Nghiên cứu cấu trúc, tính chất của màng gesi đồng pha tạp p và sb ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử tích hợp

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn khơng trùng lặp với khóa luận, luận văn, luận án cơng trình nghiên cứu cơng bố Các số liệu sử dụng luận văn kết nghiên cứu với hướng dẫn khoa học TS Lương Thị Kim Phượng Tác giả luận văn Lưu Thị Minh Phương ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành, sâu sắc tới TS Lương Thị Kim Phượngngười dành cho thông cảm, động viên, ln giúp đỡ tận tình định hướng khoa học hiệu cho suốt thời gian học tập q trình thực luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn quan tâm, giúp đỡ củacác thầy cô cán Khoa Kỹ Thuật Công Nghệ- Trường Đại Học Hồng Đức Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới cán Phòng sau Đại học Trường Đại học Hồng Đức Thanh Hóa ln tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt thời gian học tập hoàn thiện luận văn Sau cùng, xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình, động viên bạn bè, học viên lớp Vật lý chất rắn, xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới gia đình tạo điều kiện giúp học tập nghiên cứu khoa học Nghiên cứu nằm khuôn khổ hợp tác Trường Đại học Hồng Đức Trường Đại học Aix- Marseille cộng hoà Pháp, tài trợ quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 103.02-2015.106 Tôi xin chân thành cảm ơn GS Lê Thành Vinh, TS Mohammad Ali Zrir nhóm nghiên cứu trường Đại học AixMarseille giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn Thanh Hóa, tháng năm 2017 Tác giả Lưu Thị Minh Phương iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu luận văn Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn Chương TỔNG QUAN .4 1.1 Cấu trúc vùng lượng Germanium 1.2 Ảnh hưởng ứng suất căng lên cấu trúc vùng lượng Ge 1.3 Pha tạp điện tử tác động lên tính chất quang màng Ge 1.4 Phôtpho kỹ thuật pha tạp điện tử vào mạng Ge 1.5 Đồng pha tạp tác động lên tính chất quang màng Ge 10 1.5.1 Cấu trúc tinh thể Antimon 10 1.5.2 Đồng pha tạp tác động lên tính chất quang màng Ge 11 Chương MỘT SỐ KỸ THUẬT VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 14 2.1 Chế tạo màng mỏng Germanium đế Silic 14 2.1.1 Tăng trưởng màng Ge hệ thống MBE (Molecular Beam Epitaxy) 14 2.1.2 Kiểm soát bề mặt màng hệ đo RHEED (Reflection High-Energy Electrons Diffraction) 16 2.2 Khảo sát tính chất màng Ge sau tăng trưởng 17 iv 2.2.1 Kiểm tra cấu trúc màng Ge kính hiển vi điện tử TEM (Transmission Electron Microscopy) 17 2.2.2 Phân tích thành phần vật liệu nồng độ pha tạp thiết bị đo phổ khối SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) 20 2.2.3 Đo phổ huỳnh quang màng Ge máy đo quang phát quang PL (Photoluminescence spectroscopy) 21 2.2.4 Đo thay đổi số mạng Ge máy chụp nhiễu xạ XRD (Xray Diffraction) 23 2.2.5 Kiểm tra độ linh động pha tạp điện tử màng Ge máy đo điện trở điểm 24 2.2.6 Xác định nồng độ điện tử kích hoạt sau pha tạp phép đo Hall 24 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Xử lý mẫu 26 3.2 Tính chất quang màng Ge/Si (001) sau pha tạp Photpho 29 3.