【摘要】：在實際生產(chǎn)和研究中所使用的半導(dǎo)體材料都并非理想結(jié)構(gòu),都含有缺陷。它們可能是外來原子(雜質(zhì)),也可能是本身晶體結(jié)構(gòu)方面的缺陷。半導(dǎo)體材料在生產(chǎn)制備和器件加工的工藝過程中往往會引入很多深能級缺陷,這些缺陷成為載流子復(fù)合中心降低了載流子壽命,從而嚴(yán)重影響到器件的各種參數(shù)。對半導(dǎo)體材料中電活性缺陷的研究在對材料電學(xué)性能評價、提高器件工作性能、器件可靠性研究、失效分析等方面,有著非常重要的意義。對缺陷的研究也是多方面的,包括缺陷的來源、缺陷在器件中的位置、缺陷的類型、缺陷的電學(xué)性質(zhì)(缺陷能級、對載流子的俘獲截面)等。本文以InGaAs、AlN、c-Si、a-Si_(1-x)Ru_x四種材料體系為研究對象,采用磁控濺射、PECVD等成膜方法,并綜合運用Raman、TEM、CV、DLTS等多種手段,對半導(dǎo)體薄膜材料中的電活性缺陷進(jìn)行了深入研究,分為以下四部分:(1)DLTS研究結(jié)果表明,MBE外延的N型InGaAs材料在生長過程中就已經(jīng)引入了深能級缺陷,缺陷能級位置在距離導(dǎo)帶0.37eV-0.42eV范圍內(nèi),該深能級缺陷類型為點缺陷,為InGaAs材料中的As反位缺陷;15分鐘370℃的合成氣體快速退火處理不僅明顯降低了InGaAs材料的表面態(tài)密度,而且對InGaAs材料層內(nèi)部一定深度的缺陷對電子的俘獲截面明顯降低,對器件起到了非常有效的鈍化作用。(2)將AlN設(shè)計為MIS電容器結(jié)構(gòu)中的絕緣層,采用DLTS方法重點研究了GaN功率器件中與AlN緩沖層相關(guān)的電活性缺陷。研究發(fā)現(xiàn),在AlN薄膜的CVD沉積過程中,Al原子已經(jīng)向襯底硅中擴(kuò)散,而襯底硅中電活性缺陷與Al原子的擴(kuò)散緊密相關(guān),在P型硅襯底中靠近AlN/Si界面位置處的電活性缺陷能級E_T=0.37eV,俘獲截面σ_p=10~(-16)cm~2,缺陷濃度隨深度成遞減分布狀態(tài);退火處理后,Al原子向襯底硅中更深處擴(kuò)散,電活性缺陷發(fā)生演變,深能級位置由0.372eV增加到0.421eV。AlN給硅襯底引入了Al-O配合物點缺陷,且在后續(xù)的退火處理中受溫度作用有聚集趨勢,點缺陷逐漸向擴(kuò)展態(tài)缺陷發(fā)展。(3)在單晶硅太陽能電池的制備中,嘗試尋求用氫等離子體刻蝕的方法來替代氫氟酸溶液處理,如果工藝適當(dāng)(流速500sccm、刻蝕時間60s)可以使少子壽命達(dá)到τ_(eff)=2.5ms。研究發(fā)現(xiàn),過快的氫氣流速可能會造成刻蝕不充分,而太長的刻蝕時間會導(dǎo)致氫等離子體對表面氧化層的過刻,二者都可增加硅襯底表面處的缺陷,對制備高性能器件不利;氫等離子體刻蝕后在a-Si:H/c-Si界面處有一層厚度約1nm的SiO_2氧化層殘留,可以防止單晶硅與氫化非晶硅材料發(fā)生直接接觸,從而在退火過程中避免出現(xiàn)單晶硅向氫化非晶硅層的外延生長;DLTS研究結(jié)果表明,氫等離子體除了在表面與Si-O發(fā)生反應(yīng)通過刻蝕去除表面氧化層,還會引入一定程度的類型為與晶體結(jié)構(gòu)中空位相關(guān)的點缺陷,這種刻蝕引入的缺陷深度可以深達(dá)1?m,而這些缺陷可以通過氫化非晶硅薄膜的鈍化得到有效的降低或消除。(4)在制備態(tài)a-Si_(1-x)Ru_x薄膜中,金屬釕Ru有不同的存在形式。當(dāng)Ru少量摻雜時,Ru原子以替位原子的方式存在于非晶硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中;當(dāng)Ru摻雜度較高時,超過固溶度的Ru原子從非晶硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中析出形成Ru_2Si納米晶顆粒。Ru原子的摻雜可以對a-Si_(1-x)Ru_x薄膜的微結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)起到調(diào)控作用,當(dāng)少量摻雜(x=0.01)時,薄膜的電阻率明顯下降,TCR可以維持在2%,同時薄膜的1/f噪聲有所改善。退火處理可以提高a-Si_(1-x)Ru_x薄膜的結(jié)構(gòu)有序度,使薄膜的1/f噪聲進(jìn)一步降低,使其具有潛在的紅外探測器應(yīng)用價值。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN304;O77;TB383.2
【圖文】：

