（凝聚态物理专业论文）用电学方法研究铒氧共掺入硅中引入的缺陷态.pdf

彼g 火擎硕士论文陈宇 摘要 利用分子柬外延系统( m b e ) 生长高浓度的掺铒硅样品，用电学 方法对样品的缺陷态进行研究，结果表明铒氧共同掺入硅中引入施 主缺陷。如果在p 型硅中进行层状高浓度的铒氧掺杂以形成薄层反 型层，样品表现出反常的电学特性：肖特基结构二极管电流电压特性 的改变，电容随电压非单调性的变化，以及深能级瞬态谱( d l t s ) 测试中少子信号的出现，俘获系数的变化等。这些都是由样品中铒 引入缺陷造成的。 模拟计算了肖特基结构中存在高浓度薄层反型层情况下的能带 图，电场分布图以及c v 曲线。计算结果表明反型层掺杂浓度很高 的情况下费米能级钉扎在缺陷深能级上，深能级上电子占有率很高。 随着偏压变化，深能级上电子占有率变化导致电子发射俘获，深能 级位置可以通过d l t s 谱进行测试，d l t s 信号极性与常规d l t s 信号 相反，并且可以通过一次扫描同时得到俘获和发射过程信号。通过 实验结果和模拟计算证明，在特定的条件下用d l t s 方法是能够测试 肖特基结构中的少子能级的。 由d l t s 谱和导纳谱结果求得铒氧在p 型硅中引入施主深能级位 于导带下o 4 0 e v 。这个施主能级在未掺氧的样品中没有发现，可以 认为是氧的引入改变了铒周围的晶格场，形成类似络合物的结构。 ， 、 、一， 。 关键词：掺铒硅，分子束外延，电学特性，深能级瞬态谱。 植旦上擎硕士论文陈宇 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = a b s t r a c t h i g hc o n c e n t r a t i o n o fe r b i u mw a sd o p e di n t op - t y p es i l i c o nb y m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ( m b e ) i no x y g e na m b i e n t ，i th a sb e e nf o u n dt h a t t 1 1 ed e e dd o n o rd e f e c tl e v e lw i l lb ei n d u c e di n t os i l i c o n w h e ne r b i u m c o d o p e dw i t ho x y g e n i fal a r g e a m o u n to fe r oc o d o p e dt h i nl a y e r s a n d w i c hi np - t y p es i l i c o n ，a ni n v e r s i o nl a y e rw i l l b ef o r m e d ，a n dt h e e l e c t r i c a lp r o p e r t yo ft h es a m p l es u c ha sc va n di - vc h a r a c t e r sw i l lb e d i f f e r e n tw i t hn o r m a ls a m p l e t h ee n e r g yb a n dp r o f i l eo ft h i ss t r u c t u r ew a ss i m u l a t e db ys o l v i n g p o i s s o ne q u a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ed e f e c tc o n c e n t r a t i o ni s h i g he n o u g h ，t h ee l e c t r o nq u a s i f e r m il e v e lw o u l db ep i n n e da tt h ed e f e c t l e v e l ，a n dal a r g ea m o u n to fe l e c t r o n sa r et r a p p e da tt h ed e f e c tl e v e l t h e n u m b e ro ft h ee l e c t r o no nt h ed e e pd o o rd e f e c tl e v e lw i l lb ec h a n g e d u n d e rd i f f e r e n te x t e m a lb i a s ，a n dt h ed e f e c tl e v e lc a nb ed e t e c t e db yd e e p l e v e lt r a n s i e n ts p e c t r a s c o p y t h ep o l a r i t yo ft h es i g n a li so p p o s i t et ot h o s e o b t a i n e di nt h eo