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nguồn GaP lên cường độ huỳnh quang 29 3.2.2 Sự ảnh hưởng nhiệt độ đế tác động kỹ thuật xử lý nhiệt lên nồng độ pha tạp 30 3.3 Tính chất tinh thể màng Ge đồng pha tạp photpho antimon 31 3.3.1 Khảo sát tính chất tinh thể màng Ge/Si (001) sau đồng pha tạp photpho antimony 31 3.3.2 Ảnh hưởng nồng độ Antimony tới tính chất quang màng Ge đồng pha tạp Photpho Antimoiny 34 3.4 Khảo sát nồng độ nguyên tố pha tạp nồng độ điện tử kích hoạt màng Ge đồng pha tạp P Sb 37 3.5 Tối ưu hóa q trình xử lý nhiệt 42 3.6 Ảnh hưởng việc đồng pha tạp P Sb lên ứng suất căng màng Ge 44 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ε//: Ứng suất căng theo phương song song với mặt θ: góc chiếu nhiễu xạ λ: Bước sóng ánh sáng vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CMOS: Complimentary Metal Oxide Semiconductor CVD (Chemical Vapor Deposition): Lắng đọng hóa học từ pha MBE (Molecular Beam Epitaxy): Epitaxy chùm phân tử PL (Photoluminescence spectroscopy): Phổ huỳnh quang RHEED (Reflection High-Energy Electrons Diffraction): Nhiễu xạ điện tử phản xạ lượng cao SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry): Phổ khối Ion thứ cấp SK: Mơ hình tăng trưởng Straski-Krastanov SOI(Silic On Insulator): Silic chất cách điện TEM (Transmission Electron Microscopy): Kính hiển vi điện tử truyền qua XRD (X-ray Diffraction): Nhiễu xạ tia X vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Độ rộng vùng cấm độ linh động lỗ trống điện tử chất nhóm IV chất bán dẫn nhóm III-V[15] Bảng 1.2 Tính tan chất nhóm V dùng để pha tạp điện tử lên màng Germani[12] Bảng 3.1 Các giá trị điện trở suất màng Ge pha tạp dày 1μm tăng trưởng SOI [8] 39 Bảng 3.2 Kết phép đo nồng độ hạt tải, độ linh động điện tử thông số điện khác màng Ge đồng pha tạp với P Sb 41 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc vùng lượng Ge nhiệt độ 300K[15] Hình 1.2 Biểu đồ lượng Ge thể chênh lệch chuyển mức trực tiếp gián tiếp khoảng 0,14eV[8] Hình 1.3 Sự phân bố electron trạng thái cân (a) trạng thái kích thích, sau thung lũng L bơm đầy(b) [6],[14] Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể phốt trắng[9] Hình 1.6 (a ) antimon tự nhiên, (b) Cấu trúc tinh thể antimon[19] 10 Hình 1.7 Mơ hình tăng trưởng Stranski-Krastanov[7] 12 Hình1.8 Ảnh bề mặt mẫu từ RHEED với hướng [100] hình (a) hình (b) sau pha tạp[22] 13 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống MBE 14 Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo phản nhiễu xạ điện tử lượng cao RHEED[20] 16 Hình 2.3 Các mơ hình tăng trưởng Ge đế Sillic ảnh khảo sát trình qua RHEED[20] 17 Hình 2.4 Hệ đo TEM- JEOL 3010-FX phịng thí nghiệm[22] 19 Hình 2.5 a) Biểu đồ cấu trúc mẫu dạng xếp chồng; b) Mẫu cố định khn trịn đồng; c) Mẫu bào mịn ion Ar+[22] 19 Hình 2.6 Ảnh mẫu chụp TEM với độ phân giải 50nm 5nm[22] 20 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống SIMS[19] 21 Hình 