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)

Người ta phát hiện Ge có sự phát quang trong chuyển mức trực tiếp rất nhanh, hơn khoảng 4-5 lần so với chuyển mức gián tiếp vì vậy nếu chúng ta có thể tăng được mật độ điện tử trong vùng

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

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 được bảo vệ tại 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 tại thư viện trường Đại Học Hồng Đức và Bộ môn

MỞ ĐẦU

Trong vài thập kỷ qua, sự phát triển của mạch tích hợp ICs (còn được biết đến như vi xử lý hay vi mạch) được coi như là một cuộc cách mạng trong công nghệ điện tử Theo như định luật Moore, số lượng các thành phần được tích hợp trong vi mạch chủ đạo là các Transitor Sillic được tăng lên gấp đôi sau mỗi 18 tháng Điều đó có nghĩa các IC sẽ ngày càng nhỏ hơn, nhanh hơn và rẻ hơn, dẫn đến các công nghệ bán dẫn trên nền Si như CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) thực sự là nền tảng phát triển cho CPU trong công nghệ máy tính hiện thời

Trong khi Silic không thể tích lũy các điện tử tại điểm cực tiểu của thung lũng Γ cho việc kích thích phát xạ khi mà khoảng cách giữa vùng chuyển mức nghiêng và chuyển mức thẳng là rất lớn cỡ 2eV Vì thế với chỉ 0,14 eV so với mức năng lượng thấp nhất của thung lũng Γ, Ge đang là nguyên tố được quan tâm nhiều nhất cho việc phát triển công nghệ quang dẫn dựa trên nền tảng CMOS

Theo các nghiên cứu mới nhất chỉ với ~1.9% ứng suất căng,

độ rộng vùng cấm của Ge sẽ giảm xuống ~0.5eV tương ứng với việc

sẽ có thể phát xạ với bước sóng khoảng 2500nm Tuy nhiên để vươn tới gần hơn bước sóng truyền thông khoảng 1500nm, thì việc pha tạp điện tử theo một giá trị ứng suất nào đó có thể san bằng sự chênh lệch năng lượng giữa chuyển mức nghiêng và chuyển mức thẳng Với một mức pha tạp lớn điện tử, hướng nghiến cứu này mong muốn sự các điện tử từ n-type sẽ chiếm ngữ tại các vùng cực tiểu của thung lũng L, sự bơm điện tử sẽ dẫn đến khả năng cao các

điện tử có thể xuất hiện tại thung lũng Γ tạo tiền đề cho việc phát quang Tuy vậy việc chọn lựa vật liệu pha tạp cũng là một vấn đề thách thức lớn với các nhà khoa học vật liệu Nhận thức được tầm quan trọng trên chúng tôi lựa chọn hướng nghiên cứu của luận văn này là nâng cao tính chất phát quang của màng Ge trên đế Si bằng việc pha tạp từ một số vật liệu nhóm V đặc biệt là việc sử dụng phân tử P2 từ nguồn rắn GaP

Chương I TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc vùng năng lượng của Ge

Trong nhóm bán dẫn chuyển mức nghiêng nhóm IV (Si và SiC),

Ge nổi lên với các tính chất quang và truyền dẫn Người ta phát hiện

Ge có sự phát quang trong chuyển mức trực tiếp rất nhanh, hơn khoảng 4-5 lần so với chuyển mức gián tiếp vì vậy nếu chúng ta có thể tăng được mật độ điện tử trong vùng chuyển mức trực tiếp thì

Ge hoàn toàn có thể được dùng để chế tạo các diode phát quang Theo bảng 1.1 ta có thể thấy sự linh động điện tử của Ge là cao nhất trong nhóm, gấp khoảng 2,7 lần so với Si Vì thế Ge là một sự lựa chọn tốt cho việc chế tạo các Transitor CMOS