新效應(yīng)和新器件才得以被不斷發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，而這些新促進(jìn)研究者們對材料性能研究的進(jìn)一步深入，形成相互促模式，最終使得整個半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)不斷取得一個又一個的型半導(dǎo)體材料的器件應(yīng)用鎵砷材料體系器件代半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)界基于硅材料的CMOS（Code-Semiconductor）技術(shù)跟隨摩爾定律不斷地按比例縮小尺寸移率過低的限制，其器件性能越來越不能滿足未來晶體管的性能的發(fā)展要求。為獲得突破性發(fā)展，科研界和工業(yè)界正在傳輸特性的材料來實現(xiàn)低驅(qū)動電壓、低耗高效器件，于是鍺族化合物等高載流子遷移率半導(dǎo)體材料[2-5]，成為人們研究關(guān)非 SiCMOS 技術(shù)中，III-V 族半導(dǎo)體材料因其作為窄禁帶半輸特性，最有希望成為新型 MOS 的選擇[6]。

圖 1-2 CMOS 器件傳統(tǒng)制作工藝.2 可靠性檢測可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，也、設(shè)備、元器件的功能在時間上的穩(wěn)定性。就我國目前的可靠性研究而言的研究主要分為零件可靠性設(shè)計研究、系統(tǒng)可靠性研究以及可靠性試驗個分支研究方向。在這三個研究方向中，“可靠性試驗和研究”與工程應(yīng)制造實際過程緊密相關(guān)，并且以大量實驗為研究和工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，通過性檢測設(shè)備對待測產(chǎn)品進(jìn)行試驗，不斷積累數(shù)據(jù)，逐步形成了從工程可靠求開始，到可靠性檢測設(shè)備與技術(shù)的進(jìn)步，檢測技術(shù)進(jìn)步后再反過來滿足程可靠性檢測需求，最終形成良性正循環(huán)發(fā)展，并且不斷帶動可靠性工程展。可靠性分析中常用的方法壽命分布可靠性研究中最常需要面對的問題就是準(zhǔn)確預(yù)測產(chǎn)品和各個部件的使用

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 曹峻松;徐儒;郭偉玲;;第3代半導(dǎo)體氮化鎵功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J];新材料產(chǎn)業(yè);2015年10期

2 孫偉鋒;張波;肖勝安;蘇巍;成建兵;;功率半導(dǎo)體器件與功率集成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J];中國科學(xué):信息科學(xué);2012年12期

3 馬鐵英;李鐵;劉文平;王躍林;;非晶硅薄膜的紅外熱敏特性[J];半導(dǎo)體學(xué)報;2008年11期

本文編號：2717939