2.8 Sơ đồ lượng GaAs Ge hay Si[13] 22 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo phổ huỳnh quang[12] 23 Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động máy XRD[10] 23 Hình 2.11 (a) Hình ảnh máy đo điện trở điểm phịng thí nghiệm (b) Sơ đồ nguyên lý máy đo điện trở điểm Trong RS điện trở mẫu RM điện trở cân máy vôn kế VS điện áp đặt vào mẫu, VM điện áp mẫu đo vôn kế [9] 24 ix Hình 3.1 (a) Hình ảnh RHEED bề mặt Si (001) làm hóa học (trước làm nhiệt); (b) Hình ảnh RHEED bề mặt Si (001) sau làm nhiệt 27 Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn phổ Auger bề mặt Ge ban đầu (đường cong màu đen) đỉnh phổ đặc trưng phốt ghi lại sau pha tạp ứng với mức nhiệt độ khác nguồn GaP 30 thời gian phút 29 Hình 3.3 Biểu diễn phát triển quang phổ phát quang phòng theo nhiệt độ tế bào GaP 30 Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc điện trở suất màng Ge vào nhiệt độ đế 31 Hình 3.5 (a) Mẫu RHEED có P ( b) Mẫu RHEED đồng pha tạp P Sb 33 Hình 3.6 Ảnh TEM màng Ge đồng pha tạp P Sb với độ 33 dày màng 100nm 33 Hình 3.7 Phổ nhiễu xạ tia X màng Ge/Si (100) đồng 34 pha tạp P Sb 34 Hình 3.8 Sự biến đổi hình ảnh RHEED ứng với góc phương vị [100] màng Ge đồng pha tạp P Sb nhiệt độ khác nguồn Sb: (a) 257°C, (b) 275°C, (c) 300°C Và (d) 330°C 35 Hình 3.9 Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang PL màng Ge đồng pha tạp P Sb nhiệt độ phòng theo nhiệt độ nguồn Sb 257, 275 300°C Tất màng có độ dày 600 nm 36 Hình 3.10 Biểu diễn kết SIMS nồng độ photpho mẫu Ge (đường màu đen) mẫu Ge đồng pha tạp với Sb (đường màu xanh lá,), nồng độ Sb đồng pha tạp với P (đường màu đỏ ) theo độ dày mẫu Nhiệt độ tăng trưởng 170°C nhiệt độ nguồn GaP giữ 725°C 37 Hình 3.11 Đồ thị dịng điện điện áp đo nhiệt độ phòng cho màng Ge đồng pha tạp phốt antimon 170°C, so sánh với màng pha tạp P Sb 39 x Hình 3.12 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ nồng độ hạt mang điện 40 màng Ge pha tạp 40 Hình 3.13 Biểu diễn phổ huỳnh quang PL nhiệt độ phòng màng Ge đồng pha tạp P Sb với độ dày màng 600 nm, nhiệt độ đế 170°C, nhiệt độ nguồn GaP 725°C nhiệt độ nguồn Sb 275°C 42 Hình 3.14 Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang PL theo điều kiện xử lý nhiệt Tất mẫu ủ 60 giây với nhiệt độ tăng từ 600 đến 750°C 44 Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn thay đổi vị trí đỉnh Ge theo hướng (004) trước sau xử lý nhiệt màng Ge đồng pha tạp photpho 45 antimon 45 Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn ứng suất căng ε// mẫu pha tạp P đồng pha tạp P Sb điều kiện mẫu có độ dày 46 36 Sb nhiệt độ nguồn Sb tăng dần từ 257, 275 300°C Để so sánh, hiển thị phổ huỳnh quang PL lớp Ge không pha tạp mẫu đồng pha tạp P Sb với nhiệt độ nguồn Sb 257, 275 300°C Tất màng có độ dày 600 nm ủ nhiệt thực cách sử dụng phương pháp ủ nhiệt nhanh 600°C suốt 60 giây để kích hoạt nguyên tử pha tạp vào vị trí thay mạng tinh thể Ge Hình 3.9 Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang PL màng Ge đồng pha tạp P Sb nhiệt độ phòng