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研究生: 林昌民
MIN, LIN CHANG
論文名稱: 應用液相沉積法製備α-Ga2O3 MIS二極體之研究
Investigation of MIS diode with α-Ga2O3 insulator layer prepared by Liquid Phase Deposition
指導教授: 洪茂峰
Houng, Mau-phon
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 微電子工程研究所
Institute of Microelectronics
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 88
中文關鍵詞: 液相沉積法MIS二極體氧化鎵光感測器崩潰電
外文關鍵詞: Liquid phase deposition, high breakdown voltage, MIS diodes, Ga2O3, photodiode
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  • 本研究目標是利用液相沉積法製備α-Ga2O3薄膜,探討生長環境中各項因素的調變對於結晶品質的影響,再者是後續利用α-Ga2O3薄膜製備MIS( Ni/α-Ga2O3/Si )二極體之電特性討論,包含提高位障高度(ФB)抑制漏電流以及提高崩潰電壓。本研究提出對於成長GaOOH的水溶液中水溫的提高,有助於Ga(OH)3解離生成GaOOH晶體,同時改善附著於GaOOH晶體表面的Ga(OH)3膠體狀粒子,並且透過PH值的調變可以完全消除此一膠體狀產物,成功得到乾淨且鎵與氧的元素比例近乎1:2之GaOOH晶體,再進行XRD的分析以及比對,為類單晶(110)優選之α-GaOOH,後續對於退火溫度以及時間的調變成功得到α-Ga2O3 。以此確立的成長條件製作MIS二極體,發現可以提高位障高度(ФB) 0.4eV,提高on/off ratio 100倍,並增加崩潰電壓與減少漏電流密度。然而二極體的位障高度(ФB)主導了逆向飽和電流與順向導通電壓,所以低順向壓降與之逆向飽和電流是背道而馳的兩個目標。目前我們可做到在-2V的時候漏電流大小為1.07*10-5A/cm2,而崩潰電壓目前則可以做到-166V,在沒有任何保護環或是周圍絕緣的情況下,。在光感測器的應用方面,我們分析光響應度改善:經過成長α-Ga2O3的元件比只有SiO2的MIS二極體提升了37.3倍,顯示出α-Ga2O3在光感測器方面的潛力。

    In this thesis, the design and fabrication of Ni/Ga2O3/Si/Al MIS diodes with α-Ga2O3 insulator layer prepared by liquid phase deposition on silicon substrate. Experimental results show that the reverse leakage current was reduced and the breakdown voltage increased and the responsivity increased with an insulator layer apply. It was found that the diode and fabrication technology developed in the present thesis is applicable to the realization of MIS diodes with a high breakdown voltage (≥166V),and a low reverse leakage current density (1.07×10-5A/cm2@-2V),and a barrier height 1.085eV, and increase the responsivity 37.3 times.

