Luận văn nghiên cứu chế tạo màng ge si(001) với ứng suất căng và pha tạp điện tử từ nguồn gap ứng dụng trong quang điện tử tích hợp (tt)

BỘ GIÁO DỤCVÀ ĐÀO TẠO UBND TỈNH THANH HÓA TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC NGUYỄN TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG Ge/Si(001) VỚI ỨNG SUẤT CĂNG VÀ PHA TẠP ĐIỆN TỬ TỪ NGUỒN GaP ỨNG DỤNG TRONG QUANG ĐIỆN TỬ TÍCH HỢP Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60.44.01.04 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ THANH HÓA, NĂM 2016 Luận văn hoàn thành : Trường Đại học Hồng Đức Người hướng dẫn khoa học: TS Lương Thị Kim Phượng Phản biện 1: PSG.TS Lục Huy Hoàng Phản biện 2: PGS.TS Đỗ Hùng Mạnh Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm luận văn Thạc sĩ khoa học Tại: Trường Đại học Hồng Đức Vào hồi: 9giờ15phút, ngày 30 tháng 10 năm 2016 Có thể tìm hiểu luận văn thư viện trường Đại Học Hồng Đức Bộ môn MỞ ĐẦU Trong vài thập kỷ qua, phát triển mạch tích hợp ICs (còn biết đến vi xử lý hay vi mạch) coi cách mạng công nghệ điện tử Theo định luật Moore, số lượng thành phần tích hợp vi mạch chủ đạo Transitor Sillic tăng lên gấp đơi sau 18 tháng Điều có nghĩa IC ngày nhỏ hơn, nhanh rẻ hơn, dẫn đến công nghệ bán dẫn Si CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) thực tảng phát triển cho CPU công nghệ máy tính thời Trong Silic khơng thể tích lũy điện tử điểm cực tiểu thung lũng Γ cho việc kích thích phát xạ mà khoảng cách vùng chuyển mức nghiêng chuyển mức thẳng lớn cỡ 2eV Vì với 0,14 eV so với mức lượng thấp thung lũng Γ, Ge nguyên tố quan tâm nhiều cho việc phát triển công nghệ quang dẫn dựa tảng CMOS Theo nghiên cứu với ~1.9% ứng suất căng, độ rộng vùng cấm Ge giảm xuống ~0.5eV tương ứng với việc phát xạ với bước sóng khoảng 2500nm Tuy nhiên để vươn tới gần bước sóng truyền thơng khoảng 1500nm, việc pha tạp điện tử theo giá trị ứng suất san chênh lệch lượng chuyển mức nghiêng chuyển mức thẳng Với mức pha tạp lớn điện tử, hướng nghiến cứu mong muốn điện tử từ n-type chiếm ngữ vùng cực tiểu thung lũng L, bơm điện tử dẫn đến khả cao điện tử xuất thung lũng Γ tạo tiền đề cho việc phát quang Tuy việc chọn lựa vật liệu pha tạp vấn đề thách thức lớn với nhà khoa học vật liệu Nhận thức tầm quan trọng lựa chọn hướng nghiên cứu luận văn nâng cao tính chất phát quang màng Ge đế Si việc pha tạp từ số vật liệu nhóm V đặc biệt việc sử dụng phân tử P2 từ nguồn rắn GaP Chương I TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc vùng lượng Ge Trong nhóm bán dẫn chuyển mức nghiêng nhóm IV (Si SiC), Ge lên với tính chất quang truyền dẫn Người ta phát Ge có phát quang chuyển mức trực tiếp nhanh, khoảng 4-5 lần so với chuyển mức gián tiếp tăng mật độ điện tử vùng chuyển mức trực tiếp Ge hồn tồn dùng để chế tạo diode phát quang Theo bảng 1.1 ta thấy linh động điện tử Ge cao nhóm, gấp khoảng 2,7 lần so với Si Vì Ge lựa chọn tốt cho việc chế tạo Transitor CMOS Ảnh hưởng ứng suất căng lên cấu trúc vùng lượng Ge Theo lý thuyết, Ge trở thành vật liệu chuyển mức thẳng với xấp xỉ 1.8-1.9% ứng suất căng Với tính chất quang rắn mình, Ge coi chất giả chuyển mức trực tiếp chênh lệch mức lượng mức chuển mức trực tiếp gián tiếp nhỏ cỡ 0.140 eV hay 5KBT