theo nhiệt độ nguồn Sb 257, 275 300°C Tất màng có độ dày 600 nm Có thể thấy, cường độ huỳnh quang PL tăng lên tăng nhiệt độ nguồn Sb từ 257 đến 275°C Khi tiếp tục tăng nhiệt độ nguồn Sb lên 300 oC cường độ huỳnh quang giảm, điều phù hợp với kết từ phép đo RHEED lúc màng Ge tăng trưởng theo dạng đảo chất lượng tinh thể bị suy giảm Cường độ PL cao thu nhiệt độ nguồn Sb 275°C (đường cong màu xanh) Quan sát thấy so với cường độ PL mẫu Ge không pha tạp (đường cong màu hồng) lúc cường độ tăng lên đến 150 lần Từ ta đến kết luận với nhiệt độ nguồn Sb 275°C 37 cho phổ huỳnh quang tốt Cần lưu ý từ phổ huỳnh quang PL hiển thị hình 3.9, vị trí đỉnh phổ Ge khơng xác định, đỉnh phổ bị cắt khoảng 1600 nm vượt q giới hạn đầu thu InGaAs Do đó, sử dụng đầu thu InGaAs khác để thu PL có bước sóng quang phổ mở rộng đến mức cao 3.4 Khảo sát nồng độ nguyên tố pha tạp nồng độ điện tử kích hoạt màng Ge đồng pha tạp P Sb Để nghiên cứu nồng độ pha tạp tổng cộng, sử dụng phép đo SIMS Hình 3.10 hiển thị kết đo SIMS phụ thuộc nồng độ hạt tải theo độ dày mẫu Ở đây, đo nồng độ P Sb biến đổi theo độ dày màng, từ hình vẽ ta thấy nồng độ P Sb đồng theo chiều dày màng, không bị lên xuống thất thường Nồng độ phôtpho mẫu Ge đồng pha tạp với Sb (đường màu xanh lá) giảm cỡ 8x1019 cm-3 ảnh hưởng mạng làm khả hòa tan P Ge giảm Nồng độ Sb cỡ 6x1018cm-3 Hình 3.10 Biểu diễn kết SIMS nồng độ photpho mẫu Ge 38 (đường màu đen) mẫu Ge đồng pha tạp với Sb (đường màu xanh lá,), nồng độ Sb đồng pha tạp với P (đường màu đỏ ) theo độ dày mẫu Nhiệt độ tăng trưởng 170°C nhiệt độ nguồn GaP giữ 725°C Tuy nhiên SIMS đo tổng lượng nguyên tố pha tạp Ge mà không xác định nồng độ nguyên tố pha tạp thực thay vị trí Ge mạng khơng phản ánh tính dẫn hay tính phát quang lớp Ge pha tạp Từ kết SIMS cho thấy nồng độ điện tử tổng cộng tăng đến 8x1019 cm-3 Tuy nhiên chủ yếu quan tâm nồng độ điện tử kích hoạt tổng nồng độ nói bao nhiêu? Trước hết ta sử dụng máy đo điện trở suất bốn điểm để xác định điện trở suất màng Ge pha tạp Hình 3.11 cho thấy đồ thị dòng điện – điện áp (I-V) đo nhiệt độ phòng cho loại màng Ge pha tạp Antimony, photpho đồng pha tạp phốt antimon tăng trưởng đế SOI Chúng lưu ý phép đo I-V thực nhiệt độ phịng tất mẫu có độ dày tổng cộng μm 39 Hình 3.11 Đồ thị dòng điện điện áp đo nhiệt độ phòng cho màng Ge đồng pha tạp phốt antimon 170°C, so sánh với màng pha tạp P Sb Điện trở suất màng có liên quan trực tiếp với độ dốc đồ thị I-V Từ đồ thị rút hai đặc điểm Thứ nhất, điện trở suất màng Ge đồng pha tạp thấp so với màng pha tạp với nguyên tố Thứ hai, mẫu pha tạp Phốt có điện trở suất thấp so với mẫu pha tạp Sb Những kết phù hợp với cường độ huỳnh quang đo từ mẫu Để thấy rõ tác dụng pha tạp nhiệt độ tăng trưởng điện trở suất màng Ge, chúng tơi tóm tắt bảng 3.1, biến đổi điện trở suất mẫu có cường độ huỳnh quang hiển thị hình 3.11 Điện trở suất tính sau: Ρ = (π / ln2) × (V / I) × t × k Trong V điện áp đo (volts), I dòng điện nguồn (amps), t độ dầy màng (cm), k hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào đường kính màng độ dầy màng, coi trừ mẫu mỏng dày [Kei08] Bảng 3.1 Các giá trị điện trở suất màng Ge pha tạp dày 1μm tăng trưởng SOI [8] Điều kiện tăng trưởng Pha tạp Sb 170°C Pha tạp P 170°C Đồng pha tạp 170°C Điện trở suất (Ω.cm) 2.8x10-3 10-3 0.91x10-3 Từ bảng 3.1 ta thấy rõ điện trở suất giảm xuống màng Ge đồng pha tạp với Phốt antimony đạt giá trị nhỏ nhiệt độ tăng trưởng 170°C Các kết phù hợp với phép đo cường độ huỳnh quang : pha tạp 170°C sau xử lí nhiệt 650°C, kết nồng độ pha tạp có độ linh động cao màng Ge so với chất khác có điều kiện tăng trưởng Tuy nhiên để có thơng tin định lượng mật độ 40 xác điện tử tự màng Ge pha tạp, thực phép đo hiệu ứng Hall sau Hình 3.12 đồ thị thể phụ thuộc nồng độ hạt tải (đã kích hoạt) theo nhiệt độ đo Kết cho thấy, nồng độ hạt tải kích hoạt cao mà chúng tơi thu cỡ x1019 a cm-3 trường hợp mẫu đồng pha tạp phốt antimon 170°C Kết tương đương với kết tốt thời điểm báo cáo từ nhóm MIT Nhờ thấy rõ hiệu việc phun điện tử đến thung lũng Г trực tiếp tăng lên độ linh động chất pha tạp điện tử mẫu Ge tăng lên Hình 3.12 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ nồng độ hạt mang điện màng Ge pha tạp Từ phép đo Hall với mẫu tốt : nhiệt độ đế 170°C, nhiệt độ Sb 275°C nhiệt độ nguồn GaP 725°C chúng tơi tóm tắt kết thu bảng 3.2 Chúng lưu ý rằng, phép đo thực mẫu dày (1150 nm) đế SIO (silicon oxit) Các giá trị điện trở suất tương thích tốt với điện áp đo từ đầu dò bốn điểm 41 Bảng 3.2 Kết phép đo nồng độ hạt tải, độ linh động điện tử thông số điện khác màng Ge đồng pha tạp với P Sb ( mẫu) Dòng (A) Nồng độ hạt tải (cm-3) Độ linh động Hall (cm2/Vs) Loại hạt tải Điện trở suất (ohm cm) Nhiệt độ đo T(K) Hệ số Hall (cm3/C) Độ dày màng (nm) A 0,001 0,01 4,07E+19 4,06E+19 221,769 221,925 N 0,000693 300 n 0,000693 300 K0,153694 K0,153769 1150 1150 Chúng ta tính nồng độ hạt tải kích hoạt dựa vào hiệu ứng co hẹp vùng cấm Trong hình 3.9, bước sóng tối đa quang phổ PL không xác định, vượt giới hạn đầu thu InGaAs, khoảng 1600 nm Do đó, sử dụng đầu thu InGaAs khác để thu PL có bước sóng quang phổ mở rộng đến mức cao 2200 nm (Hình 3.13 ) Đỉnh phổ Ge quan sát thấy vào vị trí khoảng 1630 nm, tương ứng với lượng chuyển mức trực tiếp Ge khoảng 0,76 eV Đồng thời cường độ PL tăng lên đến 150 lần so với màng Ge không pha tạp 42 Hình 3.13 Biểu diễn phổ huỳnh quang PL nhiệt độ phòng màng Ge đồng pha tạp P Sb với độ dày màng 600 nm, nhiệt độ đế 170°C, nhiệt độ nguồn GaP 725°C nhiệt độ nguồn Sb 275°C Như đề cập trước đây, Ge bị thay đổi cấu trúc vùng lượng nồng độ điện tử pha tạp cao 1x1019cm-3, -sẽ thấy có dịch chuyển rõ ràng bước sóng phát xạ Hiện tượng gọi co hẹp vùng cấm [20, tr 17-20] Do đó, từ dịch chuyển bước sóng phát ra, người ta đánh giá nồng độ điện tử pha tạp Trong mẫu thu ứng suất căng từ 0,19 đến 0,20% với cường độ huỳnh quang đạt giá trị cực đại 1630 nm, từ suy nồng độ điện tử kích hoạt khoảng 4x1019cm-3 Đồng thời cường độ PL tăng lên đến 150 lần Giá trị nồng độ điện tử hoàn toàn phù hợp với phép đo