Ảnh hưởng của ứng suất căng lên cấu trúc vùng năng lượng của Ge

Theo lý thuyết, Ge có thể trở thành vật liệu chuyển mức thẳng chỉ với xấp xỉ 1.8-1.9% ứng suất căng Với những tính chất quang rắn của mình, Ge được coi như một chất giả chuyển mức trực tiếp bởi sự chênh lệch mức năng lượng giữa mức chuển mức trực tiếp và gián tiếp là rất nhỏ cỡ 0.140 eV hay 5KBT tại nhiệt độ phòng (KB là

hằng số Bolzmann) Trong thực tế việc nâng ứng suất căng đều giảm độ rộng của vùng chuyển tiếp trực tiếp và gián tiếp nhưng vùng trực tiếp bị thu hẹp nhanh hơn Vì vậy việc biến Ge trở thành chất bán dẫn chuyển mức trực tiếp là hoàn toàn khả thi Thêm vào

đó việc nâng ứng suất căng cũng đồng thời thu hẹp khoảng cách giữa heavy-hole và light-hole trong dải hóa trị Một lượng nhỏ khối lượng của dải light hole sẽ giảm mật độ trong dải hóa trị, điều đó đồng nghĩa làm tăng ngưỡng cho việc tạo phát quang và laser

1.3 Pha tạp điện tử và những tác động của nó lên tính chất quang của màng Ge

Pha tạp điện tử vào màng Ge là một yếu tố rất cần thiết để đạt được sự hiệu quả phát quang từ việc chuyển mức thẳng Tuy nhiên, pha tạp điện tử với mật độ lớn vào Ge là một thách thức bởi vì tính tan chậm và khuếch tán nhanh của chất pha tạp Có 3 nguyên tố: Photpho, Asen và Angtimoan, có thể được dùng để pha tạp trong nhóm IV

Chúng tôi bắt đầu thực hiện quá trình pha tạp bằng cách thử cho phopho P4 pha tạp trên màng Ge Tuy nhiên, phân tử photspho trắng P4 không bền vững và dễ bay hơi Vì vậy chúng tôi sử dụng một phương pháp pha tạp đặc biệt khác dựa trên sự phân tách của hợp chất GaP để tạp ra di- photpho(P2) có hệ số kết dính lớn hơn 10 lần so với phopho trắng P4

Chương 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo màng mỏng Germani trên đế Silic bằng kỹ thuật Epitaxy chùm phân tử MBE (Molecular Beam Epitaxy)

2.1.1 Nguyên lý cơ bản của MBE

Epitaxy chùm phân tử là thuật ngữ chỉ một kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách sử dụng các chùm phân tử lắng đọng trên

đế đơn tinh thể trong chân không siêu cao (áp suất thấp hơn 10-9

Torr), để thu được các màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc của lớp đế

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống MBE

Trong kỹ thuật tăng trưởng MBE hoặc tăng trưởng CVD, sự hiện diện của các chất ô nhiễm trên bề mặt của đế Si có thể tác động các chế độ tăng trưởng của chất lắng đọng Ge Sự ô nhiễm này ảnh hưởng trực tiếp đến bề mặt màng và gây ra các khuyết tật trong lớp tăng trưởng Oxy và Carbon là hai chất gây ô nhiễm chính mà cần

phải được loại bỏ để có được một bề mặt Si sạch ở mức cần thiết Các chất khác như các tạp chất hữu cơ có thể được gỡ bỏ một cách hiệu quả từ bề mặt Si bởi một hóa chất làm sạch ướt dựa trên giải pháp làm sạch Peroxide của RCA (Radio Corporation of America)

2.2 Khảo sát quá trình tăng trưởng màng Ge bằng máy đo phản nhiễu xạ điện tử năng lượng cao RHEED (Reflection High- Energy Electrons Diffraction)

Nhiễu xạ điện tử là hiện tượng sóng điện tử nhiễu xạ trên các mạng tinh thể chất rắn, thường được dùng để nghiên cứu cấu trúc chất rắn bằng cách dùng một chùm điện tử có động năng cao chiếu qua mạng tinh thể chất rắn, từ đó phân tích các vân giao thoa để xác định cấu trúc vật rắn