nhiệt độ phòng (KB số Bolzmann) Trong thực tế việc nâng ứng suất căng giảm độ rộng vùng chuyển tiếp trực tiếp gián tiếp vùng trực tiếp bị thu hẹp nhanh Vì việc biến Ge trở thành chất bán dẫn chuyển mức trực tiếp hoàn toàn khả thi Thêm vào việc nâng ứng suất căng đồng thời thu hẹp khoảng cách heavy-hole light-hole dải hóa trị Một lượng nhỏ khối lượng dải light hole giảm mật độ dải hóa trị, điều đồng nghĩa làm tăng ngưỡng cho việc tạo phát quang laser 1.3 Pha tạp điện tử tác động lên tính chất quang màng Ge Pha tạp điện tử vào màng Ge yếu tố cần thiết để đạt hiệu phát quang từ việc chuyển mức thẳng Tuy nhiên, pha tạp điện tử với mật độ lớn vào Ge thách thức tính tan chậm khuếch tán nhanh chất pha tạp Có nguyên tố: Photpho, Asen Angtimoan, dùng để pha tạp nhóm IV Chúng tơi bắt đầu thực trình pha tạp cách thử cho phopho P4 pha tạp màng Ge Tuy nhiên, phân tử photspho trắng P4 không bền vững dễ bay Vì chúng tơi sử dụng phương pháp pha tạp đặc biệt khác dựa phân tách hợp chất GaP để tạp di- photpho(P2) có hệ số kết dính lớn 10 lần so với phopho trắng P4 4 Chương THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo màng mỏng Germani đế Silic kỹ thuật Epitaxy chùm phân tử MBE (Molecular Beam Epitaxy) 2.1.1 Nguyên lý MBE Epitaxy chùm phân tử thuật ngữ kỹ thuật chế tạo màng mỏng cách sử dụng chùm phân tử lắng đọng đế đơn tinh thể chân không siêu cao (áp suất thấp 10-9 Torr), để thu màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc lớp đế Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống MBE Trong kỹ thuật tăng trưởng MBE tăng trưởng CVD, diện chất ô nhiễm bề mặt đế Si tác động chế độ tăng trưởng chất lắng đọng Ge Sự ô nhiễm ảnh hưởng trực tiếp đến bề mặt màng gây khuyết tật lớp tăng trưởng Oxy Carbon hai chất gây nhiễm mà cần phải loại bỏ để có bề mặt Si mức cần thiết Các chất khác tạp chất hữu gỡ bỏ cách hiệu từ bề mặt Si hóa chất làm ướt dựa giải pháp làm Peroxide RCA (Radio Corporation of America) 2.2 Khảo sát trình tăng trưởng màng Ge máy đo phản nhiễu xạ điện tử lượng cao RHEED (Reflection HighEnergy Electrons Diffraction) Nhiễu xạ điện tử tượng sóng điện tử nhiễu xạ mạng tinh thể chất rắn, thường dùng để nghiên cứu cấu trúc chất rắn cách dùng chùm điện tử có động cao chiếu qua mạng tinh thể chất rắn, từ phân tích vân giao thoa để xác định cấu trúc vật rắn RHEED thường dùng để quan sát động học tinh thể thiết bị MBE hay thiết bị chế tạo tạo màng khác Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo phản nhiễu xạ điện tử lượng cao RHEED RHEED nhạy với hình thái bề mặt thơ ráp, phát xác thay đổi chế độ tăng trưởng (ví dụ, 2D sang chế độ tăng trưởng 3D) 2.3 Kiểm tra cấu trúc màng Ge kính hiển vi điện tử TEM (Transmission Electron Microscopy) Trong thí nghiệm, TEM công cụ tuyệt vời việc nghiên cứu cấu trúc nguyên tử đặc tính mạng Ge/Si Để đo lệch luồng sai hỏng vị trí mạng màng đệm Ge đo độ nhám chất lượng tinh thể màng Ge Độ phân giải TEM cao nhiều so với kính hiển vi quang học thơng thường bước sóng De Broglie nhỏ Nó cho phép ta kiểm tra mẫu cách chi tiết, cỡ đơn nguyên tử Trong thí nghiệm tại, chúng tơi sử dụng kính hiển vi JEOL 3010-FX với hiệu điện gia tốc lên đến 300kV Hình 2.3 Hệ đo TEM- JEOL 3010-FX phịng thí nghiệm 