r d i n a r yd l t sm e a s u r e m e n t t h ee m i s s i o na n dc a p t u r eo f e l e c t r o n sa tt h ed e f e c tl e v e lc a nb ed e t e c t e ds i m u l t a n e o u s l yi nas i n g l e t e m p e r a t u r e s c a nb yp r o p e r l yc h o o s i n gt h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tad e e pd o n o rl e v e l0 4e vb e l o w c o n d u c t i o nb a n d ，w h i c hm a yb er e l a t e dt ot h ec l u s t e r i n go f e ra n dos i n c e n od l t ss i g n a li sd e t e c t e di nt h es a m p l et h a ti sd o p e dw i t hoo n l y k e y w o r d s ：e r b i u md o p e ds i l i c o n ，m b e ，e l e c t r i c a lp r o p e r t y ，d l t s 棋乒大擎硕士论文陈宇 第一章引言 1 1 研究掺铒硅的目的与意义 信息时代的到来使得信息的传输、存储和处理对整个社会变得极为重要。 当代信息化的基础是集成电路，随着集成电路的高速发展，集成速度和运算速 度不仅受到缩小微区尺寸的工艺限制，而且也受到运动电子和空穴电荷可能产 生的相互干扰( 如电感) 的限制，即引线问题。引线之间的电容电感在集成度不 断提高的过程中对信号传输的影响越来越大，而且引线的面积在整个电路所占 比例也达到不能容忍。解决途径之一就是用光的发射和接收取代电的输出和输 入。 硅材料和硅工艺作为现代集成电路的基础，是人类至今为止研究最透彻的 材料和最成熟的工艺。但是硅本身是间接能隙半导体，电子复合发光效率很低， 不能直接用作发光材料。目前大多数发光器是化合物半导体发光材料制成，但 是由于封装技术和工艺所限不能与硅高度集成。 因此，探索能够与硅高度集成的发光材料的任务就显得尤为迫切。其中锗 硅量子阱发光，硅中等离子体发光，多孔硅发光，和掺铒硅发光在近年来都取 得了一定进展。其中掺铒硅发光尤其引起了人们的重视。因为其既能通过光学 激发，又能通过电学激发发光，其跃迁产生的光波长为1 5 4 u m ( 且几乎完全不 随基底材料性质而改变) 对应于石英光纤吸收的最小窗口，可以说是天生用来 制造发光器件的。 铒作为一种稀土元素掺入硅中，会在硅的禁带中引入缺陷态，这必将影响 样品的电学特性。掺铒硅器件的功能将与这种稀土掺杂引起的电学特性变化密 切相关，器件的设计必须考虑到这种变化，掺铒硅发光器件的最优发光效率的 获取也依赖于对掺铒硅的能量传输机制的理解。因此，开展对掺铒硅电学特性， 尤其是其中的缺陷态的存在及变化对材料性质的影响就显得十分重要。 後霉史擎硕士论文陈宇 1 2 研究铒在硅中引入缺陷态的历史与现状 对掺铒硅电学特性的研究包括对样品电容电压特性，电流电压特性，电导 电容的温度特性，霍尔特性，缺陷态特性等的研究。其中尤其深能级缺陷特性， 即不同生长条件下和处理过程中铒，或者铒氧共掺入时在硅中引入的深能级缺 陷及其变化，以及对发光的影响尤其受到重视。但是从理论上看，只有少数的 报道- ) ( z ) ；而从实验上看，不同的掺铒方法又导致很不相同的结果，其中有些 测得的深能级可能是掺杂方法所引入的缺陷。至今，铒在硅中是旌主还是受主 也不是非常确定。b e n t o n “等人最早在离子注入铒的硅中测得铒引入的深能级 是施主型：e f e o g l u “等人在分子束外延的掺铒硅中测得一个受主深能级； l i b e r t i n o 伯等人用深能级瞬态谱( d l t s ) 在离子注入铒的s i 中，测量得到 与铒有关的四个深能级，分别位于导带以下0 5 1 ，0 3 4 ，0 2 6 ，0 2 0 e v 处。当共 注入氧后上述四个能级浓度大大降低，而出现了一个新的能级位于导带下 0 1 5 e v ，这个深能级缺陷被认为是e r o 络合物。a c a v a l i i n i “利用液相外 延法生长掺铒硅，并利用d l t s 和0 d l t s 及c v 方法测量了样品中深能级缺陷。 测到了四个空穴陷阱和四个电子陷阱，通过三个样品的比较发现，认为与铒中心 相联系的并对发光有贡献的能级为一个空穴陷阱e v + 0 3 2 e v 和两个电子陷阱 e c 一0 3 9 e v 和e c 一0 2 0 e v ，这三个能级对发光有贡献。 与离子注入等方法相比，用分子束外延( m b e ) 生长掺铒硅有许多优点， 比如能够生长任意厚度的均匀掺杂的外延层，铒掺入的浓度以及其分布不受注入 离子能量的限制，并且m b e 生长的样品相对来讲，晶体质量最好，由生长方法 本身所带来的缺陷最少，便于进行分析研究。