RHEED thường dùng để quan sát động học tinh thể trong các thiết bị như MBE hay các thiết bị chế tạo tạo màng khác

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo của phản nhiễu xạ điện tử năng lượng

cao RHEED

RHEED rất nhạy với các hình thái bề mặt hoặc thô ráp, nó có thể phát hiện chính xác sự thay đổi của chế độ tăng trưởng (ví dụ,

2D sang chế độ tăng trưởng 3D)

2.3 Kiểm tra cấu trúc màng Ge bằng kính hiển vi điện tử TEM (Transmission Electron Microscopy)

Trong thí nghiệm, TEM được là một công cụ tuyệt vời trong việc nghiên cứu cấu trúc nguyên tử và các đặc tính mạng của Ge/Si

Để đo sự lệch luồng và sai hỏng vị trí trong mạng của màng đệm Ge cũng như đo độ nhám cũng như chất lượng tinh thể của màng Ge

Độ phân giải của TEM cao hơn rất nhiều so với kính hiển vi quang học thông thường bởi bước sóng De Broglie là rất nhỏ Nó cho phép ta có thể kiểm tra các mẫu một cách rất chi tiết, cỡ đơn nguyên tử Trong thí nghiệm hiện tại, chúng tôi sử dụng kính hiển vi JEOL 3010-FX với hiệu điện thế gia tốc lên đến 300kV

Hình 2.3 Hệ đo TEM- JEOL 3010-FX trong phòng thí nghiệm

2.4 Đo sự thay đổi hằng số mạng của Ge bằng máy chụp nhiễu

xạ XRD (X-ray Diffraction)

Nhiễu xạ X-ray là một trong những kỹ thuật rất hữu hiệu trong việc phân tích màng epitaxy, như hằng số mạng, chiều dày màng, ứng suất căng và tạp chất lẫn vào Một trong những ưu việt chính của XRD là chúng ta có thế phân tích được các thành phần vật liệu

mà ko cần phá hủy hay phải chuẩn bị mẫu

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của máy XRD

Trong các thí nghiệm hiện tại, chúng tôi chủ yếu sử dụng XRD để đo sự nhiễu xạ từ cấu trúc mạng (004) nhằm xác định hằng

số mạng của màng

2.5 Phân tích thành phần vật liệu và nồng độ pha tạp bằng thiết

bị đo phổ khối SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry)

SIMS là một kỹ thuật được sử dụng để phân tích thành phần vật liệu với độ chính xác cao SIMS sử dụng bức xạ ion để bắn phá mẫu Các ion thứ cấp sinh ra trong quá trình phún xạ được trích ra và phân tích bằng phổ khối Nồng độ của các ion thứ cấp có thể dao động từ mức ma trận xuống tới 1 ppm Như vậy, SIMS được sử

dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật liệu bán dẫn để xác định các thành phần vật chất, nồng độ các chất pha tạp hay tạp chất Trong nghiên cứu của chúng tôi, các dữ liệu SIMS đã được thu thập lại từ một hệ thống SIMS Cameca SC-Ultra có sẵn các nền tảng đặc trưng CIM PACA

2.6 Đo điện trở suất của mẫu bằng đầu dò bốn điểm

Đầu dò bốn điểm là một bộ công cụ đơn giản cho phép đo điện trở suất của một mẫu bán dẫn Bằng cách tạo ra một dòng điện giữa hai đầu dò bên ngoài và đo điện áp qua các đầu dò bên trong, ta có thể suy ra điện trở suất của mẫu Trong luận văn này, các đầu dò bốn điểm được sử dụng để đo điện trở suất của màng Ge sau khi phạ tạp với mục đích đánh giá sự linh động của chất pha tạp trong mẫu