2.4 Đo thay đổi số mạng Ge máy chụp nhiễu xạ XRD (X-ray Diffraction) Nhiễu xạ X-ray kỹ thuật hữu hiệu việc phân tích màng epitaxy, số mạng, chiều dày màng, ứng suất căng tạp chất lẫn vào Một ưu việt XRD phân tích thành phần vật liệu mà ko cần phá hủy hay phải chuẩn bị mẫu Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động máy XRD Trong thí nghiệm tại, chủ yếu sử dụng XRD để đo nhiễu xạ từ cấu trúc mạng (004) nhằm xác định số mạng màng 2.5 Phân tích thành phần vật liệu nồng độ pha tạp thiết bị đo phổ khối SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) SIMS kỹ thuật sử dụng để phân tích thành phần vật liệu với độ xác cao SIMS sử dụng xạ ion để bắn phá mẫu Các ion thứ cấp sinh trình phún xạ trích phân tích phổ khối Nồng độ ion thứ cấp dao động từ mức ma trận xuống tới ppm Như vậy, SIMS sử dụng rộng rãi nghiên cứu vật liệu bán dẫn để xác định thành phần vật chất, nồng độ chất pha tạp hay tạp chất Trong nghiên cứu chúng tôi, liệu SIMS thu thập lại từ hệ thống SIMS Cameca SC-Ultra có sẵn tảng đặc trưng CIM PACA 2.6 Đo điện trở suất mẫu đầu dò bốn điểm Đầu dò bốn điểm công cụ đơn giản cho phép đo điện trở suất mẫu bán dẫn Bằng cách tạo dịng điện hai đầu dị bên ngồi đo điện áp qua đầu dị bên trong, ta suy điện trở suất mẫu Trong luận văn này, đầu dò bốn điểm sử dụng để đo điện trở suất màng Ge sau phạ tạp với mục đích đánh giá linh động chất pha tạp mẫu Hình 2.5 (a) Hình ảnh máy đo điện trở điểm phòng thí nghiệm (b) Sơ đồ nguyên lý máy đo điện trở điểm 9 2.7 Đo phổ huỳnh quang màng Ge máy đo quang phát quang PL (Photoluminescence spectroscopy) Phát quang (Luminescence) thuật ngữ dùng để mô tả phát xạ xạ từ chất rắn cung cấp lượng Các loại phát quang khác phân biệt dựa vào phương pháp kích thích để tạo cặp electron-lỗ trống Một ưu điểm quang phổ PL khơng cần tiếp tiếp xúc với mẫu không cần phá hủy cấu trúc mẫu để thăm dị tính chất quang học vật liệu Hơn nữa, PL phương pháp có độ nhạy cao để thăm dị tính chất điện tử vật liệu Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo quang phát PL 10 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Sự thay đổi ứng suất căng màng Ge 3.1.1 Tăng trưởng màng Germanium MBE dựa kỹ thuật tăng trưởng bước Quá trình tăng trưởng màng Ge lên đế Silic tuân theo qui luật SK (Stranski-Kratanov): Một màng chiều gọi lớp làm ướt tạo nên với độ dày vài lớp phân tử, sau “hịn đảo” chiều hình thành để giảm bớt sức căng mạng tinh thể Để ngăn chặn tượng này, phương pháp tăng trưởng hai bước đề xuất bao gồm việc tăng trưởng màng Ge nhiệt độ thấp để tạo màng đệm mịn sau tăng trưởng nhiệt độ cao để tạo màng dày với cấu trúc tinh thể chất lượng Với việc sử dụng kỹ thuật RHEED chúng tơi kiểm sốt q trình tiến triển hình thái học cấu trúc màng theo thời gian thực nhận kết tồn khoảng nhiệt độ hẹp từ 240- 300o C chế độ tăng trưởng SK bị ngặn chặn hồn tồn Các đảo 3D không xuất từ lớp đến màng có độ dày vài trăm nm 11 Hình 3.1 Ảnh bề mặt mẫu từ RHEED với góc chụp [100] hình (a) [110] hình (b) cho thấy không xuất đảo 3D 3.1.2 Sự ảnh hưởng nhiệt độ tăng trưởng trình xử lý nhiệt lên ứng suất căng màng Ge Sau bước tăng trưởng với nhiệt độ thấp, làm thí nghiệm bước hai với việc tăng trưởng Ge nhiệt độ cao tập trung