氧化物MIS结构界面缺陷的深能级瞬态谱测试方法研究
发布时间：2021-01-20 06:18
钛酸锶（SrTiO3,STO）是一种具有典型钙钛矿结构的绝缘体,近年来各项实验表明,用氩离子（Ar+）轰击绝缘SrTiO3后,其表面准二维导电层会具有光致荧光,磁阻效应、持续光电导效应、金属绝缘相变、自旋轨道耦合等性质,这些性质主要与SrTiO3表面的氧空位有关。氧空位是STO导电层中的重要缺陷,但是关于氧空位的缺陷能级的相关研究十分稀少,需要进一步的研究。深能级瞬态谱是目前检测深能级杂质和缺陷的最有效的手段之一,利用深能级瞬态谱的手段可以很好的获得样品中氧空位缺陷信息。针对上述背景,本文主要进行了以下工作:1、基于锁相放大技术,搭建DLTS测试系统,实现了自动化的深能级瞬态谱测试功能。用锁相放大器和电流放大器组成瞬态电容测试,并调节仪器参数降低噪音,确定了锁相放大器时间常数TC为100500和电流放大器放大倍数为1k或10k时,对瞬态电容的测量精度达到较高水平;使用温度控制仪进行温度控制,采用缓慢连续升温的方式,使温度调节自动化;使用LabVIEW软件编...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
STO的晶体结构示意图
电子科技大学硕士学位论文6第二章实验和方法2.1MIS结构样品制备本实验MIS结构样品的制备分为三个阶段：基底半导体层的制备；绝缘层的制备；电极的生长。基底制备是通过Ar+轰击技术，而绝缘层和电极的制备是通过磁控溅射技术。2.1.1Ar+轰击STO表面改性原理本文轰击用的离子源为考夫曼离子源。其基本原理是在电场作用下，阴极灯丝发射电子，这些电子在磁场和电场的共同作用下被加速，并与通入腔体内的少量氩气相互碰撞，使氩气分子电离为氩离子，氩离子同样会被电场和磁场加速，向四周移动，其中少量氩离子会向样品方向移动，轰击样品表面。其原理如图2-1所示：图2-1考夫曼离子源原理示意图考夫曼离子源可以产生高能离子束（2000eV）。如图所示，阴极和阳极之间会产生很强的静电场，在该场的作用下阴极灯丝发射电子并向阳极运动，同时电子会受到洛伦兹力的作用，在两力共同作用下，电子不断在腔体中回旋运动，不断与氩气碰撞，产生氩离子。大多数的氩离子会向四周移动，打在腔体表面，只有少量的氩离子会被电场和磁场加速，轰击到样品表面。本文中，采用氩离子轰击<100>晶向的钛酸锶单晶片。Ar+轰击在STO表面会产生一定厚度的缺陷损伤层，该层具有一定的导电性，其导电性主要与层中产生的氧空位缺陷有关。其中，由于材料中不同原子的扩散速度不一样，所以缺陷形成会与离子束的优先溅射原则相关。钛酸锶对氧的优先溅射示意图如图2-2所示。
第二章实验和方法7图2-2Ar+轰击对氧的优先溅射示意图[41]在STO的晶体中，氧原子的有效质量小于钛原子和锶原子；同时，按原子距离来看，相邻的氧原子和氧原子之间的距离使最小的；最后从晶体结构上来看，一个钛原子周围有6个Ti-O键，而氧原子周围只有2个Ti-O键。综上所述，整个晶体对氧原子的束缚比对钛原子和锶原子的束缚要弱，在离子轰击的过程中，氧原子更容易被离子束轰出样品的表面，形成氧空位，所以在Ar+轰击STO表面形成的导电层中，主要缺陷为氧空位缺陷。同时。由于在整个轰击过程中，缺陷的热扩散作用，氧空位还会向半导体更深处移动，使Ar+的穿透深度以下的深度也出现氧空位。Ar+轰击STO表面形产生氧空位缺陷，氧空位发射电子作为载流子，该过程中，载流子浓度可以等效为掺杂剂量。样品表面单位面积注入的离子总数即是掺杂剂量，其满足式(2-1)：=(2-1)其中剂量的单位是ions/cm2，I是束流，单位A；t是注入的时长，单位s；q是电子电荷；n是电荷数；A是轰击的面积，单位cm2。由上式可知：延长轰击时间可以改变样品中的掺杂剂量，时间越长，掺杂剂量会越高，禁带中的缺陷数量会越多，导电层的导电性将会越好。但是，Ar+轰击STO形成的表面导电层厚度只由轰击能量决定，导电层厚度为：241413211/t/i/ZZρWE.L(2-2)其中L是导电层厚度，单位，Ε是轰击能量，单位eV，W是样品的平均原子重量，ρ是样品的平均密度，Zi,t分别是离子和样品的原子数量[42]。对于Ar+轰击的SrTiO3样品L=0.47E2/3。
