 浮 微 粒 及 帶 電 粒 子 的 去 離 子 水 。
(a)切 割 完 成 的 試 片 , 置 放 於 三 氯 乙 稀 (TCE)溶 液 中 , 並 持 續 加
熱 5 分 鐘 , 以 去 除 試 片 表 面 油 脂 等 有 機 物 。 (b)接 著 將 試 片 浸 泡 於 丙 酮 溶 液 中 , 同 樣 持 續 加 熱 5 分 鐘 , 以
去 除 三 氯 乙 稀 溶 液 。
(c)同 樣 的 步 驟 將 試 片 置 於 甲 醇 溶 液 中 , 去 除 丙 酮 溶 液 。 最 後 以 去 離 子 水 沖 洗 5 分 鐘 。
(d)將 沖 洗 完 成 的 試 片 取 出 , 因 表 面 吸 附 著 水 膜 , 再 以 氮 氣 吹 乾 表 面 水 份 後 即 完 成 。
4.2 黃 光 微 影
光 阻 是 一 種 暫 時 塗 佈 在 晶 圓 上 的 感 光 材 料 , 它 可 將 光 罩 上 晶 片 設 計 之 光 學 圖 案 轉 印 到 晶 圓 表 面 上 , 本 實 驗 採 用 的 是 正 光 阻 , 因 正 光 阻 比 負 光 阻 能 得 到 較 高 的 解 析 度 。 由 於 光 阻 對 紫 外 線 感 光 , 因 此 微 影 技 術 的 工 作 場 所 , 通 常 都 選 用 黃 光 照 明 的 光 學 區 內 間 。
(a)首 先 將 清 洗 完 成 的 試 片 放 入 烤 箱 內,以 110℃ 加 熱 10 分 鐘,
這 是 為 了 去 除 吸 附 在 試 片 表 面 的 濕 氣 , 以 增 加 光 阻 的 附 著 力 , 稱 為 脫 水 烘 烤 (Dehydrate Bake)或 是 預 烤 (Prebake)。
(b)將 試 片 放 於 一 個 帶 有 真 空 吸 盤 的 旋 轉 塗 佈 機 上 , 這 個 吸 盤 在 高 速 旋 轉 期 間 可 以 吸 住 試 片 。 接 著 將 液 態 光 阻 滴 在 試 片 上,利 用 試 片 旋 轉 時 的 離 心 力 將 光 阻 均 勻 的 散 佈 於 整 個 試 片 上 。
(c)在 光 阻 塗 佈 後 , 試 片 再 一 次 被 放 進 烤 箱 內 進 行 加 熱 製 程 , 其 溫 度 為 90℃ , 以 驅 除 光 阻 內 部 的 大 部 分 溶 劑 , 並 將 光 阻 由 液 態 轉 變 成 固 態,以 減 少 光 阻 的 流 動 性,稱 之 為 軟 烤 (Soft Bake)。
(d)接 著 將 試 片 放 在 接 觸 式 曝 光 機 中 , 並 以 設 計 之 光 罩 和 試 片 緊 貼 並 對 準 , 以 紫 外 光 曝 光 後 , 即 完 成 曝 光 動 作 。
(e)光 學 微 影 技 術 最 後 一 個 關 鍵 步 驟 是 圖 案 的 檢 視 。 本 實 驗 以 光 學 顯 微 鏡 確 定 圖 案 有 無 錯 誤,若 有 錯 誤,則 以 顯 影 液 去 除 光 阻 重 做 以 上 步 驟 , 若 無 誤 , 將 試 片 浸 泡 於 去 離 子 水 內 5 分 鐘 作 定 影 , 之 後 以 氮 氣 槍 吹 乾 , 黃 光 微 影 製 程 即 完 成 。
4.3 蝕 刻 矩 形 高 台
對 氮 化 鎵 材 料 而 言 , 因 對 化 學 溶 液 的 活 性 非 常 低 , 因 此 並 不 適 合 以 溼 式 蝕 刻 來 達 成 所 要 的 結 果 ; 加 上 氮 化 鎵 屬 於 硬 質 材 料 , 因 此 也 無 法 使 用 物 理 的 蝕 刻 方 式 , 故 本 實 驗 採 用 反 應 式 離 子 蝕 刻 (Rective ion etching, RIE)系 統 來 進 行 化 學 蝕 刻 , 並 以 鎳 層 來 做 為 金 屬 圖 型 遮 罩 , 來 完 成 氮 化 鎵 的 所 要 的 蝕 刻 過 程 , 以 下 為 其 製 程 的 步 驟 , 圖 4.1 為 矩 形 高 台 之 光 罩 圖 。