但至今，据我们的调研，只有 e f e o g l u “等人在分子束外延的掺铒硅中测得一个受主深能级，但推测可能是 掺杂源引入的。其它的报道都没有给出深能级信息。 1 3 本论文采用的电学测试方法简介 1 3 1c v 电容电压法是测试金属一半导体肖特基势垒半导体- - n 及p n 结低掺杂 一侧的载流子浓度分布的传统方法。掺杂不均匀及局域的缺陷态都会在c v 曲 2 经星火肇硕士论文陈字 线上得到一定的反映。其理论依据是一维泊松方程 d 2 v ( z ) ：一盟 d z 2 s 式中z 是材料的生长方向，也是外电场方向，e 。是介电常数。p ( z ) 是空间电 荷密度的纵向分布。 正常情况下样品杂质浓度分布与电容电压关系为。 nd ( w ) = 1 3 2 导纳谱 导纳谱是七十年代提出，用于测量肖特基势垒或p n 结空间电荷区边界处 的深能级缺陷8 。其基本原理是，在交变小信号电压作用下，样品耗尽层的能 带弯曲随之变化，引起耗尽层边缘深能级上载流子发射和俘获，即深能级缺陷 于价带和导带之间发生载流子的交换。单位时间内因测试电压的变化导致深能 级载流予数目的变化，便体现为样品的交流电导值和电容值“： g t _ 矗睾a c 警 s ， c ，= 南睾a c 訾必， 阻t ， 其中e 。为深能级载流子发射率，n ，为深能级浓度，a 为二极管面积，q 为 电子电荷，v = v 。+ v 。，v d 为肖特基势垒内建电势，v 。为所加偏压，n + 为耗尽层 正电荷数( 对n 型半导体) ，n 位自由电荷数。 在不同频率下测量电导随温度变化曲线，当温度变化使得陷阱载流子发射 率和测量频率相一致时，结构电导出现峰值，根据发射率与温度指数的关系求 得缺陷能级的位置。 1 3 3d l t s 深能级瞬态谱是d v l a n go 于1 9 7 4 年提出，用于检测半导体材料内的深 能级缺陷。通过在样品上加一固定的反向偏置电压，同时叠加一个周期性的短 暂正向脉冲。脉冲期间耗尽层中深能级上中心填充载流子，脉冲过后，深能级 中心载流子将以一定的发射率e 随时间指数衰减地发射至导带或价带边，并引 起空间电荷区的变化，势垒电容也会以相同的变化规律发生瞬变。在不同的温 3 一 後旦史擎硕士论文陈字 度下测量这个瞬变过程， 可以得到不同温度下载流子的发射率。 缺陷上载流 子的发射率e 与温度t 满足以下的关系： 石c = ao e x p ( 一鲁) ， ( 1 5 ) 式中a 。是与温度无关的常数， e a 是缺陷上载流子发射的激活能。所以可 由l n ( e t 2 ) “1 k t 直线关系的斜率来确定缺陷能级的位置。 1 4 本论文工作成果 本论文主要工作集中于用电学方法，包括c - - v ，导纳谱，和d l t s 等对分 子束外延生长的铒氧共同掺入硅样品的缺陷态进行研究。 理论上讲，外延方式生长的掺铒硅薄膜，特别是m b e 方式生长的样品，其 晶格完整性比用铒离子注入方式要好，不需要高温退火来消除生长方法引入缺 陷。但是从文献调研来看，用外延方式生长的s i ：o ：e r 薄膜的电学性质工作 极少，最令人困惑的是一些文献外延生长样品测试结果表明铒氧在硅中引入的 是受主能级，而不是大多数文献报道的施主能级。我们尝试用电学方法对我们 自己生长的样品进行研究。结果表明，我们的系统生长样品中铒氧起施主作用。 由于我们的样品为层状结构，而样品本底掺杂为弱受主。当样品局部区域 引入高浓度的施主杂质时，就会产生一个反型薄层。这种特殊结构导致能带变 化，从而影响到常规的电学测试及实验结果的分析。我们利用龙格一库塔法解 泊凇方程，计算并模拟了这种结构的能带图、场强分布图以及c v 曲线。分析 了能带变化及其对i v 测试，导纳谱测试，d l t s 测试的影响。 根据我们实验和理论分析的结果，成功解释了反常的d l t s 实验结果，并 具体分析了用d l t s 方法测试肖特基势垒区中少子能级的可能性以及测试结果曲 线的特点，与正常d l t s 谱线的异同等。 我们的实验结果表明：利用分子束外延生长的铒氧硅中将引入施主缺陷， 该能级位置位于导带底之下0 4 0 e v 处，该缺陷是与有关的复合体。 4 梗霉史擎硕士论文陈宇 第二章原理 2 1 掺铒硅材料发光原理 自从e n n e n “”等人报道了e r 掺杂s i 的光致发光谱( p l ) 以来，s i 中掺 铒受到了高度重视，因为其既能通过光学激发，又能通过电学激发发光，而且 其跃迁产生的光波长为1 5 4 u m 对应于石英光纤吸收的最小窗口。而且铒发光波 长几乎完全不随基底材料性质而改变。其发光过程如下： 铒的三价离子通过4 f 轨道电子跃迁( 从第一激发态4 i 。：到基态41 5 2 ) 发 出1 5 4 u m 波长光波，由于4 f 轨道还有5 s ，5 p ，6 s 轨道起屏蔽作用，所以s i 品 格场对4 f 轨道影响很小。 一方面4 f 轨道对原子成键作用很小：另一方面，本来对于单个铒离子4 f 轨道跃迁( 从第一激发态4 i 。，。到基态41 5 2 ) 根据自旋轨道守恒定律被禁戒。