- 學位論文
High k oxide-InGaAs Heterostructures: Interface properties and Energy Band Parameters
高介電常數氧化物-鉮化銦鎵異質結構：界面性質與能帶參數
摘要
氧化鋁(Al2O3)與氧化鉿(HfO2)利用原子層沉積技術成長於不同銦比例的鉮化銦鎵(InGaAs)化合物半導體表面。已曝露於空氣中的鉮化銦鎵，不需經任何表面處理，既可得到良好電性的氧化物-鉮化銦異質接面，如低漏電流特性（10-7－10-9 A/cm2）與低界面缺陷態密度（約1012cm-2eV-1）。本實驗利用高解析光電子能譜儀與高解析電子顯微鏡進行界面化學反應與原子結構的特性研究，利用同步輻射光源與氬氣離子蝕刻達到高精度的化學成分深度分析，得知在界面處沒有殘留的氧化鉮。在已曝露於空氣中的鉮化銦鎵，其表面生成的氧化鉮在原子層沉積氧化鋁與氧化鉿的過程中被完全移除，此化學反應已在電容-電壓量測中被證實為鉮化銦鎵表面費米能階沒有被釘紮(Fermi Level unpinning)的關鍵因素。由高解析電子顯微鏡觀察得到非結晶的氧化物與半導體之間為一原子級平整的界面，但經由高解析光電子能譜儀的分析，仍殘留少量的氧化鎵與氧化銦。 本研究成長氧化鉿於53%銦的鉮化銦鎵表面，成功達成一奈米厚的等效電容厚度（與二氧化矽相比）的電容元件，關鍵在分子束磊晶成長高品質的半導體後，在送到原子層沉積腔體成長氧化物之前，減少鉮化銦鎵表面曝露於空氣中的時間，樣品傳送過程在十分鐘內即可完成。4.5奈米的氧化鉿於鉮化銦鎵上，在平帶電壓加一伏特的電壓下的漏電流約為3.8×10-4 A/cm2，僅約於同等效電容厚度一奈米厚的二氧化矽的億分之一。 氧化物-鉮化銦異質接面相關的能帶參數如氧化物能隙、價電帶與導電帶的偏移量(offsets)，已經由光電子能譜儀與反射式電子能量損失儀實驗得知。由反射式電子能量損失譜得知氧化鋁與氧化鉿的能隙分別為6.77與5.56 ±0.05 eV；價電帶偏移量可由光電子能譜分析得知，利用氧化物與半導體的能隙值與價電帶偏移量即可推算出導電帶的偏移量，此法得出之價電帶偏移量值與Fowler-Nordheim電子穿遂分析得出之數值非常相近。實驗得知，價電帶與導電帶的偏移量在不同銦含量的鉮化銦樣品皆分別大於1.5與2.5 eV。