本文编号：2988546
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
STO的晶体结构示意图
电子科技大学硕士学位论文6第二章实验和方法2.1MIS结构样品制备本实验MIS结构样品的制备分为三个阶段：基底半导体层的制备；绝缘层的制备；电极的生长。基底制备是通过Ar+轰击技术，而绝缘层和电极的制备是通过磁控溅射技术。2.1.1Ar+轰击STO表面改性原理本文轰击用的离子源为考夫曼离子源。其基本原理是在电场作用下，阴极灯丝发射电子，这些电子在磁场和电场的共同作用下被加速，并与通入腔体内的少量氩气相互碰撞，使氩气分子电离为氩离子，氩离子同样会被电场和磁场加速，向四周移动，其中少量氩离子会向样品方向移动，轰击样品表面。其原理如图2-1所示：图2-1考夫曼离子源原理示意图考夫曼离子源可以产生高能离子束（2000eV）。如图所示，阴极和阳极之间会产生很强的静电场，在该场的作用下阴极灯丝发射电子并向阳极运动，同时电子会受到洛伦兹力的作用，在两力共同作用下，电子不断在腔体中回旋运动，不断与氩气碰撞，产生氩离子。大多数的氩离子会向四周移动，打在腔体表面，只有少量的氩离子会被电场和磁场加速，轰击到样品表面。本文中，采用氩离子轰击<100>晶向的钛酸锶单晶片。Ar+轰击在STO表面会产生一定厚度的缺陷损伤层，该层具有一定的导电性，其导电性主要与层中产生的氧空位缺陷有关。其中，由于材料中不同原子的扩散速度不一样，所以缺陷形成会与离子束的优先溅射原则相关。钛酸锶对氧的优先溅射示意图如图2-2所示。
第二章实验和方法7图2-2Ar+轰击对氧的优先溅射示意图[41]在STO的晶体中，氧原子的有效质量小于钛原子和锶原子；同时，按原子距离来看，相邻的氧原子和氧原子之间的距离使最小的；最后从晶体结构上来看，一个钛原子周围有6个Ti-O键，而氧原子周围只有2个Ti-O键。综上所述，整个晶体对氧原子的束缚比对钛原子和锶原子的束缚要弱，在离子轰击的过程中，氧原子更容易被离子束轰出样品的表面，形成氧空位，所以在Ar+轰击STO表面形成的导电层中，主要缺陷为氧空位缺陷。同时。由于在整个轰击过程中，缺陷的热扩散作用，氧空位还会向半导体更深处移动，使Ar+的穿透深度以下的深度也出现氧空位。Ar+轰击STO表面形产生氧空位缺陷，氧空位发射电子作为载流子，该过程中，载流子浓度可以等效为掺杂剂量。样品表面单位面积注入的离子总数即是掺杂剂量，其满足式(2-1)：=(2-1)其中剂量的单位是ions/cm2，I是束流，单位A；t是注入的时长，单位s；q是电子电荷；n是电荷数；A是轰击的面积，单位cm2。由上式可知：延长轰击时间可以改变样品中的掺杂剂量，时间越长，掺杂剂量会越高，禁带中的缺陷数量会越多，导电层的导电性将会越好。但是，Ar+轰击STO形成的表面导电层厚度只由轰击能量决定，导电层厚度为：241413211/t/i/ZZρWE.L(2-2)其中L是导电层厚度，单位，Ε是轰击能量，单位eV，W是样品的平均原子重量，ρ是样品的平均密度，Zi,t分别是离子和样品的原子数量[42]。对于Ar+轰击的SrTiO3样品L=0.47E2/3。
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