圖 4.1 矩 形 高 台 之 光 罩 圖
(a)經 過 前 面 的 清 洗 及 黃 光 微 影 後 , 再 將 試 片 放 於 濺 鍍 機 內 鍍 上 適 當 厚 度 的 鎳 層 。
(b)再 以 丙 酮 將 殘 留 的 光 阻 去 除 , 連 帶 將 光 阻 上 層 的 金 屬 一 同 去 除,留 下 金 屬 遮 罩,其 金 屬 遮 罩 的 作 用 為 下 一 步 驟 執 行 時 保 護 基 底 而 用 。
(c)再 將 試 片 置 於 真 空 的 離 子 蝕 刻 系 統 中 , 以 射 頻 功 率 150 瓦 將 其 蝕 刻 , 其 氣 體 壓 力 為 28 m torr, 而 三 氯 化 硼 (BCl3)的 氣 體 流 量 為 22 sccm。
(d)最 後 以 王 水 將 其 殘 留 的 金 屬 遮 罩 洗 去 , 再 以 上 述 所 言 的 清 洗 方 式 清 洗 過 後 , 便 完 成 所 須 的 高 台 , 如 圖 4.2 所 示 。 圖 4.3 為 蝕 刻 高 台 的 流 程 圖 。
(e)接 著 在 鍍 上 金 屬 電 極 前 , 先 將 材 料 至 於 王 水 內 十 分 鐘 做 表 面 處 理 , 以 去 除 表 面 的 氧 化 物 及 雜 質 。
sapphire buffer
矩形高台(100x1000um
2)
圖 4.2 矩 形 高 台
P-GaN 光 阻
P-GaN
光 阻 光 阻
P-GaN
光 阻 光 阻
金 屬
P-GaN 金 屬 P-GaN
金 屬 P-GaN
金 屬 P-GaN
BCl3 離 子
圖 4.3 蝕 刻 高 台 流 程 圖
4.4 電 子 槍 蒸 鍍 系 統 (E-GUN 或 E-Beam)
【 21】【 22】在 蒸 鍍 時 , 其 金 屬 沈 積 薄 膜 的 純 度 是 很 重 要 的 問 題 。 通 常 導 致 純 度 不 佳 的 原 因 有 : (1)蒸 鍍 材 料 的 純 度 ; (2)加 熱 裝 置 或 坩 堝 造 成 的 污 染 ; (3)真 空 系 統 中 殘 留 的 氣 體 。 前 兩 項 因 素 可 藉 由 高 純 度 物 質 及 改 善 實 驗 裝 置 加 以 避 免 , 而 第 三 個 因 素 則 須 由 改 變 真 空 條 件 來 解 決 。
由 於 電 子 束 蒸 鍍 時 , 金 屬 薄 膜 的 沈 積 是 由 蒸 發 的 原 子 本 身 所 帶 的 動 能 , 而 將 原 子 附 著 至 試 片 表 面 。 因 此 , 被 蒸 發 的 氣 體 分 子 在 真 空 腔 內 傳 輸 時 , 若 與 腔 內 殘 留 氣 體 發 生 碰 撞 , 則 附 著 在 試 片 表 面 的 金 屬 薄 膜 將 為 金 屬 材 料 和 殘 留 氣 體 的 化 合 物 。 為 了 避 免 此 情 形 發 生 , 蒸 鍍 時 必 須 在 高 真 空 度 下 完 成 , 其 金 屬 薄 膜 才 能 達 到 所 須 的 高 純 度 。
圖 4.4 為 蒸 鍍 系 統 結 構 示 意 圖 。 系 統 是 處 於 一 個 不 鏽 鋼 材 料 所 構 成 的 真 空 室 中 , 欲 蒸 鍍 的 材 料 置 於 一 個 由 高 熔 點 金 屬 材 料 所 製 成 的 坩 堝 中 (本 實 驗 坩 堝 為 氧 化 鋁 所 製 ), 經 由 加 熱 方 式 使 蒸 鍍 材 料 熔 化 並 蒸 發 。 在 蒸 鍍 過 程 中 , 基 板 溫 度 對 蒸 鍍 薄 膜 的 性 質 有 很 重 要 的 影 響 , 通 常 基 板 也 要 適 當 地 加 熱 , 使 蒸 鍍 原