nghiên cứu ảnh hưởng trình lên ứng suất căng màng Ge Tất mẫu chế tạo với độ dày xấp xỉ 300nm đó: 50nm đệm tăng trưởng với nhiệt độ 300 oC, 250nm cịn lại chúng tơi thử nghiệm với nhiều mức nhiệt độ: 400, 500, 600, 650, 700, 750, 770oC Ứng suất căng Ge xuất chênh lệch giãn nở nhiệt Ge Si, nên chúng tơi hi vọng tìm vùng nhiệt độ thích hợp để tạo mức ứng suất căng cao 12 Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn ứng suất căng ε// nhiệt độ đế khác Bằng việc sử dụng máy chụp nhiễu xạ X-ray phân giải cao(XRD), chúng tơi ước lượng ứng suất căng Ge thông qua góc lệch 2θ dựa vào cơng thức: ε// = (θ- θo)/ θo.100% = Δθ/θo.100% Giá trị ứng suất căng ε// lớn mà thu 0,24% khoảng nhiệt độ tăng trưởng từ 700-770oC Đây kết tốt mà giá trị ứng suất căng cao dựa vào phương pháp CVD nằm khoảng 0,22-0,25% Thường để giảm bớt sai lệch mạng trình tạo màng nhiệt độ cao, kỹ thuật nung ủng mẫu sau tăng trưởng quan tâm lớn từ nhà nghiên cứu Chúng tơi có so sánh phương pháp xử lý nhiệt sau: Nung mẫu 900 oC 13 với khoảng thời gian khác nung mẫu với chu trình từ 780 đến 900 oC với khoảng thời gian 10 phút ứng với nhiệt độ Chúng thống kê giá trị ứng suất căng màng Ge mà thu qua hai phương pháp nung ủ: nung nhiệt độ 900 oC với thời gian dài nung theo chu kỳ với hai mức nhiệt độ 780 900oC Mẫu chọn màng Ge tăng trưởng nhiệt độ 600oC tương đương với ứng suất ban đầu 0.16% Nhìn vào bảng 3.2 ta thấy ứng suất căng lớn đạt nung nhiệt độ cố định 900oC 0,2 ứng với thời gian nung 10 phút, nung theo chu kỳ ứng suất căng lớn đạt 0,3% ứng với thời gian chu kỳ phút 3.2 Khảo sát tính chất quang màng Ge/Si (001) sau pha tạp Photpho 3.2.1 Hiệu việc pha tạp Photpho lên màng Ge từ nguồn GaP Như biết chương trước, vùng lượng Ge trở thành chuyển mức thẳng với 1,9% ứng suất căng Tuy nhiên, chưa có báo cáo cho kết vươn tới ứng suất Thêm vào với 1,9% ứng suất căng, dải lượng Ge giảm xuống khoảng ~0,5eV tương đương với bước sóng ánh sáng phát khoảng 2500 nm, bước sóng cách xa với bước sóng vơ tuyến (1500nm) Vì cần phải có kết hợp việc pha tạp điện tử với ứng suất căng để đạt bước sóng phát cần thiết 14 Sự pha tạp đạt mức cao mật độ kích hoạt điện tử nằm khoảng 1019 – 1020 cm-3 Trong phần tập trung vào việc trình bày giải pháp pha tạp điện tử vào màng Ge từ nguồn GaP rắn trình bày kết pha tạp Để xác định hiệu việc pha tạp P từ nguồn GaP, tạo màng có cấu tạo gồm lớp Ge với mức pha tạp Photpho khác nhau, phân tách màng Ge có chiều dày 80nm Tại lớp Ge pha tạp Photpho cài đặt nhiệt độ nguồn GaP 600,700 800°C Nhiệt độ đế chọn 300°C, giá trị mật độ P thu 3x1017, 6x1018 4x1020 cm-3 Vì theo kết máy SIMS ta thấy nhiệt độ GaP 800°C hiệu Hình 3.3 Biểu diễn nồng độ Phosphot (đường màu xanh biển) Ge (đường màu đỏ) 15 Tuy nhiên SIMS đo tổng lượng Photpho pha tạp lớp Ge Muốn xác định tính dẫn hay tính phát quang lớp Ge pha tạp phải sử dụng máy đo điện trở điểm Chúng thấy điền trở màng giảm dần tăng nhiệt độ nguồn GaP từ 675 đến 725°C, điều có nghĩa mật độ Photpho lớp Ge tăng dần lên Tuy nhiên từ nhiệt độ 750 đến 800°C điện trở màng giảm xuống Vì rõ ràng điện trở thấp màng thu pha tạp P nhiệt độ nguồn 725°C Hình 3.4 Biểu đồ tăng trưởng điện trở mẫu phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn GaP Nhiệt độ đế cố định 300°C 3.2.2 Sự ảnh hưởng nhiệt độ đế lên nồng độ pha tạp Để nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đế lên nồng độ pha tạp cố định nhiệt độ nguồn GaP 725°C Với mẫu đo nhiệt độ phịng với độ dày 100nm (trong 30nm Ge không pha tạp tăng trưởng 300°C 70nm lại pha tạp P với giá trị nhiệt độ nguồn GaP khác nhau) 16 Nhìn vào biểu đồ 3.5 thấy điện trở mẫu giảm tăng nhiệt độ đế từ 210 đến 450°C thấp 210°C Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn quan hệ điện trở màng nhiệt độ đế Các kết cho thấy điều kiện tối ưu cho việc pha tạp phốt màng Ge thiết lập nhiệt độ nguồn pha tạp 725 ° C nhiệt độ bề mặt đế 210 ° C Nhiệt độ đế tạo hiệu ứng ngược hai tính chất màng Ge Nhiệt độ tăng trưởng cao (lên đến 770 °C) gây căng ứng suất căng lớn nhiệt độ thấp tạo điều kiện cho việc pha tạp tốt Nồng độ pha tạp đạt giá trị cao 1019 cm-3 thu nhiệt độ tăng trưởng 210 °C Tuy nhiên Ge tăng trưởng nhiệt độ tn theo mơ hình Stranski-Krastanov, tạo nhiều lỗi mạng tinh thể Chỉ lớp đệm Ge mịn 17 hình thành Si 300° C, Ge lắng đọng tăng trưởng Ge homoepitaxial tạo màng 2D chất lượng cao Ta thấy chiến lược chế tạo màng Ge phục vụ cho ứng dụng quang phát việc cần lưu ý giá trị ứng suất căng đạt tăng nhiệt độ tăng trưởng giới hạn khoảng 0.25-0.3%, cách xa so với giá trị mong đợi để biến Ge thành chất chuyển mức trực tiếp Vì thiết lập nhiệt độ tăng trưởng ta cần nghiêng việc pha tạp điện tử Hay nói cách khác, cần phải thiết lập nhiệt độ tăng trưởng thấp ban đầu để có màng đạt nồng độ pha tạp cao Mặc dù màng Ge chứa nhiều khuyết tật nhiên vấn đề giải kỹ thuật xử lý nhiệt sau 3.2.3 Tác động kỹ thuật xử lý nhiệt lên tính linh động chất pha tạp Như chương trước đây, pha tạp Ge nhiệt độ đế 210°C mật độ P đạt cao với 2x1020 cm-3 Tuy nhiên, có lượng nhỏ Photpho (cỡ 2x1019 cm-3) kích hoạt lượng lớn nguyên tử Photpho (1.8x1020 cm-3) bị giam khe mạng Ge Điều có nghĩa cần phải có bước xử lý nhiệt để để kích hoạt ngun tử Phopho vào vị trí Ge mạng Đồ thị từ máy PL hình 3.6 bên cho ta thấy rõ khác biệt mẫu nung nhiệt độ 750°C với thời gian phút 10 phút 18 Hình 3.6 Phổ huỳnh quang PL màng Ge thể ảnh hưởng thời gian xử lý nhiệt sau pha tạp KẾT LUẬN 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 : Việc sử dụng phương pháp tăng trưởng bước với kỹ thuật MBE nhiệt độ tăng trưởng khoảng 240- 300o C tạo màng Germani có chất lượng tinh thể cao Ngoài tăng nhiệt độ tăng trưởng lên 770oC tận dụng chênh lệch giãn nở nhiệt Ge Si tạo ứng suất căng lớn 0,24% Xử lý nhiệt mẫu sau tăng trưởng theo chu trình nhiệt 770/900oC với thời gian phút ứng với nhiệt độ góp 19 phần tăng ứng suất căng lên 0,3% cao 0,1% nung nhiệt độ cố định 900oC Pha tạp điện tử sử dụng nguồn GaP đạt giá trị cao 4x1020 cm-3 thiết lập nhiệt độ nguồn 800oC với nhiệt độ tượng Galium trốn khỏi bẫy gần loại bỏ hồn tồn Tuy nhiên nhiệt độ nguồn cần thiết lập để điện trở mẫu nhỏ hay tính phát quang mẫu đạt lớn 725oC Nhiệt độ đế pha tạp ảnh hưởng nhiều đến nồng độ pha tạp Chỉ nhiệt độ đế nằm khoảng 210oC mẫu đạt nồng độ pha tạp cao 1019 cm-3 Qui trình xử lý nhiệt để khắc phục tượng tăng trưởng theo chế độ SK hạ nhiệt độ đế góp phần kích thích điện tử pha tạp nung nhiệt độ 750oC vòng phút