CV-Messungen an geätzten epitaktisch gewachsenen Schichten

Ähnliche Dokumente
Gliederung der Vorlesung Festkörperelektronik

Festkörperelektronik 2008 Übungsblatt 4

11. Elektronen im Festkörper

Halbleiterarten. Technische Universität Ilmenau Institut für Werkstofftechnik. Halbleiter. elektronische Halbleiter

Halbleiterheterostrukturen. Vortrag von Alexej Klushyn

Die kovalente Bindung

Realisation eines 2D-Elektronengases

Atom-, Molekül- und Festkörperphysik

Norbert Koch. Polymer gegen Silizium: Wer wird in der Elektronik gewinnen?

Die chemische Bindung

5 Anwendung der Dichtefunktionaltheorie

= e kt. 2. Halbleiter-Bauelemente. 2.1 Reine und dotierte Halbleiter 2.2 der pn-übergang 2.3 Die Diode 2.4 Schaltungen mit Dioden

Die Silizium - Solarzelle

Physik IV Einführung in die Atomistik und die Struktur der Materie

Anorganische Chemie III

UniversitätQ Osnabrück Fachbereich Physik Dr. W. Bodenberger

2.4 Metallische Bindung und Metallkristalle. Unterteilung in Metalle, Halbmetalle, Nicht metalle. Li Be B C N O F. Na Mg Al Si P S Cl

Lage des Ferminiveaus beim intrinsischen HL

Freie Elektronen bilden ein Elektronengas. Feste positive Aluminiumionen. Abb. 1.1: Metallbindung: Feste Atomrümpfe und freie Valenzelektronen

4. Elektronen in Kristallen

1. Systematik der Werkstoffe 10 Punkte

VERBINDUNGSHALBLEITER

Versuch 1.3 Hall-Effekt

Detektoren in der Kern- und Teilchenphysik Szintillationsdetektoren Ionisationsdetektoren Halbleiterdetektoren

4. Fehleranordnung und Diffusion

In den meisten optoelektronischen Bauelementen werden kristalline Festkörper verwendet, d.h. die Atome bilden ein streng periodisches Gitter.

Festkörperelektronik 2008 Übungsblatt 6

8. Halbleiter-Bauelemente

1 Leitfähigkeit in Festkörpern

Stromdichten in Halbleitermaterialien

Physikalisches Praktikum II Bachelor Physikalische Technik: Lasertechnik Prof. Dr. H.-Ch. Mertins, MSc. M. Gilbert

Festkörperelektronik 4. Übung

Leistungsbauelemente

Berechnung der Leitfähigkeit ( ) Anzahl der Ladungsträger im Leitungsband

Überblick. Präparation dünner Filme: Molekularstrahlepitaxie (MBE) Was ist Epitaxie? Molekularstrahlepitaxie (MBE)

VERSUCH 1 TEIL A: SPANNUNGSTEILUNG, SPANNUNGSEINSTELLUNG, GESETZE VON OHM UND KIRCHHOFF

Grundlagen-Vertiefung PW3. Kristalle und Kristallstrukturen Version von 15. Oktober 2013

2. Durch welche physikalischen Größen wird der Zustand eines Systems in der klassischen Mechanik definiert?

Welche Zustände sind denn eigentlich besetzt?

5 Elektronenübergänge im Festkörper

E 2 Temperaturabhängigkeit elektrischer Widerstände

Gleichstromkreis. 2.2 Messgeräte für Spannung, Stromstärke und Widerstand. Siehe Abschnitt 2.4 beim Versuch E 1 Kennlinien elektronischer Bauelemente

= g = 50u. n = 1 a 3 = = = 2.02Å. 2 a. k G = Die Dispersionsfunktion hat an der Brillouinzonengrenze ein Maximum; dort gilt also

Physik der Halbleiterbauelemente

Bandstrukturen von Halbleitern. Ansätze

Fortgeschrittenenpraktikum: Ausarbeitung - Versuch 14 Optische Absorption Durchgeführt am 13. Juni 2002

3 Halbleiter : pn-übergang, Solarzelle, Leuchtdiode. 3.1 Allgemeines F 3.1

Hall-Effekt und seine Anwendung zur Bestimmung elektrischer Eigenschaften

Spezifischer Widerstand fester Körper. Leiter Halbleiter Isolatoren. Kupferoxid

Atom-, Molekül- und Festkörperphysik

Leiter, Halbleiter, Isolatoren

Hier: Beschränkung auf die elektrische Eigenschaften

Werkstoffe der Elektrotechnik im Studiengang Elektrotechnik

Physikalische Chemie 1 Struktur und Materie Wintersemester 2015/16

CHARAKTERISIERUNG VON HALBLEITERN FÜR PHOTOVOLTAISCHE ANWENDUNGEN MIT HILFE DER BREWSTER-WINKEL-SPEKTROSKOPIE

Elektrische Leistung und Joulesche Wärme

6/2 Halbleiter Ganz wichtige Bauteile

0 Theorie Einleitung Mechanismen der Ladungsträgerleitung im Halbleiter... 1

7. Elektronendynamik

Eisenverunreinigungen in multikristallinem

Chemische Bindungen Atombindung

Halbleiter. Das Herz unserer multimedialen Welt. Bastian Inselmann - LK Physik

(a) Skizzieren und benennen Sie die Kristallstruktur von Silizium. [2P]