子 具 有 足 夠 能 量 可 以 在 基 材 表 面 自 由 移 動 , 如 此 才 能 形 成 均 勻 的 薄 膜 。
圖 4.4 電 子 槍 蒸 鍍 系 統 示 意 圖
在 真 空 反 應 式 內 , 電 子 束 入 射 到 水 冷 式 坩 堝 的 金 屬 上 , 並 且 將 金 屬 加 熱 至 氣 化 的 溫 度 。 在 蒸 鍍 沈 積 的 製 程 期 間 , 靶 材 金 屬 的 外 圍 並 不 會 熔 化 而 仍 是 保 持 固 體 狀 , 這 樣 可 減 少 來 自 坩 堝 內 部 的 微 量 雜 質 所 造 成 的 薄 膜 污 染 。
當 電 子 束 直 接 打 在 靶 材 上 使 之 蒸 發 時 , 其 蒸 發 原 子 或 分 子 將 會 污 染 電 子 源 , 因 此 通 常 都 將 電 子 源 藏 在 裝 膜 材 料 之 鎗 座 底
下 而 利 用 強 力 磁 場 將 電 子 束 轉 彎 180℃ 或 270℃ 。 如 圖 4.5
圖 4.5 電 子 束 蒸 鍍 系 統 示 意 圖
4.5 傳 輸 線 模 式 (Transmission Line Model, TLM)
當 金 屬 和 半 導 體 接 觸 時,其 接 面 處 的 接 觸 電 阻 為 RC,此 值 與 金 屬 及 半 導 體 的 種 類 及 金 半 接 面 的 面 積 大 小 有 關 【 23】, 因 此 並 不 能 全 然 以 RC的 值 來 作 為 判 斷 歐 姆 接 觸 的 好 壞。故 引 用 一 特 徵 接 觸 電 阻 (specific contact resistance , ρC )來 表 示 其 金 半 接 面 間 電 特 性 好 壞 的 依 據 。 ρC 的 單 位 為 Ω -cm2, 其 值
便 不 再 和 接 觸 面 積 相 關 , 為 了 量 測 此 值 , 本 實 驗 以 傳 輸 線 模 式 來 作 為 量 測 ρC 的 方 法 。
從 TLM 的 計 算 方 式 得 知 【 24】
ρC=RC×Lt×W....…….………...…(4-1) 其 中 Lt為 轉 換 長 度 (transfer length), W 為 電 極 的 寬 度 , 兩 者 的 單 位 皆 為 微 米 。 圖 4.6 為 金 屬 電 極 的 光 罩 圖 。
圖 4.6 金 屬 電 極 的 光 罩 圖
圖 4.7 和 圖 4.8 為 經 過 第 二 道 黃 光 微 影 後 所 形 成 的 TLM 結 構 圖 。
電極
鎳/金(2.5/2.5nm)
sapphire buffer
矩形高台(100x1000um
2)
圖 4.7 鍍 上 金 屬 電 極 後 的 矩 形 高 台
5μm 15μm 35μm 60μm 10μm 25μm 50μm
圖 4.8 單 一 矩 形 高 台 之 俯 視 圖
其 電 極 的 間 距 方 面 設 為 5、 10、 15、 25、 35、 50 及 60 微 米 , 接 著 再 由 各 個 不 同 的 間 距 量 得 其 電 阻 值 , 並 配 合 畫 出 以 距 離 和 電 阻 做 為 X-Y 軸 的 座 標 圖 , 再 將 不 同 的 點 連 成 一 線 並 加 以 延 長 , 分 別 在 距 離 和 電 阻 值 為 零 時 找 出 兩 點 , 其 在 兩 點 的 截 距 處 便 為 2 RC及 2 Lt, 如 圖 4.9 所 示 , 再 將 得 到 的 值 帶 入 (4-1)式 便 可 ρC值 。
間距(L) 電阻(Ω)
2R
C2L
t圖 4.9 傳 輸 線 模 式 量 得 的 電 阻 和 間 距 的 函 數 圖