当 铒离子注入硅中，晶格场的微弱作用使其基态4 i 。由1 6 度简并态变为三个4 度简并态r 。和两个2 度简并态f 。，；第一激发态4 i 。3 2 也分裂为两个4 度简并 态r 1 。，一个2 度简并态r ，和两个2 度简并态r 。，这样跃迁得到允许“”，如图 2 】。 2 2 在铒硅中掺氧的目的及作用 由于e r 在s i 中极低的固溶度导致发光效率低，掺铒硅的研究一度处于低潮。 因为： 1 ) 实验上知道o ，当铒浓度超过一定值会出现e r s i ，沉淀，而发光强度也达到 一个极值，说明只有溶于硅中铒离子才对发光有贡献。但铒在硅中固溶度极低。 2 ) 由于强烈的非辐射跃迁，当温度由7 7 k 上升到室温时，发光强度下降三个数 量级) ，见图2 2 。 九十年代丌始，人们发现某些杂质和缺陷的存在能够增加铒在硅中固溶度“”， 从而大大提高铒发光强度。这又激起了人们研究掺铒硅发光的热情。研究者通 过共掺各种杂质，如0 、c 、f 、n 、h 以及多i l 化等手段来提高发光强度，鉴于 後旦史肇硕士论丈陈宇 e n e r g y ( e v ) v w a ：v e l e n g t h d ) 图2 2 发光强度随温度的淬灭( 参考文献3 ) 6 後霉七擎硕士论文陈宇 操作上的原因以及实验比较的结果，现在研究较多的是e r 、0 共掺入晶体硅及 多孔硅中，即e r ：o ：s i 系统。 在硅铒系统中氧的存在起着重要作用( 1 3 ) o 首先它可以避免铒的偏析；而且 可以使硅中具有光学活性的铒离子数目大大增加；氧的存在也可以改变深能级 性质，影响到温度粹灭效应，即铒放光强度随温度升高快速下降的效应。通常 认为e r 有两种离子态e r 2 + ( 外层电子看作4 f “6 s 2 ) 和e r ”( 4 f 6 s 2 5 d 1 ) ，计 算表明e r ”能量比e r 2 + 更低，所以也更稳定“”。当铒在非极性的硅晶体中形成 e r s i 键( e r 2 + 态) 时，铒没有光学活性；当氧迁移到铒周围，氧取代硅构成e r 一0 键( e r ”) 后才有光学活性“h “。b e n t o n 的实验o 表明离子晶体和化合物半导 体中，替位上的铒总以e r “的形式存在，可以直接发光，而在非极性硅晶体s i ：e r 材料中形成e r s i 键的铒以e r 2 + 的形式存在，无光学活性，只有当氧掺入后提 供一个局域场，形成e r 一0 键，才能使铒具有光学活性“。万钧计算表明“氧 的存在能降低电子束缚能，提高硅在铒中的掺杂浓度，当e r ：0 比例为l ：6 时为 最稳定的状态；氧的存在改变了铒的电子态，6 s 轨道变成了几乎空的导带，5 d 轨道电子与氧的2 p 电子和硅的2 p 电子混杂形成了靠近硅导带的杂质态。 2 3 铒在硅中形成的深能级缺陷及其对铒发光的影响 由于铒将在硅中引入深能级缺陷，这些缺陷对于铒在硅中的发光效率以及 器件的电学特性都会产生一定的影响。 通常认为铒原子激发机制如图2 3 ，其一是通过硅原子空穴一电子复合将能量传 给铒离子产生激发( 图2 3 一a ) ，其二是热载流子( h o tc a r r i e r ) 碰撞激发( 图 2 3 扎) ，即硅原子俘获热电子，放出的能量激发铒离子的基态电子至激发态。 电子被激发后可能辐射发光，也可能通过非辐射跃迁释放能量。可见发光效率 与激发效率和非辐射跃迁的竞争密切相关。由于铒离子激发态电子寿命为l m s ， 存在强烈的非辐射竞争，非辐射跃迁不可忽略。非辐射跃迁也有两种。当铒浓 度很高时，由子铒具有强烈的施主效应，所以自由电子浓度很高，会产生强烈 的俄歇跃迁( 图2 3 - d ) ：另一种称为能量背运输( 图2 3 c ) 。硅禁带宽度与铒 激发能量( 0 8 0 e v ) 有个差值，当深能级缺陷态存在，硅电子空穴更容易通过 缺陷能级复合，当释放能量大于0 8 0 e v 时，容易传递能量给铒，当能量小于 7 彼旦史擎硕士论文陈字 图2 3 铒在硅中激发和退激发机制示意图 0 8 0 e v 时，不易能量的传输。 研究表明氧同时掺入对铒在硅中引入的深能级有明显的影响，通常认为氧掺 入易与硅、铒成键，形成络合物，并大幅度降低体系能量。增加铒的固溶度， 从而提高了铒在硅中的浓度。此外铒氧络合物能在硅禁带中引入能级，与铒单 独掺入在硅禁带引入能级有所不同“2 ”。 2 4 铒在硅中形成的深能级缺陷对材料电学特性的影响 由于铒氧共掺使硅中铒的浓度大幅度提高，但与此相关的深能级缺陷也显 著增加，这些高浓度的深能级缺陷的存在，势必会对硅材料的电学特性产生影 响。我们的样品是用m b e 方法生长，未掺时本底的导电类型为弱p 型，如果样 品局部区域因掺铒氧而引入高浓度的施主杂质时，就会产生一个反型薄层，从 而影响到材料的各种电学特性。如果要用i v 、c v 、导纳谱及d l t s 等方法 对这类样品进行研究时，首先必须要分析含有薄层高浓度施主缺陷对p 型样品 中能带分布的影响，并在此基础上进一步分析这些缺陷的存在对各种测试方法 的影响。