hiệu ứng Hall 3.5 Tối ưu hóa trình xử lý nhiệt Đối với màng Ge pha tạp điện tử, q trình xử lý nhiệt đóng vai trị quan trọng, khơng để kích hoạt nguyên tử pha tạp mà để tạo 43 ứng suất căng giảm mật độ sai hỏng Kết nghiên cứu trước cho thấy điều kiện tối ưu cho việc pha tạp phốt màng Ge thiết lập nhiệt độ 750°C thời gian 60 giây Song , trường hợp đồng pha tạp P Sb, trình phức tạp antimony ngun tố có độ khuếch tán cao, đặc biệt bề mặt Si (001) [16],[17] Do đó, điều quan trọng phải thiết lập quy trình xử lý nhiệt tối ưu cho mẫu đồng pha tạp Hình 3.14 cho thấy thay đổi phổ PL phụ thuộc vào điều kiện xử lý nhiệt Thời gian xử lý nhiệt 60 giây tất mẫu Hình ảnh cho thấy cường độ PL cao đạt xử lý nhiệt 650°C (đường cong màu xanh lam) Khi nhiệt độ nung tăng lên đến nhiệt độ 700°C (đường cong màu đỏ) 750°C (đường cong màu đen), cường độ PL giảm xuống Sự suy giảm khuếch tán Sb khỏi bề mặt bốc để hình thành pha khí Ví dụ, sau xử lý nhiệt 750°C, người ta nhìn thấy lớp antimony màu trắng đục bao phủ toàn bề mặt mẫu Dựa vào kết này, trì nhiệt độ xử lý nhiệt 650 °C thời gian 60 giây 44 Hình 3.14 Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang PL theo điều kiện xử lý nhiệt Tất mẫu ủ 60 giây với nhiệt độ tăng từ 600 đến 750°C 3.6 Ảnh hưởng việc đồng pha tạp P Sb lên ứng suất căng màng Ge Khi Ge pha tạp với P, trước xử lý nhiệt màng Ge co lại chút bán kính nguyên tử P nhỏ Ge Tuy nhiên, trường hợp đồng pha tạp P Sb, bán kính nguyên tử Sb lớn 16% so với Ge, nên dự kiến bù cho vùng bị co lại nồng độ Sb đủ cao, lớp Ge bị giãn Bằng việc sử dụng máy chụp nhiễu xạ tia X phân giải cao (XRD), chúng tơi ước lượng ứng suất căng Ge thơng qua góc lệch 2θ dựa vào cơng thức: ε// = 100% = 100% Hình 3.16 cho thấy thay đổi ứng suất căng màng Ge trước sau ủ 650°C thời gian 60 giây Chúng sử dụng mẫu giống hình 3.13 kết cho thấy, trước xử lý nhiệt màng Ge có giá trị ứng suất căng khoảng -0,22% sau xử lý nhiệt giá trị 0,2 % tức tăng 1,20% Đây kết tốt giá trị ứng suất căng cao dựa vào phương pháp CVD nằm khoảng 0,22-0,25% Đồng thời từ phép đo phổ XRD cho thấy chất lượng màng cải thiện nhiều sau xử lý nhiệt, cường độ phản xạ theo hướng (004) tăng lên chiều rộng giảm nửa 45 Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn thay đổi vị trí đỉnh Ge theo hướng (004) trước sau xử lý nhiệt màng Ge đồng pha tạp photpho antimony Đặc biệt, gia tăng mật độ điện tử tổng cộng, việc đồng pha tạp P Sb cho phép làm tăng giá trị ứng suất căng ε// lớn màng Ge Chúng tơi trình bày hình 3.17, so sánh ứng suất căng ε// hai mẫu Ge có độ dày: pha tạp với P mẫu khác đồng pha tạp với P Sb Sau xử lý nhiệt nhanh nhiệt độ vừa phải (60 giây 650 °C), giá trị ứng suất căng ε// lớn mẫu đồng pha tạp (đường màu xanh ) cao gấp hai lần so với mẫu pha tạp P (đường màu đỏ ) 46 Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn ứng suất căng ε// mẫu pha tạp P đồng pha tạp P Sb điều kiện mẫu có độ dày 47 KẾT LUẬN Cùng với ứng suất căng, pha tạp điện tử vào màng Ge yếu tố cần thiết để đạt hiệu phát quang từ việc chuyển mức gián tiếp sang chuyển mức trực tiếp, luận văn dành để nghiên cứu tham số ảnh hưởng đến trình đồng pha tạp P Sb màng Ge Trong trình thực đề tài, từ khâu chế tạo vật liệu, thực phép đo phân tích số liệu đến thảo luận giải thích kết quả, chúng tơi rút số kết luận sau : - Thiết lập điều kiện tối ưu cho việc đồng pha tạp P Sb vào mẫu màng Ge: nhiệt độ đế 170°C, nhiệt độ nguồn Sb 275°C nhiệt độ nguồn GaP 725°C Trong điều kiện mẫu cho phổ huỳnh quang tốt Nồng độ hạt tải kích hoạt cao mà chúng tơi thu phép đo hiệu ứng Hall cỡ x1019 a cm-3 - Cường độ huỳnh quang đạt giá trị cực đại bước sóng 1630 nm tăng 150 lần so với cường độ huỳnh quang màng Ge tinh khiết - Khảo sát ảnh hưởng điều kiện xử lý nhiệt tới cường độ huỳnh quang màng Ge Cường độ huỳnh quang cao đạt xử lý nhiệt 650°C thời gian xử lý nhiệt 60 giây - Việc đồng pha tạp P Sb làm tăng giá trị ứng suất căng ε// lớn màng Ge đạt giá trị cao 0,2% (cao gấp hai lần so với mẫu pha tạp P) Bằng cách tối ưu hóa điều kiện tăng trưởng sử dụng kỹ thuật đồng pha tạp kết hợp việc kiểm tra đánh giá qua phép đo RHEED, chụp ảnh TEM đo nhiễu xạ tia X ta kết luận mẫu màng Ge đồng pha tạp P Sb có chất lượng tinh thể tốt, phù hợp cho ứng dụng quang học 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.J Kenyon, P.F Trwoga, M Federighi and C.W Pitt, “Optical properties of PECVD erbium-doped silicon-rich silica: evidence for energy transfer between silicon microclusters and erbium ions” J Phys.: Condens Matter 6, L319(1994) [2] B Zheng, J Michel, F.Y.G Ren, L.C Kimerling, D.C Jacobson and J.M Poate, “Room-temperature sharp line electroluminescence at λ=1.54 µm from an erbiumdoped silicon light-emitting diode” Appl Phys Lett 64, 2842 (1994) [3] C.S Peng, Q Huang, W.Q Cheng, J.M Zhou, Y.H Zhang, T.T Sheng, and C.H Tung, “Optical properties of Ge self-organized quantum dots in Si”, Phys.Rev B57,8805 (1998) [4] G Thareja, S.-L Cheng, T Kamins, K Saraswat, and Y Nishi, “Electrical Characteristics of Germanium n+/p Junctions Obtained Using Rapid Thermal Annealing of Coimplanted P and Sb”, IEEE Electron Device Lett 32, 608 (2011) [5] International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), 2009 Edition, Emerging Research Materials, www.itrs.net [6] J Michel, J Liu, L.C Kimerling, “High-performance Ge-on-Si photodetectors”, Nature Photonics 4, 527 (2010) [7] J Liu, X Sun, D Pan, X Wang, L.C Kimerling, T.L Koch, and J Michel, “Tensile strained n- type Ge as a gain medium for monolithic laser intergration on Si”, Opt Exp 15, 11272 (2007) [8] J Derrien, J Chevrier, V Le Thanh, and J.E Mahan, “Semiconducting silicidesilicon heterostructures: growth, properties and applications”, Appl Surf.Sci.56-58,382 (1992) [9] L Pavesi, L Dal Negro, C Mazzoleni, G Franzo and F Priolo, “Optical gain in silicon nanocrystals”, Nature 408, 440 (2000) 49 [10] J.H Kim, K Lee, S.J Chae, I.K Han, J.S Roh, S.K Park, B.J Choi, C.S Hwang, E Cho, and S Han, “Change in the resistivity of Gedoped Sb phase change thin films grown by chemical vapor deposition according to their microstructures”, Appl Phys Lett 94, 222115 (2009) [11] K Nakagawa, M Miyao, and Y Shiraki, “Influence of substrate orientation on surface segregation process in silicon-MBE”, Thin Solid Films 183, 315 (1989) [12] L Canham, “Gaining light from silicon”, Nature 408, 411 (2000) [13] M El Kurdi, S David, P Boucaud, C Kammerer, X Li, V Le Thanh, S Sauvage, J.