4.6 X-光 光 電 子 能 譜
【 25】【 26】X- 光 光 電 子 能 譜 (X-ray photoelectron spectroscopy , XPS)在 固 態 、 表 面 及 薄 膜 研 究 中 是 一 項 主 要 的 分 析 工 具 。 它 除
了 可 以 提 供 待 測 試 片 原 子 的 化 學 元 素 種 類 , 更 可 以 分 析 所 觀 察 原 子 的 化 學 鍵 結 型 態 。 而 且 由 於 XPS 對 試 片 的 靈 敏 度 通 常 在 非 常 淺 的 區 域 內 , 使 得 XPS 對 於 表 面 分 析 及 薄 膜 量 測 特 別 適 用 , 而 且 配 合 離 子 濺 蝕 的 技 術 , XPS 更 可 以 被 用 來 研 究 組 成 元 素 的 縱 深 分 佈 。 因 此 X 光 光 電 子 能 譜 儀 為 目 前 化 學 表 面 分 析 非 常 靈 敏 的 量 測 工 具 。
在 XPS 的 系 統 中 , X 光 光 束 的 入 射 到 待 測 試 片 的 能 量 為 h ν , 由 於 光 電 效 應 的 產 生 , 使 得 帶 有 動 能 的 光 電 子 會 被 激 發 出 表 面 , 因 此 藉 由 量 測 光 電 子 的 動 能 並 可 推 算 出 光 電 子 的 束 縛 能 (或 稱 游 離 能 )EB, 其 能 量 的 關 係 符 合 下 式
Ek i n e t i c=hν -EB-W………..(4-2)
其 中 W 則 是 待 測 試 片 的 功 函 數 。 分 析 光 電 子 的 能 量 , 可 得 到 待 測 原 子 的 核 心 能 級 (core level)相 關 資 訊 。 由 於 元 素 週 期 表 中 的 元 素 , 各 有 其 特 定 的 核 心 能 級 能 量 , 所 以 更 可 以 XPS 來 測 定 試 片 之 組 成 原 子 。
4.7 實 驗 流 程
高溫爐 加熱 (空氣)
T L M 量測
鍍上電極 之試片
熱處理3分
熱處理10分
熱處理20分
熱處理40分
X P S 量測
鍍上電極 之試片
鍍上電極 之試片 鍍上電極
之試片
鍍上電極 之試片
熱處理30秒
圖 4.10 實 驗 流 程 圖
本 實 驗 共 以 五 片 試 片 加 以 處 理 , 試 片 在 鍍 上 金 屬 電 極 後 , 分 別 置 於 高 溫 爐 內 進 行 熱 處 理 , 並 以 幫 浦 加 空 氣 進 入 爐 內 , 熱 處 理 的 時 間 則 分 別 為 30 秒、3 分 鐘、10 分 鐘、20 分 鐘 及 40 分 鐘 , 隨 之 以 I-V 量 測 的 方 式 量 其 電 阻 值 , 再 加 以 計 算 其 特 殊 接 觸 電 阻 , 最 後 進 行 XPS 的 量 測 , 求 得 各 個 材 料 的 原 子 成 份 , 並 加 以 分 析 。
第五 章 實 驗結 果 與討 論
圖 5.1 所 示 為 在 P 型 氮 化 鎵 鍍 上 鎳 /金 後 所 量 得 的 特 殊 接 觸 電 阻 (ρC)以 及 經 由 XPS 量 測 後 所 得 的 氧 /鎳 比 率 對 熱 處 理 時 間 的 函 數 圖 。
圖 5.1 特 殊 接 觸 電 阻 及 相 關 的 氧 /鎳 原 子 濃 度 比 對 熱 處 理 時 間 的 函 數 圖
從 圖 5.1 本 實 驗 觀 察 出 在 3 分 鐘 前 , 其 特 殊 接 觸 電 阻 值 是 隨 著 熱 處 理 時 間 的 增 加 再 急 速 的 減 少 , 但 在 超 過 3 分 鐘 後 , 特