在第三章中，将对p 型样品中存在高浓度薄层施主缺陷时的能带分布 进行计算，并模拟计算相应的c v 曲线，分析用导纳谱及d l t s 方法测量这种 结构样品的特点。 损旦大擎硕士论文陈宇 第三章模拟计算 3 1 计算原理 用电学方法研究半导体材料的特性，特别是研究深能级缺陷，需要对样品 的能带结构，电场分布及其变化有一定的认识，我们尝试计算实验中用到的样 品能带分布图。 实验中所采用的样品结构是在含有薄层深能级施主缺陷的p 型样品上蒸铝 形成肖特基结构，测试中在金半接触两端加偏压使得肖特基势垒发生变化，并 引起薄层中深能级上电子填充率的变化。计算即基于这种样品结构，利用龙格 一库塔法，解泊凇方程计算出电势及电场的分布以及深能级上电子浓度随偏压 变化。 对于金半接触的肖特基势垒，通过势垒区的准费米能级是水平的。对p 型 半导体，e f d 与半导体内的费米能级e ，。重合。而e ，。与金属的费米能级e f 重合， 在势垒区中导带电子浓度n ( x ) 与价带空穴浓度p ( x ) 分别由e ，。与e ，。位置所 确定。若耗尽层中存在一层薄层施主型深能级，则其上电子浓度n 。可由下式确 定“”： n t _ n l 1 + g l - - e x p ( 掌】 ( 1 ) 其中n 。为深能级浓度，e 。为深能级位置。 为了求出在不同外加偏压下深能级上电子浓度n 。，首先需要求得e 。e ，。随 夕t - t n 电压的变化，即不同偏压下能带分布。这可以通过解泊松方程求出电场与 电势的分布。 描述势垒区中电势v ( x ) 及电场e ( x ) 方程为： d 2 - v ( 广x ) ：一旦 一n ( x ) + p ( x ) + n ( x ) 】 ( 2 ) d x 出 d v - ( 一x ) ；一e ( x ) ( 3 ) 其中n ( x ) 为电离杂质浓度。在深能级缺陷层中n ( x ) = n 。一n 。一n ，而在其 它区域n ( x ) = 一n 。在势垒区边界x ，处v ( x 。) - - - - - 0 ，e ( x 。) = o 。就可用迭代 9 旗旦史擎硕士论文陈宇 法对( 2 ) ( 3 ) 式微分方程组进行数值求解，可得出每个偏压下对应的v ( x ) 及e ( x ) ，图3 1 及3 2 为零偏压下能带及电场分布图。从图中可以看出，在 深能级浓度较高时，能带向下弯曲，费米能级钉扎在深能级附近。深能级上的 电子浓度将随外加偏压的变化而变化。图3 3 显示不同深能级浓度下，能级上 电子浓度随外加偏压的变化。 整个耗尽层的电荷可由下式给出： q = q d e ( x ) = q e ( e ( x 。) 一e ( o ) ) = 一q e e ( 0 ) ( 4 ) i e ( o ) 为半导体表面电场。计算出不同偏压v 下整个耗尽层电荷q ( v ) 后，即可 由下式给出肖特基势垒电容： c ( v ) = d q d v ( v ) ( 5 ) 从而得到c v 曲线。 3 2 模拟计算c v 曲线结果与分析 图3 4 为不同深能级缺陷浓度的模拟计算c v 曲线。在计算中所用的参 数为：p 型材料本底掺杂浓度为n a = l 1 0 “c n l ，覆盖层厚度为8 0 0 h m ，具有 施主型深能级缺陷的薄层厚度为1 0 0 n m ，深能级缺陷的密度分别为，( 1 ) n 。= o ， ( 2 ) n ，- - - - - 5 x1 0 1 5 c m ，( 3 ) n 。= 1 1 0 “c m ，( 4 ) n ，= 1 5 1 0 1 6 c m 。 从图中不难看出，在缺陷浓度较小的情况下，即使在零偏压时，缺陷能级 上就几乎没有电子，所以当偏压变化时，也不会有电子的发射和俘获，因此对 于整个样品的电容也几乎没有影响，这时的c v 曲线与正常情况相仿。随着缺 陷浓度的增加，零偏压情况下缺陷能级上有较高电子占有率，并随偏压变化而 变化，这就可能对样品电容造成影响，而且可以通过一定的方式测试电子的发 射和俘获。 图3 5 为缺陷浓度固定，改变覆盖层厚度所得模拟计算c v 曲线，在计 算中所用的参数为：p 型材料本底掺杂浓度为n = lx1 0 “c m 一，深能级缺陷的 密度为n ，= 1 5 1 0 ”c m ，具有施主型深能级缺陷的薄层厚度分别为( 1 ) 3 0 0 h m ， ( 2 ) 5 0 0 n m ，( 3 ) 8 0 0 n m ， ( 4 ) 1 0 0 0 n m 。覆盖层薄的样品产生反常c v 变化 趋势对反型缺陷浓度要求更大。 1 0 经孽火擎硕士论文陈宇 n ) x p n ) c 1 1 1 d e p t h ( n m ) 图3 1 理论计算含高浓度薄层反型深能级样品能带图图。参数设置：p 型衬底 掺杂浓度为n = 1 1 0 “c n l ，覆盖层厚度为8 0 0 n m ，具有施主型深能级缺陷的 薄层厚度为1 0 0 n m ，深能级缺陷的浓度分别为n 。- - - - 2 x1 0 ”c m 。 ，、 e o o o o i i j d e p t h ( n m ) 图3 2 图理论计算含高浓度薄层施主型深能级的样品电场分布图。参数设置 同图3 1 。 