    摘要……………………………………………………………………………I Abstract III 誌謝………………………………………………………………………….XI 目錄………………………………………………………………………..XIII 表目錄…………………………………………………………………….XVI 圖目錄…………………………………………………………………….XVII 第一章緒論 1 1-1前言 1 1-2金屬-半導體接觸理論 1 1-2-1 歐姆接觸理論 2 1-2-2蕭特基接觸理論 3 1-3 MIS架構 6 1-4 光感測器 6 1-5研究動機 7 第二章理論基礎 9 2-1以液相沉積法製備氧化鎵 9 2-2 氧化鎵之簡介 10 2-2-1氧化鎵晶體結構與特性 10 2-3蒸鍍(Evoaporation)原理 11 2-4薄膜沈積現象 13 2-5製程壓力與溫度對薄膜特性影響 14 2-6 蕭特基二極體操作原理 15 2-6-1 順向偏壓 15 2-6-2 逆向偏壓 16 2-7 接面崩潰(Junction Breakdown) 17 2-7-1 熱不穩定度(Thermal Instability) 17 2-7-2 穿隧(Tunneling) 19 2-7-3 累增倍乘(Avalanche Multiplication) 20 2-8 金氧半氧化層缺陷之型態 22 2-8-1 氧化層崩潰電壓模式 26 第三章實驗方法與量測儀器介紹 28 3-1 實驗方法 28 3-1-1 矽基板的前置處理 28 3-1-2液相沉積法沉積氧化鎵(Ga2O3) 28 3-1-3 退火處理 29 3-1-4 鎳與鋁之正背電極製備 30 3-2 實驗製程設備介紹 32 3-2-1物理氣相沉積(PVD)系統 32 3-2-2高溫爐管熱退火系統 32 3-3 實驗量測設備介紹 33 3-3-1場發射掃描式電子顯微鏡(Field Emission-Scanning Electron Microscope, FE-SEM) 33 3-3-2 X光繞射儀(X-Ray Diffraction, XRD) 33 3-3-3能量分析光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer ; EDS) 34 3-3-4霍爾效應量測(Hall effect measurement) 35 3-3-5穿透式電子顯微鏡 (TEM) 36 第四章結果與討論 39 4-1實驗架構 39 4-2 GaOOH晶體分析 39 4-2-1 水溶液成長條件調變 39 4-2-2 GaOOH晶體結晶品質分析 42 4-3 α-Ga2O3晶體分析 43 4-4 α-Ga2O3膜厚分析 45 4-5二極體電性分析 48 4-5-1 I-V電性量測 48 4-5-2 C-V電性量測 53 4-5-3 崩潰電壓量測 56 4-5-4 光感測器的應用 60 第五章 結論 63 第六章未來工作 64 參考文獻 65 表目錄 表1-1 各種半導體材料特性 25 表3-1-1 液相沉積法沉積GaOOH製程參數 46 表3-1-2 液相沉積法沉積GaOOH製程參數 46 表3-2-1 高溫爐管熱退火參數 47 表3-2-2 高溫爐管熱退火參數 47 表3-3 鎳電極製程參數 48 表3-4 Al背電極製程參數 48 表3-5 常見顯微鏡之比較表 55 表4-1 MIS diode的最佳參數和MS diode之I-V特性比較 66 表4-2 MIS diode的最佳參數和MS diode之特性比較 70 表4-3 MIS diode (Ni/SiO2/Si/Al) 和 (Ni/Ga2O3/SiO2/Si/Al) 78 之光電特性比較 78 圖目錄 圖1-1 蕭特基能障示意圖 20 圖1-2 蕭特基能障順偏下四種載子傳導機制示意圖 22 圖2-1 α-Ga2O3之結構 28 圖2-2 β-Ga2O3之結構 28 圖2-3薄膜沉積步驟,(1)成核、(2)晶粒成長、(3)晶粒聚結、 31 (4)縫道填補、(5)薄膜的沉積 31 圖2-4順向偏壓電流傳輸示意圖 33 圖2-5順向偏壓電流傳輸示意圖 34 圖2-6 逆向偏壓下的電流-電壓特性與熱崩潰的關係圖 36 圖2-7 穿隧崩潰機制的能帶示意圖 37 圖2-8 游離化碰撞產生電子-電洞對示意圖 38 圖2-9 典型金氧半二極體所形成的缺陷與電荷 42 圖2-10 陷阱電荷所造成的遲滯現象 42 圖3-1 Ni/Ga2O3/Si/Al二極體示意圖 48 圖3-2 數種van der Pauw量測之幾何圖形 53 圖3-3 穿透式電子顯微鏡之基本儀器構造圖 54 圖4-1 (a):水溫55℃、pH值:6的環境下成長24小時 (b)、(c):水溫60℃、pH值:6的環境下成長24小時 (d):水溫60℃、pH值:7的環境下成長24小時 58 圖4-1 (e)、(f):水溫60℃、pH值7.5的成長環境下成長24小時之高倍率與低倍率的SEM圖 59 圖4-2 水溫60℃、pH值7.5的成長環境下,不同成長時間條件的XRD量測結果 60 圖4-3 (a): 退火溫度350℃下經過4小時的退火結果 61 圖4-3 (b)、(c): 退火溫度400℃下經過4小時的退火結果之低倍率與高倍率的SEM圖 62 圖4-4調變退火參數的XRD量測結果 62 圖4-5(a): 將Ga2O3沉積於玻璃上之SEM剖面圖 (b): 將Ga2O3沉積於矽基板上之SEM剖面圖 (c): 將Ga2O3沉積於矽基板上之SEM上視圖(d): 將 Ga2O3沉積於矽基板上之SEM剖面圖(e): 將Ga2O3沉積於矽基板上之SEM上視圖(f): Ga2O3沉積於矽基板上之SEM剖面圖 64 圖4-6(a): MS diode (Ni/Si/Al) 之I-V圖 66 圖4-6(b): MIS diode (Ni/Ga2O3/Si/Al) 之I-V圖 67 圖4-6(c): MIS diode (Ni/Ga2O3/Si/Al) 之I-V圖 67 圖4-6(d): MIS diode (Ni/Ga2O3/Si/Al) 之I-V圖 68 圖4-6(e): MIS diode (Ni/Ga2O3/Si/Al) 之I-V圖 68 圖4-6(f): MIS diode (Ni/Ga2O3/Si/Al) 之I-V圖 69 圖4-7 位能障高度能帶圖 71 圖4-8(a): MS diode (Ni/Si/Al) 之電容平方倒數對電壓關係圖 72 圖4-8(b): MIS diode (Ni/Ga2O3/Si/Al) 之電容平方倒數對電壓關係圖 72 圖4-9(a): MS diode (Ni/Si/Al) 之逆偏I-V圖 74 圖4-9(b): MIS diode (Ni/Ga2O3/Si/Al) 之逆偏I-V圖 74 圖4-9(c): MIS diode (Ni/Ga2O3/Si/Al) 之逆偏I-V圖 75 圖4-9(d): MIS diode (Ni/Ga2O3/Si/Al) 之逆偏I-V圖 75 圖4-9(e): MIS diode (Ni/Ga2O3/Si/Al) 之逆偏I-V圖 76 圖4-9(f): MIS diode (Ni/Ga2O3/Si/Al) 之逆偏I-V圖 76 圖4-10 (a): MIS(Ni/SiO2/Si/Al) 78 圖4-10 (b): MIS(Ni/Ga2O3/SiO2/Si/Al) 79 圖4-10 (c): MIS(Ni/Ga2O3/SiO2/Si/Al) 79

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