殊 接 觸 電 阻 卻 是 隨 著 熱 處 理 時 間 的 增 加 而 增 加 。 原 因 則 為 熱 處 理 時 間 在 30 秒 到 3 分 鐘 這 段 期 間 , 由 於 鎳 金 屬 和 半 導 體 界 面 間 , 氧 原 子 和 鎳 原 子 產 生 鍵 結 , 形 成 氧 化 鎳 所 引 起 。 其 之 間 的 關 係 可 從 圖 5.2 所 知。圖 5.2 為 經 由 XPS 所 量 得 Ni2 P 對 不 同 熱 處 理 時 間 的 核 心 能 譜 圖 。
圖 5.2 氮 化 鎵 分 別 對 熱 處 理 時 間 (a)3 分 鐘 (b)30 秒 的 Ni2 P 核 心 能 譜 圖
如 圖 5.2 所 示 , 當 經 過 30 秒 的 熱 處 理 時 , 其 能 譜 圖 仍 然 有 鎳 成 份 的 存 在 , 而 在 熱 處 理 3 分 鐘 過 後 , 其 鎳 的 成 份 完 全 的 被 氧 化 而 形 成 氧 化 鎳 。 這 充 份 的 證 明 在 3 分 鐘 前 , 其 特 殊 接 觸
電 阻 值 的 減 少 與 氧 化 鎳 的 形 成 有 關 , 即 氧 化 鎳 為 降 低 特 殊 接 觸 電 阻 值 的 要 素 。 另 外 再 觀 察 圖 5.1, 本 次 實 驗 並 無 法 獲 知 氧 及 鎳 的 影 響 因 子,所 以 將 3 分 鐘 熱 處 理 的 氧 /鎳 比 值 設 為 單 位 值 , 實 驗 結 果 顯 示 氧 /鎳 的 濃 度 比 與 熱 處 理 時 間 成 一 正 比 的 關 係 。 文 獻 【 27】 曾 指 出 , 當 氧 化 鎳 的 氧 含 量 增 加 時 , 其 氧 化 鎳 的 電 洞 濃 度 ( NdNiO)也 會 隨 之 增 加 。 其 結 果 表 示 當 氧 化 鎳 的 電 洞 濃 度 增 加 時 , 其 特 殊 接 觸 電 阻 值 增 大 , 使 得 歐 姆 接 觸 產 生 劣 化 。 為 了 更 進 一 步 證 明 以 上 的 論 點,本 實 驗 更 做 了 Ga2 P 3 / 2的 核 心 能 譜 圖 , 如 圖 5.3 所 示 。
圖 5.3 氮 化 鎵 分 別 對 熱 處 理 時 間 (a)3 分 鐘 (b)10 分 鐘 (c)20 分 鐘 (d)40 分 鐘 Ga2 P 3 / 2的 核 心 能 譜 圖
從 文 獻 【 28】【 29】 得 知 , 鎵 相 關 的 核 心 能 階 峰 值 位 置 是 用 來 決 定 氮 化 鎵 表 面 的 費 米 能 階 位 置。因 此,可 藉 著 觀 察 圖 5.3
中 Ga2 P 3 / 2在 不 同 熱 處 理 時 間 的 核 心 能 階 來 決 定 表 面 費 米 能 階 的
位 置 。 圖 5.3 中 , 當 其 熱 處 理 時 間 更 長 時 , Ga2 P 3 / 2的 核 心 能 譜 峰 值 更 往 高 能 量 端 移 動,移 動 的 數 值 在 熱 處 理 時 間 為 10 分 鐘 、 20 分 鐘 及 40 分 鐘 時 , 比 較 熱 處 理 為 3 分 鐘 時 分 別 移 動 了 0.15eV、 0.23eV 及 0.34eV。 這 表 示 著 延 長 熱 處 理 時 間 會 導 致 表 面 的 費 米 能 階 朝 導 帶 移 動 , 並 且 形 成 較 高 的 位 障 (ψ )。 換 言 之 , 從 圖 5.1 及 圖 5.3 看 來 , 其 特 殊 接 觸 電 阻 的 增 加 是 由 氧 化 鎳 高 電 洞 濃 度 引 起 的 高 位 障 所 造 成 。 以 下 關 係 為 上 述 所 言 的 簡 單 結 論 。
(
超 過 3 分 鐘
)
熱 處 理 時 間
O/Ni
位障高度
氧化鎳電洞濃度
特殊接觸電阻ρ
cφ
NiO
N