援重大擎硕士论文陈宇 卜- z 、 卜 c 图3 3 不同深能级缺陷浓度下缺陷能级上电子占有率随偏压变化图参数设置： 具有施主型深能级缺陷的薄层厚度为1 0 0 n m ，深能级缺陷的密度分别为，( 1 ) n t = l x 1 0 1 6 c m 一3 ，( 2 ) n t ：= 1 5 1 0 1 6 c m 一3 ，( 3 ) n t - - - - 2 x 1 0 1 6 c m 一3 ，( 4 ) n t - - - - 2 5 x 1 0 1 6 c m 一。其余参数同参数设置同图3 1 。 c 3 o ) c m 篇 。 仍 仍 。 图3 4 不同深能级缺陷浓度下理b i a s ( v ) 论计算c v 曲线。参数设置： p 型衬底掺杂浓度为n = 1 1 0 ”c m 一，覆盖层厚度为8 0 0 n m ，具有施主型深能 级缺陷的薄层厚度为1 0 0 n m ，深能级缺陷的浓度分别为，( 1 ) n 。= 0 c m ，( 2 ) n 。 = 5 1 0 1 5 c m 一3 ，( 3 ) n 。= 1 1 0 1 6 c m 一3 ， ( 4 ) n t = 1 5 1 0 “c m 一3 。 1 2 攒旦火擎硕士论文陈字 鼍 芒 量 譬 导 c ) b i a s ( v ) 图3 5 不同覆盖层厚度下理论计算c v 曲线。参数设置：p 型材料本底掺杂浓 度为n = 1 x1 0 ”c m ，深能级缺陷的密度为n t = 1 5x1 0 “o m ，具有施主型 深能级缺陷的薄层厚度分别为( 1 ) 3 0 0 n m ，( 2 ) 5 0 0 n m ，( 3 ) 8 0 0 n m ， ( 4 ) 1 0 0 0 n m 。 涪 2 鐾 笔 导 o b i a s ( v ) 图3 6 不同掺杂浓度下理论计算c - - v 曲线。参数设置：覆盖层厚度为8 0 0 r i m ， 具有施主型深能级缺陷的薄层厚度为1 0 0 n m ，深能级缺陷的密度为n = 1 5 1 0 “c m 。p 型材料本底掺杂浓度为n a = 0 8 x1 0 ”c m - 3 ( 1 ) n = 0 8x1 0 ”c m 一， ( 2 ) n = 1 1 0 15 c m ，( 3 ) n a = 1 2 x 1 0 1 5 c m ，( 4 ) n a = 1 4 x 1 0 1 5 c m 。 1 3 後旦史擎硕士论文陈宇 图3 6 为改变本底掺杂浓度所得模拟计算c - - v 曲线，在计算中所用的参 数为：覆盖层厚度为8 0 0 h m ，具有施主型深能级缺陷的薄层厚度为l o o n m ，深能 级缺陷的密度为n ，= 1 5 1 0 ”c m 。p 型材料本底掺杂浓度为n a = 0 8 1 0 “c m 一 3 ( 1 ) n a = o 8 1 0 1 5 c m 一3 ，( 2 ) n = 1 1 0 1 5 c m 一3 ，( 3 ) n = 1 2 1 0 1 5 c m 一3 ， ( 4 ) n = 1 4 x ；t o “c m 。本底p 型掺杂浓度增大与施主型缺陷浓度减小效果相仿。 这比较容易理解，反常的c v 曲线的出现，在于薄层反型层对能带分布的影响， 本底受主浓度越高，使之能带弯曲所需的缺陷层施主浓度也应越高。 3 3d l t s 测试可行性分析 d l t s 测试利用的原理根本上是脉冲电压前后费米能级扫过缺陷能级，使得 脉冲期间载流子填充，脉冲过后载流子发射，测量载流予从缺陷深能级上发射 几率随温度变化求得其能级位置( 图3 7 ) 。普通肖特基样品少子深能级在脉冲 前后都位于费米能级同侧，没有载流子填充与发射过程，因而的不到d l t s 信号。 对于我们这种具有薄层反型层的结构，由以上计算可知高浓度反型掺杂使得费 米能级靠近缺陷能级，脉冲期间缺陷能级电子占有率高，脉冲后缺陷能级电子 占有率低( 图3 3 ) ，即脉冲过后缺陷能级上有一部分电子将发射至导带，因此 可以探测到载流子的发射过程。 3 4 导纳谱测试可行性分析 普通导纳谱是在交变小信号电压作用下，样品耗尽层的能带弯曲随之变 化，引起费米能级和深能级交界处深能级上载流子发射和俘获，由于通常样品 掺杂浓度较低，在交变小信号下电子俘获发射数量很少，因此导纳谱信号通常 很弱( 图3 8 ) 。对于层状掺杂样品，一般来讲，只有在特定的偏压使费米能级 于掺杂层与深能级相交时才有导纳谱信号。而对于我们的样品一定偏压范围内 杂质能级上都有电子占据，且随偏压变化。由于我们的样品深能级浓度高，因 此深能级缺陷对小的交流信号有响应，在偏压不很大时可以观测到导纳谱信号。 1 4 橇霉史擎硕士论文陈宇 t 5 ，v = 一v r 图3 7 常规d l t s 测试中深能级中心上空穴发射过程 e y r e ，r 乞。一； 步 ，一 图3 8 导纳谱测试中普通p 型样品肖特基结构能带图 e t f 5 後算火擎硕士论文陈宇 3 5 模拟计算的说明 模拟计算中假设了本底掺杂均匀，薄层中缺陷浓度商并且是突变( 薄层中 缺陷浓度分布均匀薄层边界处曲线浓度突变) ，忽略了高温生长样品时很难避 免的偏析，虽然下面的实验结果证明由于氧的掺入，铒的偏析被很好的控制， 但毕竟还是有一定的分布。