Hình 2.5 (a) Hình ảnh của máy đo điện trở 4 điểm trong phòng thí

nghiệm

(b) Sơ đồ nguyên lý của máy đo điện trở 4 điểm

2.7 Đo phổ huỳnh quang của màng Ge bằng máy đo quang phát quang PL (Photoluminescence spectroscopy)

Phát quang (Luminescence) là thuật ngữ dùng để mô tả sự phát xạ của bức xạ từ một chất rắn khi nó được cung cấp năng lượng Các loại phát quang khác nhau được phân biệt dựa vào phương pháp kích thích để tạo ra các cặp electron-lỗ trống Một trong những ưu điểm của quang phổ PL là nó không cần tiếp tiếp xúc với mẫu và cũng như không cần phá hủy cấu trúc mẫu để thăm

dò các tính chất quang học của vật liệu Hơn nữa, PL là một phương pháp có độ nhạy cao để thăm dò các tính chất điện tử của vật liệu

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đo quang phát PL

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Sự thay đổi của ứng suất căng trên màng Ge

3.1.1 Tăng trưởng màng Germanium bằng MBE dựa trên kỹ thuật tăng trưởng 2 bước

Quá trình tăng trưởng màng Ge lên đế Silic tuân theo qui luật

SK (Stranski-Kratanov): Một màng 2 chiều gọi là lớp làm ướt được tạo nên với độ dày một vài lớp phân tử, sau đó các “hòn đảo” 3 chiều được hình thành để giảm bớt sức căng của mạng tinh thể

Để ngăn chặn được hiện tượng này, phương pháp tăng trưởng hai bước được đề xuất bao gồm việc tăng trưởng màng Ge ở nhiệt

độ thấp để tạo ra một màng đệm rất mịn sau đó mới tăng trưởng ở nhiệt độ cao để tạo ra một màng dày với cấu trúc tinh thể chất lượng Với việc sử dụng kỹ thuật RHEED chúng tôi có thể kiểm soát được quá trình tiến triển hình thái học và cấu trúc của màng theo thời gian thực và nhận được kết quả là tồn tại một khoảng nhiệt

độ khá hẹp từ 240- 300o C chế độ tăng trưởng SK có thể bị ngặn chặn hoàn toàn Các đảo 3D đã không xuất hiện từ những lớp đầu tiên đến khi màng có độ dày vài trăm nm

Hình 3.1 Ảnh bề mặt mẫu từ RHEED với góc chụp [100] hình (a)

và [110] hình (b) cho thấy không xuất hiện các đảo 3D

3.1.2 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ tăng trưởng và quá trình xử lý nhiệt lên ứng suất căng của màng Ge

Sau bước tăng trưởng với nhiệt độ thấp, chúng tôi làm thí nghiệm bước hai với việc tăng trưởng Ge ở những nhiệt độ cao hơn

và tập trung nghiên cứu sự ảnh hưởng của quá trình này lên ứng suất căng của màng Ge Tất cả các mẫu đều được chế tạo với độ dày xấp xỉ 300nm trong đó: 50nm đệm đầu tiên tăng trưởng với nhiệt

độ là 300 oC, 250nm còn lại chúng tôi thử nghiệm với nhiều mức nhiệt độ: 400, 500, 600, 650, 700, 750, và 770oC Ứng suất căng của

Ge sẽ xuất hiện bởi sự chênh lệch trong giãn nở nhiệt của Ge và Si, nên chúng tôi hi vọng tìm ra được vùng nhiệt độ thích hợp để tạo ra được mức ứng suất căng cao nhất

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn ứng suất căng ε// tại các nhiệt độ đế khác

nhau

Bằng việc sử dụng máy chụp nhiễu xạ X-ray phân giải cao(XRD), chúng tôi có thể ước lượng được ứng suất căng của Ge thông qua góc lệch 2θ dựa vào công thức:

ε// = (θ- θo)/ θo.100% = Δθ/θo.100%

Giá trị ứng suất căng ε// lớn nhất mà chúng tôi thu được là 0,24% trong khoảng nhiệt độ tăng trưởng từ 700-770oC Đây là một kết quả tốt khi mà các giá trị ứng suất căng cao nhất dựa vào phương pháp CVD cũng chỉ nằm trong khoảng 0,22-0,25%

Thường để giảm bớt các sai lệch mạng trong quá trình tạo màng

ở nhiệt độ cao, kỹ thuật nung ủng mẫu sau khi tăng trưởng được sự được quan tâm rất lớn từ các nhà nghiên cứu Chúng tôi có sự so sánh giữa 2 phương pháp xử lý nhiệt như sau: Nung mẫu tại 900 o

C

với các khoảng thời gian khác nhau và nung mẫu với chu trình từ

780 đến 900 o

C với khoảng thời gian là 10 phút ứng với mỗi nhiệt

độ

Chúng tôi thống kê những giá trị ứng suất căng trên màng Ge

mà chúng tôi thu được qua hai phương pháp nung ủ: nung ở nhiệt

độ 900 o

C với thời gian dài và nung theo chu kỳ với hai mức nhiệt

độ là 780 và 900oC Mẫu được chọn là màng Ge tăng trưởng ở nhiệt

độ nền là 600oC tương đương với ứng suất ban đầu là 0.16% Nhìn vào bảng 3.2 ta có thể thấy rằng ứng suất căng lớn nhất đạt được khi nung ở nhiệt độ cố định 900oC là 0,2 ứng với thời gian nung là 10 phút, trong khi nung theo chu kỳ thì ứng suất căng lớn nhất đạt được

là 0,3% ứng với thời gian mỗi chu kỳ là 3 phút

3.2 Khảo sát tính chất quang của màng Ge/Si (001) sau khi được pha tạp Photpho

3.2.1 Hiệu quả của việc pha tạp Photpho lên màng Ge từ nguồn GaP

Như chúng ta đã biết ở những chương trước, vùng năng lượng của Ge có thể trở thành chuyển mức thẳng chỉ với 1,9% ứng suất căng Tuy nhiên, chưa có một báo cáo nào cho kết quả là đã vươn tới được ứng suất này Thêm vào đó nếu với 1,9% ứng suất căng, dải năng lượng của Ge giảm xuống khoảng ~0,5eV và tương đương với bước sóng ánh sáng phát ra khoảng 2500 nm, đây là bước sóng cách xa với bước sóng vô tuyến (1500nm) Vì vậy cần phải có sự kết hợp giữa việc pha tạp điện tử với ứng suất căng để có thể đạt được bước sóng phát ra cần thiết

Sự pha tạp đạt ở mức cao nếu mật độ kích hoạt của điện tử nằm trong khoảng 1019

– 1020 cm-3 Trong phần này chúng tôi sẽ tập trung vào việc trình bày giải pháp pha tạp điện tử vào màng Ge từ nguồn GaP rắn và trình bày các kết quả của sự pha tạp này

Để xác định được sự hiệu quả của việc pha tạp P từ nguồn GaP, chúng tôi tạo ra một màng có cấu tạo gồm 3 lớp Ge với các mức pha tạp Photpho khác nhau, và được phân tách nhau bởi một màng thuần Ge có chiều dày là 80nm

Tại các lớp Ge được pha tạp Photpho chúng tôi cài đặt nhiệt

độ tại nguồn GaP lần lượt là 600,700 và 800°C Nhiệt độ đế được chọn là 300°C, 3 giá trị mật độ của P thu được là 3x1017

, 6x1018 và 4x1020 cm-3

Vì vậy theo kết quả của máy SIMS ta có thể thấy rằng nhiệt độ tại GaP là 800°C sẽ là hiệu quả nhất

Hình 3.3 Biểu diễn nồng độ của Phosphot (đường màu xanh biển)

và Ge (đường màu đỏ)