d為 了 再 更 加 確 認 氧 化 鎳 電 洞 濃 度 和 位 障 高 度 的 關 係 , 進 而 引 用 Cserveny 的 觀 念 【 30】 得 到 下 列 式 子 。
NiO NiO d
GaN GaN d GaN
bi GaN
bi
NiO bi NiO
bi
N N
kT qV kT
qV
kT qV kT
qV
ε
= ε
−
−
−
− +
1 )
exp(
1 )
exp( ………(5-1)
q W W
V V
Vbi = biGaN + biNiO = GaN − NiO / ………(5-2) 其 中 k為 波 茲 曼 常 數 , T為 絕 對 溫 度 ,VbiGaN和VbiNiO則 分 別 為 P 型 氮 化 鎵 和 P 型 氧 化 鎳 的 內 建 電 位,P 型 氮 化 鎵 的 電 洞 濃 度 ( NdGaN) 為 2×101 7cm- 3, NdNiO則 是 氧 化 鎳 的 電 洞 濃 度 ,WGaN及WNiO為 氮 化 鎵 和 氧 化 鎳 的 功 函 數 , εGaN和εNiO是 氮 化 鎵 和 氧 化 鎳 的 介 電 係 數 , 分 別 是 9.5 【 31】 及 11.9【 32】。 公 式 (5-2) 中 , 表 示 異 質 結 構 中 的 P 型 氮 化 鎵 和 P 型 氧 化 鎳 中 , 其 界 面 間 的 總 內 建 電 位 剛 好 是 等 於 兩 功 函 數 的 差 。 為 了 比 較 氧 化 鎳 電 洞 濃 度 及 位 障 高 度 的 關 係 , 首 先 將 (5-1)及 (5-2)式 中 的 氮 化 鎵 電 洞 濃 度 、 氧 化 鎳 和 氮 化 鎵 的 介 電 係 數 及 功 函 數 設 為 定 值 , 便 可 得 知 其 氧 化 鎳 電 洞 濃 度 會 隨 著 氮 化 鎵 的 內 建 電 位 的 增 加 而 提 高 , 再 利 用 文 獻 【 33】 中 所 提 , P 型 氮 化 鎵 其 費 米 能 階 位 於 價 帶 上 方 0.13eV 處 , 即
13 .
−0
=φ
GaN
qVbi ……….………(5-3)
得 知 位 障 高 度 和 氮 化 鎵 的 內 建 電 位 為 一 正 比 關 係 , 故 此 得 知 氧 化 鎳 的 電 洞 濃 度 亦 和 位 障 高 度 成 正 比 。 為 簡 單 了 解 上 述 所 言 , 作 了 以 下 結 論 , 即 氧 化 鎳 電 洞 濃 度 ( NdNiO)上 升 時 , 氮 化 鎵 的 內 建 電 位 (VbiGaN)亦 隨 之 上 升 , 以 致 於 電 洞 傳 輸 時 的 位 障 高 度 (ψ ) 也 會 提 高 。
在 P 型 氮 化 鎵 和 P 型 氧 化 鎳 間 , 其 界 面 間 的 位 障 值 是 否 還 和 其 它 因 素 相 關 , 本 次 研 究 也 將 進 一 步 討 論 。 故 本 研 究 描 繪 出 金 /氧 化 鎳 /P 型 氮 化 鎵 的 能 帶 輪 廓 圖 , 並 加 以 探 討 P 型 氧 化 鎳 導 帶 底 到 費 米 能 階 的 y 參 數 對 位 障 的 影 響 , 如 圖 5.4。
qVbi
4.0eV y 1.4eV
qVbiGaN Vacuum
Level
Vacuum Level
EC
EF
Au NiO p-type GaN
5.1eV
4.1eV
3.4eV
qVbiNiO
EV qVbi
4.0eV y 1.4eV
qVbiGaN Vacuum
Level
Vacuum Level
EC
EF
Au NiO p-type GaN
5.1eV
4.1eV
3.4eV
qVbiNiO
EV
φ
圖 5.4 金 /氧 化 鎳 /P 型 氮 化 鎵 的 能 帶 輪 廓 圖