-M Lourtioz, “Strong 1.3-1.5 µm luminescence from Ge/Si self-assembled islands in highly-confining microcavities on silicon-oninsulator”, J Appl Phys 96, 997 (2004) [14] M Oehme, J Werner, E Kasper, M Jutzi and M Berroth, “High bandwidth Ge pi-n photodetector integrated on Si”, Appl Phys Lett 89, 071117 (2006) [15] M El Kurdi, H Bertin, E Martincic, M de Kersauson, G Fishman, S Sauvage, A Bosseboeuf, and P Boucaud, “Control of direct band gap emission of bulk germanium by mechanical tensile strain”, Appl Phys Lett 96, 041909 (2010) [16] M L Lee, Y Bai, K E Lee, C Cheng, and E A Fitzgerald, “Growth of highly tensile strained Ge on relaxed InxGa1-xAs by metalorganic chemical vapordeposition”, J Appl Phys 104, 084518 (2008) [17] N Koshida and H Koyama, “Visible electroluminescence from porous silicon” Appl Phys Lett 60, 347 (1992) [18] N Michel, X Sun, J.F Liu, L.C Kimerling, and, “Direct gap photoluminescence of n-type tensile strained Ge-on-Si”, Appl Phys Lett 95, 011911 (2009) 50 [19] R Jakomin, M de Kersauson, M El Kurdi, L Largeau, O Mauguin, G Beaudoin, S Sauvage, R Ossikovski, G Ndong, M Chaigneau, I Sagnes, and P Boucaud, “High quality tensile-strained n-doped germanium thin films grown on InGaAs buffer layers by metal-organic chemical vapor deposition”, Appl Phys Lett 98, 091901 (2011) [20] R Camacho-Aguilera, Z Han, Y Cai, L.C Kimerling and J Michel, “Direct band gap narrowing in highly doped Ge”, Appl Phys Lett 102, 152106 (2013) [21] S Takeuchi, Y Shimura, O Nakatsuka, S Zaima, M Ogawa, and A Sakai, “Growth of highly strain-relaxed Ge1-xSnx/virtual Ge by a Sn precipitation controlled compositionally step-graded method”, Appl Phys Lett 92, 231916 (2008) [22] T.K.P Luong, M.T Dau, M.A Zrir, M Stoffel, V Le Thanh, M Petit, A Ghrib, M El Kurdi, P Boucaud, H Rinnert, J Murota, ”Control of tensile strain and interdiffusion in Ge/Si(001) epilayers grown bymolecularbeam epitaxy”, Journal of Applied Physics 114 (2013) [23] W Kern and D A Puotinen, “Cleaning solution based on hydrogen peroxide for use insilicon semiconductor technology”, RCA Rev 31, 187 (1970) [24] W Kern, “Purifying Si and Si02 Surfaces With Hydrogen Peroxide”, Semicond Int 7,94 (1984) [25] Y.-Y Fang, J Tolle, R Roucka, A V G Chizmeshya, J Kouvetakis, V R D’Costa, and J Menéndez, “Perfectly tetragonal, tensile-strained Ge on Ge1-ySny buffered Si (100)”, Appl Phys Lett 90, 061915 (2007) [26] Nguyễn Trung Hiếu, luận văn thạc sĩ đề tài “Nghiên cứu chế tạo màng Ge/Si (001) với ứng suất căng pha tạp điện tử từ nguồn GaP ứng dụng quang điện tử tích hợp” , Đại học Hồng Đức (2016)