• 沒有找到結果。

逢 甲 大 學 電 機 工 程 學 系 碩 士 班 碩 士 論 文

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "逢 甲 大 學 電 機 工 程 學 系 碩 士 班 碩 士 論 文"

Copied!
55
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

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

(2)

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

(3)

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

(4)

contact resistance of oxidized Au/Ni/Mg-doped GaN.

Key word : GaN 、 ohmic contact 、 specific contact resistance、 heterostructure

(5)

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 。

(6)

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

(7)

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

(8)

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

(9)

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

(10)

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

(11)

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 。

(12)

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

(13)

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。

(14)

Al

2

O

3

GaN 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 。

(15)

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

(16)

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

(17)

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 。

(18)

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

(19)

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 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

(20)

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 。

(21)

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 。

(22)

ΔE

V

ΔE

C

真空能階

E

C1

E

F1

E

V1

E

C2

E

F2

E

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

( )

0

1 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

ε ϕ

ε ………(3-2)

ε1ε2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 。

(23)

3.1.1 同 態 (isotype)異 質 接 面

P型半導體1 P型半導體2 x

E

Cp

E

F

E

Vp

E

Cp

E

Vp

電子能量

E

G1

E

G2

ΔE

C

ΔE

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 ,

(24)

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

) 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 =− At

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

(25)

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,ψ2ψt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

Cn

E

F

E

Vn

E

Cn

E

Vn

電子能量

E

G1

E

G2

ΔE

C

ΔE

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

(26)

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 = ψψ ………(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)

(27)

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

Cn

E

F

E

Vn

E

Cp

E

Vp

電子能量

E

G1

E

G2

ΔE

C

ΔE

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

(28)

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 = NAψ

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 1

2 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)

(29)

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 1

2 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)

(30)

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 。

(31)

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)。

(32)

(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 。

(33)

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 。

(34)

(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 P-GaN

P-GaN

P-GaN

BCl3 離 子

圖 4.3 蝕 刻 高 台 流 程 圖

(35)

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

(36)

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

(37)

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

(38)

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 。

(39)

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

(40)

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

C

2L

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

(41)

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 。

(42)

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 。

(43)

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

(44)

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

(45)

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

(46)

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 。

(

3

)

O/Ni

位障高度

氧化鎳電洞濃度

特殊接觸電阻ρ

c

φ

NiO

N

d

(47)

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 = GaNNiO / ………(5-2) 其 中 k為 波 茲 曼 常 數 , T為 絕 對 溫 度 ,VbiGaNVbiNiO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 ,WGaNWNiO為 氮 化 鎵 和 氧 化 鎳 的 功 函 數 , εGaNεNiO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)

(48)

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

參考文獻

相關文件

For obvious reasons, the model we leverage here is the best model we have for first posts spam detection, that is, SVM with RBF kernel trained with dimension-reduced

臺中榮民總醫院埔里分院復健科 組長(83年~今) 中山醫學大學復健醫學系職能治療 學士.. 南開科技大學福祉科技與服務管理研究所

This research aims to re-evaluate cases of Primary and junior high schools in Taiwan that did pass the Green Building auditions, by the cost-efficiency point of view on different

及清華大學電機系/光電所 博士/碩士班助教群 蔡瑋哲,蘇士祺,劉子齊,林彥州 碩士班. 張宸寧,葉明學,王思婷,廖泓宇

[17] Kuo-Sheng Chin , Liu-Yang Lin , and Jen-Tsai Kuo , “New Formulas for Synthesizing Microstrip Bandpass Filters With Relatively Wide Bandwidths,” IEEE Microwave

國立臺北教育大學教育經營與管理學系設有文教法律碩士班及原住民文

國立高雄師範大學數學教育研究所碩士論文。全國博碩士論文資訊網 全國博碩士論文資訊網 全國博碩士論文資訊網,

One of the technical results of this paper is an identifi- cation of the matrix model couplings ti(/x) corresponding to the Liouville theory coupled to a