而且我们生长样品的本底掺杂不是人为控制，而是 由于生长系统长期使用硼源掺杂使得生长的外延层的本底为弱p 型。浓度约为 1xi o “c m - 3 ，计算参数也定为这个数值。在计算程序中，可以设置两个不问能 级位置及浓度的深能级缺陷，但实际的稀土元素掺杂可能引入多个深能级，而 且其浓度比例也无法准确得到。因此，该计算程序可以用来定性描述偏压下能 带变化，电子浓度变化以及对稳态及瞬态电容的变化趋势的影响。 模拟计算还暗含了一个前提，即缺陷层很薄，出为计算中假设了通过势垒 区的准费米能级是水平的。如果缺陷层超过一定厚度，由于其浓度高，会形成 类p n 结结构，整个结构准费米能级情况将比较复杂。 另外，模拟计算的电容值是反映电容测试频率比较低的情况。当电容测试 频率较高时，缺陷能级与导带交换载流子的速率无法跟上测试频率，此时实际 测量得到的电容数值与理论计算值有很大差别。 1 6 橇旦火擎硕士论文陈宇 第四章样品生长技术及测试系统 4 1 样品制备 4 1 1 样品生长前的清洗 样品衬底采用的是p 型( 1 0 0 ) 单晶硅，电阻率为5 8 qc m 。硅片进入m b e 系统前经过严格化学清洗，具体过程如下： i ) 衬底依次在三氯乙烯。丙酮和酒精中超声清洗l o 1 5 分钟，完成衬底 片的去蜡。 2 ) 在h 2 s 0 4 ：h 2 0 2 = 2 ：l 的溶液中煮沸l o 分钟，进一步去蜡，然后用h f ( 5 ) 腐蚀掉形成的氧化层( 1 - - 2 n m 左右) 。 3 ) n h 。o h + h ：0 2 + h 2 0 ( 1 ：1 ：4 ) 煮沸l o 分钟，今年一步去除有机杂质和部分金 属离子，然后h f ( 5 ) 腐蚀氧化层。 4 ) 在h n 0 3 中煮沸5 分钟，将表面一层氧化掉，再用h f ( 5 ) 腐蚀，如 此氧化腐蚀，反复进行2 到3 次。 5 ) 在h c l ：1 1 2 0 2 ：h 2 0 = 3 ：l ：1 的溶液中煮沸5 分钟，最后在硅衬底表 面形成一层保护氧化层。 6 ) 在n 2 气氛下，用h f ( 1 ) 溶液d i p 2 0 - - 6 0 妙钟，将氧化层票调，在 经甩干机在n 2 气氛中甩干后装上无铟m o 样品座，迅速送进真空系统。 利用这种方法清洗的样品比较好的解决了s h i r a k i 清洗方法带来的衬底和 外延层之间的硼富集的问题( 1 8 ) 0 4 1 2 样品生长系统 样品生长在r i b e r s s cm b e 系统中进行。该系统包括进样室，分析室和生 长室( 图4 1 ) 。 1 进样室用于不破坏超高真空条件下快速进样和预处理； 2 分析室配备俄歇电子谱仪，可分析样品表面成分； 3 分子柬外延生长在m b e 系统生长室完成，生长室有一个硅源放在容积为 4 0 m l 的铜质坩锅内，采用高能电子束轰击加热的方法产生束流。两个石英晶振 可以监测生长速率和厚度，生长室内还有个铒源放置于普通束源炉p b n 1 7 强旦史擎硕士论文陈宇 e l ( i t 只o nb e a me v a p o r a t o r r l b e r ，s s c 图4 i r i b e r - s s cm b e 系统 k n u d s e nc e l l ，通过坩锅周围的t a 灯丝辐射加热。高纯氧通过漏阀被引入生长 室提供生长所需的氧。 4 1 3 生长中结构的考虑和遇到的问题 由于生长样品需要掺氧，铒源，硅源熔点都很高，加热电阻丝也是高温工 作。这样，对源和电阻丝容易产生氧化。因此，生长样品过程中氧压不能太大， 而且通氧时间也不宜太长。同时，实验经验表明当掺铒层太厚，样品品格特性 不能一直保持良好，生长样品时，考虑到这个因素，设计层状掺杂的结构。样 品主要用于电学测试，因此掺铒层上面的覆盖层比较厚，为避免衬底界面态的 影响，缓冲层也较厚。 4 2 测试系统简介 4 2 1c v 测试 我们的测试系统中，将h p8 1 1 6 脉冲电压发生器输出端连接到h p4 2 7 5l c r 仪器的外接偏置电压的输入端及k e it h l e y2 0 0 0 数字多用表的输入端，将样品两 1 8 棋霉史擎硕士论丈陈宇 端接入h p4 2 7 5 的输入端，如图4 2 所示，即可进行c - v 测试。开始钡4 试时首先 将测试电压范围及电压间隔等参数输入至计算机，然后计算机通过i e e e 一4 8 8 接 口，控制h p8 1 1 6 不断改变输出电压，并从h p4 2 7 5 读入相应电容及电导数值。 由于h p8 1 1 6 输出电压会随外接负载变化略有变化，因此计算机从k e i t h l e y2 0 0 0 中读入加在样品上的实际电压。整个测试系统在计算机控制下自动完成，直至测 试完毕，在测试过程中实时显示有关测试结果，测试结束后可进入数据处理及计 算程序。 4 2 2d l t s 测试 图4 3 中显示进行d l t s 测试系统硬件连接图，计算机控制的h p8 1 1 6 a 函数脉冲 发生器发出脉冲电压信号，通过b o o t o n7 2b 电容仪加载于测试样品上，并同时 触发f l u k e8 5 2 0h 多用表自动以相同的时间间隔读入瞬态电容信号，并将信号 存储在其内部的存储单元中。