氧化物MIS結(jié)構(gòu)界面缺陷的深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試方法研究
發(fā)布時(shí)間：2021-01-20 06:18
鈦酸鍶（SrTiO3,STO）是一種具有典型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的絕緣體,近年來(lái)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明,用氬離子（Ar+）轟擊絕緣SrTiO3后,其表面準(zhǔn)二維導(dǎo)電層會(huì)具有光致熒光,磁阻效應(yīng)、持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)、金屬絕緣相變、自旋軌道耦合等性質(zhì),這些性質(zhì)主要與SrTiO3表面的氧空位有關(guān)。氧空位是STO導(dǎo)電層中的重要缺陷,但是關(guān)于氧空位的缺陷能級(jí)的相關(guān)研究十分稀少,需要進(jìn)一步的研究。深能級(jí)瞬態(tài)譜是目前檢測(cè)深能級(jí)雜質(zhì)和缺陷的最有效的手段之一,利用深能級(jí)瞬態(tài)譜的手段可以很好的獲得樣品中氧空位缺陷信息。針對(duì)上述背景,本文主要進(jìn)行了以下工作:1、基于鎖相放大技術(shù),搭建DLTS測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試功能。用鎖相放大器和電流放大器組成瞬態(tài)電容測(cè)試,并調(diào)節(jié)儀器參數(shù)降低噪音,確定了鎖相放大器時(shí)間常數(shù)TC為100500和電流放大器放大倍數(shù)為1k或10k時(shí),對(duì)瞬態(tài)電容的測(cè)量精度達(dá)到較高水平;使用溫度控制儀進(jìn)行溫度控制,采用緩慢連續(xù)升溫的方式,使溫度調(diào)節(jié)自動(dòng)化;使用LabVIEW軟件編...
【文章來(lái)源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：66 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
STO的晶體結(jié)構(gòu)示意圖
電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文6第二章實(shí)驗(yàn)和方法2.1MIS結(jié)構(gòu)樣品制備本實(shí)驗(yàn)MIS結(jié)構(gòu)樣品的制備分為三個(gè)階段：基底半導(dǎo)體層的制備；絕緣層的制備；電極的生長(zhǎng)�；字苽涫峭ㄟ^(guò)Ar+轟擊技術(shù)，而絕緣層和電極的制備是通過(guò)磁控濺射技術(shù)。2.1.1Ar+轟擊STO表面改性原理本文轟擊用的離子源為考夫曼離子源。其基本原理是在電場(chǎng)作用下，陰極燈絲發(fā)射電子，這些電子在磁場(chǎng)和電場(chǎng)的共同作用下被加速，并與通入腔體內(nèi)的少量氬氣相互碰撞，使氬氣分子電離為氬離子，氬離子同樣會(huì)被電場(chǎng)和磁場(chǎng)加速，向四周移動(dòng)，其中少量氬離子會(huì)向樣品方向移動(dòng)，轟擊樣品表面。其原理如圖2-1所示：圖2-1考夫曼離子源原理示意圖考夫曼離子源可以產(chǎn)生高能離子束（2000eV）。如圖所示，陰極和陽(yáng)極之間會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電場(chǎng)，在該場(chǎng)的作用下陰極燈絲發(fā)射電子并向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電子會(huì)受到洛倫茲力的作用，在兩力共同作用下，電子不斷在腔體中回旋運(yùn)動(dòng)，不斷與氬氣碰撞，產(chǎn)生氬離子。