半导体薄膜材料电活性缺陷的谱学研究

发布时间：2020-06-17 17:47

【摘要】：在实际生产和研究中所使用的半导体材料都并非理想结构,都含有缺陷。它们可能是外来原子(杂质),也可能是本身晶体结构方面的缺陷。半导体材料在生产制备和器件加工的工艺过程中往往会引入很多深能级缺陷,这些缺陷成为载流子复合中心降低了载流子寿命,从而严重影响到器件的各种参数。对半导体材料中电活性缺陷的研究在对材料电学性能评价、提高器件工作性能、器件可靠性研究、失效分析等方面,有着非常重要的意义。对缺陷的研究也是多方面的,包括缺陷的来源、缺陷在器件中的位置、缺陷的类型、缺陷的电学性质(缺陷能级、对载流子的俘获截面)等。本文以InGaAs、AlN、c-Si、a-Si_(1-x)Ru_x四种材料体系为研究对象,采用磁控溅射、PECVD等成膜方法,并综合运用Raman、TEM、CV、DLTS等多种手段,对半导体薄膜材料中的电活性缺陷进行了深入研究,分为以下四部分:(1)DLTS研究结果表明,MBE外延的N型InGaAs材料在生长过程中就已经引入了深能级缺陷,缺陷能级位置在距离导带0.37eV-0.42eV范围内,该深能级缺陷类型为点缺陷,为InGaAs材料中的As反位缺陷;15分钟370℃的合成气体快速退火处理不仅明显降低了InGaAs材料的表面态密度,而且对InGaAs材料层内部一定深度的缺陷对电子的俘获截面明显降低,对器件起到了非常有效的钝化作用。(2)将AlN设计为MIS电容器结构中的绝缘层,采用DLTS方法重点研究了GaN功率器件中与AlN缓冲层相关的电活性缺陷。研究发现,在AlN薄膜的CVD沉积过程中,Al原子已经向衬底硅中扩散,而衬底硅中电活性缺陷与Al原子的扩散紧密相关,在P型硅衬底中靠近AlN/Si界面位置处的电活性缺陷能级E_T=0.37eV,俘获截面σ_p=10~(-16)cm~2,缺陷浓度随深度成递减分布状态;退火处理后,Al原子向衬底硅中更深处扩散,电活性缺陷发生演变,深能级位置由0.372eV增加到0.421eV。AlN给硅衬底引入了Al-O配合物点缺陷,且在后续的退火处理中受温度作用有聚集趋势,点缺陷逐渐向扩展态缺陷发展。(3)在单晶硅太阳能电池的制备中,尝试寻求用氢等离子体刻蚀的方法来替代氢氟酸溶液处理,如果工艺适当(流速500sccm、刻蚀时间60s)可以使少子寿命达到τ_(eff)=2.5ms。研究发现,过快的氢气流速可能会造成刻蚀不充分,而太长的刻蚀时间会导致氢等离子体对表面氧化层的过刻,二者都可增加硅衬底表面处的缺陷,对制备高性能器件不利;氢等离子体刻蚀后在a-Si:H/c-Si界面处有一层厚度约1nm的SiO_2氧化层残留,可以防止单晶硅与氢化非晶硅材料发生直接接触,从而在退火过程中避免出现单晶硅向氢化非晶硅层的外延生长;DLTS研究结果表明,氢等离子体除了在表面与Si-O发生反应通过刻蚀去除表面氧化层,还会引入一定程度的类型为与晶体结构中空位相关的点缺陷,这种刻蚀引入的缺陷深度可以深达1?m,而这些缺陷可以通过氢化非晶硅薄膜的钝化得到有效的降低或消除。(4)在制备态a-Si_(1-x)Ru_x薄膜中,金属钌Ru有不同的存在形式。当Ru少量掺杂时,Ru原子以替位原子的方式存在于非晶硅网络结构中;当Ru掺杂度较高时,超过固溶度的Ru原子从非晶硅网络结构中析出形成Ru_2Si纳米晶颗粒。Ru原子的掺杂可以对a-Si_(1-x)Ru_x薄膜的微结构和电学性质起到调控作用,当少量掺杂(x=0.01)时,薄膜的电阻率明显下降,TCR可以维持在2%,同时薄膜的1/f噪声有所改善。退火处理可以提高a-Si_(1-x)Ru_x薄膜的结构有序度,使薄膜的1/f噪声进一步降低,使其具有潜在的红外探测器应用价值。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304;O77;TB383.2
【图文】：

半导体材料,电子,工业界

新效应和新器件才得以被不断发现和创造，而这些新促进研究者们对材料性能研究的进一步深入，形成相互促模式，最终使得整个半导体科学技术不断取得一个又一个的型半导体材料的器件应用镓砷材料体系器件代半导体技术的不断进步，工业界基于硅材料的CMOS（Code-Semiconductor）技术跟随摩尔定律不断地按比例缩小尺寸移率过低的限制，其器件性能越来越不能满足未来晶体管的性能的发展要求。为获得突破性发展，科研界和工业界正在传输特性的材料来实现低驱动电压、低耗高效器件，于是锗族化合物等高载流子迁移率半导体材料[2-5]，成为人们研究关非 SiCMOS 技术中，III-V 族半导体材料因其作为窄禁带半输特性，最有希望成为新型 MOS 的选择[6]。

传统制,器件,可靠性检测

图 1-2 CMOS 器件传统制作工艺.2 可靠性检测可靠性是指产品在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力，也、设备、元器件的功能在时间上的稳定性。就我国目前的可靠性研究而言的研究主要分为零件可靠性设计研究、系统可靠性研究以及可靠性试验个分支研究方向。在这三个研究方向中，“可靠性试验和研究”与工程应制造实际过程紧密相关，并且以大量实验为研究和工程应用的基础，通过性检测设备对待测产品进行试验，不断积累数据，逐步形成了从工程可靠求开始，到可靠性检测设备与技术的进步，检测技术进步后再反过来满足程可靠性检测需求，最终形成良性正循环发展，并且不断带动可靠性工程展。可靠性分析中常用的方法寿命分布可靠性研究中最常需要面对的问题就是准确预测产品和各个部件的使用

【参考文献】