当8 5 2 0a 记录完一条瞬态电容曲线后，再将所有 数据通过i e e e - 4 8 8 接口传输给计算机。与此同时，计算机还从k e i t h l e y2 0 0 0 中读入反映当前样品温度的热电偶电压。然后，计算机控制h p8 1 1 6a 发出下一 个脉冲电压，进行下一个测试过程。在整个升温过程中，计算机反复进行这样一 图4 2c - v 测试系统 援霉火擎硕士论文陈宇 图4 3d l t s 测试系统图 个测试过程，直至整个温度扫描结束。温度扫描过程中，瞬态曲线上任意固定两 点差值，就可组成一条d l t s 信号谱。 4 2 3a d m i t t a n c es p e c t r o s c o p y 测试 测试过程中，将样品两端接入h p 4 2 7 5 al c r 仪器的输入端，将测温的热电 偶电压接入f l u k e 8 8 4 0 a 多用表，即可进行c t 及g t 的测试。在测试时，先 将样品架浸入液氮中，然后让其缓慢自然升温。在升温过程中，计算机控制 h p 4 2 7 5 a 不断改变测试频率，得到不同频率下，样品的电容和电导值，并从8 8 4 0 a 中得到反映样品温度的热电偶电压，在计算及屏幕上实时显示所有频率的c t 和g t 曲线，为了保证测试的准确性，样品升温速率不能太快，尤其在出现导 纳峰附近的温度范围内。 2 0 经旦史擎硕士论文陈宇 第五章实验结果及讨论 5 1 样品结构 5 1 i 样品生长条件 样品衬底采用的是p 型( 1 0 0 ) 单晶硅，电阻率为5 8 q cm 。样品生长在 r i b e r s s cm b e 系统中进行，m b e 系统生长室有一个s i 源和一个铒源，两个石 英晶振可以监测生长速率和厚度。高纯氧通过漏阀被引入生长室提供生长所需 的氧。生长外延硅材料的本底掺杂浓度约为1 1 0 1 5 c m ，导电类型为p 型。具 体生长条件如下表，a 样品为没有任何掺杂的外延层，b 样品在外延层中有一层 铒掺杂层，c 样品为外延层中有一层生长过程中通氧气，d 样品为外延层中有一 层铒掺杂层，并且掺杂层生长过程中通氧气。 s a m p l e b u f f e r ( n m ) c o m p o n e n ta c t i v e ( r i m ) s u b s t r a t e ( 。c ) 0 2 c a p ( r i m ) a8 0 0 b5 0 0e r1 0 05 0 02 1 0 66 0 0 c5 0 0 01 0 05 0 02 x 1 0 66 0 0 d1 0 0e r 01 0 05 0 0 4 1 0 6 8 0 0 5 1 2 s i m s 谱图 高温下稀土元素掺杂往往存在较大偏析效应，通过同时掺入氧可以抑制 铒的偏析。为了检测铒在样品中的分布情况，对样品进行了二次离子质谱( s i m s ) 的分析。图5 1 1 为样品d 的二次离子质谱图。从图中可以看出，由于氧的同 时掺入成功抑制了铒的偏析，使铒限制在掺杂的薄层中，由铒掺入所引入的深 能级缺陷也就限制在这一层中。 5 1 3i v 测试结果 图5 1 2 为样品的电流电压关系曲线，图中p 型衬底硅呈现出典型肖特基 势垒的整流特性，当外加电压为正时，随着电压增大电流迅速增大，当外加电 压为负时，产生很小的反向电流，并且随着反向电压增大电流趋于饱和。样品 a ，b ，c 伏安特性与p 型衬底硅十分相象，不同之处只是各自正向开启电压略有 2 1 後宴火擎硕士论文陈宇 不同，但基本都为零点几伏。而样品d 的i v 曲线大不相同，在正反向电压下， 流经样品的电流都很小。这可能是由于在铒氧共掺层中出现高浓度施主型深能 级缺陷层嵌于p 型样品中，形成类似p n p 结构，使得不论加正向还是反向 = c ： o d e p t h ( u r n ) 图5 1 1 样品d 的二次离子质谱图 v o l t a g e ( v ) 图5 1 2 样品的电流电压关系曲线 棋霉火擎硕士论文陈宇 5 2c v 测试结果分析 反型层的存在也可从样品的c v 关系曲线上得到佐证。图5 2 1 显示了 样品的c - - v 曲线。我们同样发现样品a ，b ，c 与常规p 型硅肖特基势垒电容十分 相象，电容随反向偏压增大而单调减小，而样品d 的c v 测试结果却与其不同， 电容随电压的变化是先增大再缓慢减小。这是由于当反向偏压增大时，施主深 能级上发射的电子而减少的势垒区负电荷，超出了衬底俘获电子导致的势垒区 负电荷增加。这在模拟计算c v 曲线中也得到了类似的结果。 图5 2 2 中显示不同频率下样品d 的c v 曲线。低频电容明显大于高频 电容，这也是由于在样品d 中存在高浓度薄层施主缺陷，因该缺陷能级较深， 它与导带交换电子需要一定的时间，当该缺陷能级上电子变化的速率能跟得上 交变的电容测试信号频率，这时的电容数值就明显增大( 这与掺铒层离表面距 离较近有关) ，随着电容测试频率的提高，缺陷能级上电子变化的速率无法跟上 电容测试的交变信号，此时交变信号引起的电荷变化只能在整个势垒区的边缘， 其电容数值也就