大多數(shù)的氬離子會(huì)向四周移動(dòng)，打在腔體表面，只有少量的氬離子會(huì)被電場(chǎng)和磁場(chǎng)加速，轟擊到樣品表面。本文中，采用氬離子轟擊<100>晶向的鈦酸鍶單晶片。Ar+轟擊在STO表面會(huì)產(chǎn)生一定厚度的缺陷損傷層，該層具有一定的導(dǎo)電性，其導(dǎo)電性主要與層中產(chǎn)生的氧空位缺陷有關(guān)。其中，由于材料中不同原子的擴(kuò)散速度不一樣，所以缺陷形成會(huì)與離子束的優(yōu)先濺射原則相關(guān)。鈦酸鍶對(duì)氧的優(yōu)先濺射示意圖如圖2-2所示。
第二章實(shí)驗(yàn)和方法7圖2-2Ar+轟擊對(duì)氧的優(yōu)先濺射示意圖[41]在STO的晶體中，氧原子的有效質(zhì)量小于鈦原子和鍶原子；同時(shí)，按原子距離來(lái)看，相鄰的氧原子和氧原子之間的距離使最小的；最后從晶體結(jié)構(gòu)上來(lái)看，一個(gè)鈦原子周?chē)?個(gè)Ti-O鍵，而氧原子周?chē)挥?個(gè)Ti-O鍵。綜上所述，整個(gè)晶體對(duì)氧原子的束縛比對(duì)鈦原子和鍶原子的束縛要弱，在離子轟擊的過(guò)程中，氧原子更容易被離子束轟出樣品的表面，形成氧空位，所以在Ar+轟擊STO表面形成的導(dǎo)電層中，主要缺陷為氧空位缺陷。同時(shí)。由于在整個(gè)轟擊過(guò)程中，缺陷的熱擴(kuò)散作用，氧空位還會(huì)向半導(dǎo)體更深處移動(dòng)，使Ar+的穿透深度以下的深度也出現(xiàn)氧空位。Ar+轟擊STO表面形產(chǎn)生氧空位缺陷，氧空位發(fā)射電子作為載流子，該過(guò)程中，載流子濃度可以等效為摻雜劑量。樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)即是摻雜劑量，其滿(mǎn)足式(2-1)：=(2-1)其中劑量的單位是ions/cm2，I是束流，單位A；t是注入的時(shí)長(zhǎng)，單位s；q是電子電荷；n是電荷數(shù)；A是轟擊的面積，單位cm2。由上式可知：延長(zhǎng)轟擊時(shí)間可以改變樣品中的摻雜劑量，時(shí)間越長(zhǎng)，摻雜劑量會(huì)越高，禁帶中的缺陷數(shù)量會(huì)越多，導(dǎo)電層的導(dǎo)電性將會(huì)越好。但是，Ar+轟擊STO形成的表面導(dǎo)電層厚度只由轟擊能量決定，導(dǎo)電層厚度為：241413211/t/i/ZZρWE.L(2-2)其中L是導(dǎo)電層厚度，單位，Ε是轟擊能量，單位eV，W是樣品的平均原子重量，ρ是樣品的平均密度，Zi,t分別是離子和樣品的原子數(shù)量[42]。對(duì)于Ar+轟擊的SrTiO3樣品L=0.47E2/3。
本文編號(hào)：2988546
【文章來(lái)源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
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【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
STO的晶體結(jié)構(gòu)示意圖
電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文6第二章實(shí)驗(yàn)和方法2.1MIS結(jié)構(gòu)樣品制備本實(shí)驗(yàn)MIS結(jié)構(gòu)樣品的制備分為三個(gè)階段：基底半導(dǎo)體層的制備；絕緣層的制備；電極的生長(zhǎng)�；字苽涫峭ㄟ^(guò)Ar+轟擊技術(shù)，而絕緣層和電極的制備是通過(guò)磁控濺射技術(shù)。2.1.1Ar+轟擊STO表面改性原理本文轟擊用的離子源為考夫曼離子源。其基本原理是在電場(chǎng)作用下，陰極燈絲發(fā)射電子，這些電子在磁場(chǎng)和電場(chǎng)的共同作用下被加速，并與通入腔體內(nèi)的少量氬氣相互碰撞，使氬氣分子電離為氬離子，氬離子同樣會(huì)被電場(chǎng)和磁場(chǎng)加速，向四周移動(dòng)，其中少量氬離子會(huì)向樣品方向移動(dòng)，轟擊樣品表面。其原理如圖2-1所示：圖2-1考夫曼離子源原理示意圖考夫曼離子源可以產(chǎn)生高能離子束（2000eV）。如圖所示，陰極和陽(yáng)極之間會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電場(chǎng)，在該場(chǎng)的作用下陰極燈絲發(fā)射電子并向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電子會(huì)受到洛倫茲力的作用，在兩力共同作用下，電子不斷在腔體中回旋運(yùn)動(dòng)，不斷與氬氣碰撞，產(chǎn)生氬離子。大多數(shù)的氬離子會(huì)向四周移動(dòng)，打在腔體表面，只有少量的氬離子會(huì)被電場(chǎng)和磁場(chǎng)加速，轟擊到樣品表面。本文中，采用氬離子轟擊<100>晶向的鈦酸鍶單晶片。Ar+轟擊在STO表面會(huì)產(chǎn)生一定厚度的缺陷損傷層，該層具有一定的導(dǎo)電性，其導(dǎo)電性主要與層中產(chǎn)生的氧空位缺陷有關(guān)。其中，由于材料中不同原子的擴(kuò)散速度不一樣，所以缺陷形成會(huì)與離子束的優(yōu)先濺射原則相關(guān)。鈦酸鍶對(duì)氧的優(yōu)先濺射示意圖如圖2-2所示。
第二章實(shí)驗(yàn)和方法7圖2-2Ar+轟擊對(duì)氧的優(yōu)先濺射示意圖[41]在STO的晶體中，氧原子的有效質(zhì)量小于鈦原子和鍶原子；同時(shí)，按原子距離來(lái)看，相鄰的氧原子和氧原子之間的距離使最小的；最后從晶體結(jié)構(gòu)上來(lái)看，一個(gè)鈦原子周?chē)?個(gè)Ti-O鍵，而氧原子周?chē)挥?個(gè)Ti-O鍵。綜上所述，整個(gè)晶體對(duì)氧原子的束縛比對(duì)鈦原子和鍶原子的束縛要弱，在離子轟擊的過(guò)程中，氧原子更容易被離子束轟出樣品的表面，形成氧空位，所以在Ar+轟擊STO表面形成的導(dǎo)電層中，主要缺陷為氧空位缺陷。同時(shí)。由于在整個(gè)轟擊過(guò)程中，缺陷的熱擴(kuò)散作用，氧空位還會(huì)向半導(dǎo)體更深處移動(dòng)，使Ar+的穿透深度以下的深度也出現(xiàn)氧空位。Ar+轟擊STO表面形產(chǎn)生氧空位缺陷，氧空位發(fā)射電子作為載流子，該過(guò)程中，載流子濃度可以等效為摻雜劑量。樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)即是摻雜劑量，其滿(mǎn)足式(2-1)：=(2-1)其中劑量的單位是ions/cm2，I是束流，單位A；t是注入的時(shí)長(zhǎng)，單位s；q是電子電荷；n是電荷數(shù)；A是轟擊的面積，單位cm2。由上式可知：延長(zhǎng)轟擊時(shí)間可以改變樣品中的摻雜劑量，時(shí)間越長(zhǎng)，摻雜劑量會(huì)越高，禁帶中的缺陷數(shù)量會(huì)越多，導(dǎo)電層的導(dǎo)電性將會(huì)越好。但是，Ar+轟擊STO形成的表面導(dǎo)電層厚度只由轟擊能量決定，導(dǎo)電層厚度為：241413211/t/i/ZZρWE.L(2-2)其中L是導(dǎo)電層厚度，單位，Ε是轟擊能量，單位eV，W是樣品的平均原子重量，ρ是樣品的平均密度，Zi,t分別是離子和樣品的原子數(shù)量[42]。對(duì)于Ar+轟擊的SrTiO3樣品L=0.47E2/3。
本文編號(hào)：2988546
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