Auswertung. D07: Photoeffekt

Willkommen bei Elektronik 1. Ave, homo stultissimus

Thermische Admittanz Spektroskopie an multikristallinen Silizium Wafern und Solarzellen

Physikalische Chemie 1 Struktur und Materie Wintersemester 2016/17

Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen und Halbleitern

Halbleiterphysik. Von Reinhold Paul VEB VERLAG TECHNIK BERLIN

Anorganische Chemie III

Vorbereitung: Eigenschaften elektrischer Bauelemente

Untersuchung metallischer Kontakte auf porösen Siliziumstrukturen

Leistungsbauelemente

3 Grundlagen der Halbleitertechnik

Optische Übergänge in Festkörpern. Ausarbeitung zum Seminarvortrag vom von Yvonne Rehder

Morphologie der epitaktischen CuGaSe 2 -Schichten

Vorlesung Anorganische Chemie

n-typ negative Spannung positive Spannung p-typ Halbleiter in Sperrrichtung Festk0203_ /26/2003

Aufgabe Σ Punkte Max

Grundlagen der Halbleiterphysik

5. Photoelektrochemische Solarzellen Beispiel: n-halbleiter als Elektrode. Verbiegung des elektrischen Potentials im Halbleiter hin zur Oberfläche

1 Beschreibung von Photonen und Elektronen

Achim Kittel. Energie- und Halbleiterforschung Fakultät 5, Institut für Physik Büro: W1A Tel.:

Elektrische Leitung. Strom

Grundlagen zum Versuch Aufbau einer Messkette für den Nachweis kleinster Ladungsmengen

Wiederholung der letzten Vorlesungsstunde: Thema: Metallbindung / Salzstrukturen

14. November Silizium-Solarzelle. Gruppe 36. Simon Honc Christian Hütter

Kristallstruktur 1 Tetraederwinkel Die Millerschen Indizes Die hcp-struktur Bravais-Gitter 3

Piezospektroskopie an Fremdatom-Komplexen in den Halbleitern Si und GaAs

HÖHERE PHYSIK SKRIPTUM VORLESUNGBLATT XII

Elektrische Eigenschaften von Festkörpern

Tabelle: Kristalle - Übesicht und Klassifikation

Grundlagen der Chemie Metalle

Intrinsische Halbleiter

F02. Bandabstand von Germanium

Inhaltsverzeichnis. Vorwort. Wie man dieses Buch liest. Periodensystem der Elemente

11. Elektronen im Festkörper

5. Halbleiter und P-N-Übergang

Transkript:

Technik Björn Hoffmann CV-Messungen an geätzten epitaktisch gewachsenen Schichten Diplomarbeit

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 4 2 Der Ga-As-Kristall 6 2.1 Kristallstruktur.......................... 6 2.2 Bandstrukturen.......................... 7 3 Ladungsträgertransport 14 3.1 Theorie des Stromusses..................... 14 3.2 Mechanismen des Stromtransportes............... 17 3.2.1 Thermischer Emissionsstrom............... 18 3.2.2 Quantenmechanischer Tunnelstrom........... 19 3.2.3 Rekombinationsstrom................... 20 4 Kristalldefekte 21 4.1 Einteilung der Kristalldefekte.................. 21 4.1.1 Atomare Fehlstellen.................... 22 4.1.2 Versetzungen....................... 23 4.1.3 Grenzächen....................... 23 4.1.4 Ausscheidungen und Einschlüsse............. 25 4.2 Auswirkungen der Kristalldefekte................ 25 5 Metall-Halbleiter-Kontakt 28 5.1 Idealer Metall-Halbleiter-Kontakt................ 28 1

2 INHALTSVERZEICHNIS 5.2 Realer Metall-Halbleiter-Kontakt................ 30 5.3 Kapazität des Metall-Halbleiter-Kontaktes........... 32 5.3.1 Kontakt mit homogener Dotierung........... 34 5.3.2 Störstellen gleichen Dotiertyps.............. 35 5.3.3 Störstellen unterschiedlichen Dotiertyps......... 37 5.3.4 Kontakt mit Isolierschicht................ 38 6 Molekularstrahlepitaxie 40 7 Ätzschäden 43 7.1 Chemische Veränderungen.................... 43 7.2 Physikalische Veränderungen................... 44 8 Ätztechniken 46 8.1 Naÿchemisches Ätzen....................... 46 8.1.1 Naÿchemisches Ätzen von GaAs............ 47 8.2 Ionenstrahlätzen......................... 48 8.3 CGE................................ 50 8.4 CAIBE............................... 51 9 Probenpräparation 54 9.1 Spalten der Wafer......................... 54 9.2 Naÿchemisches Reinigen der Proben............... 55 9.3 Photolithographie......................... 55 9.4 Aufdampfen der Metallschicht.................. 55 9.5 Rückkontaktieren der Probe................... 56 10 Meÿaufbau 57 10.1 Meÿprinzip............................ 57 10.2 Meÿaufbau............................. 58 11 Meÿfehler 60

INHALTSVERZEICHNIS 3 12 Auswertung und Ergebnisse 65 12.1 Auswirkung des naÿchemischen Abtrags............ 65 12.2 Tiefe Störstellen.......................... 67 12.3 Tiefe der Schädigung....................... 68 12.4 Auswirkung der Ionenenergie................... 69 12.5 Temperatureinuÿ........................ 71 12.6 Vergleich weiterer Ätztechniken................. 74 13 Zusammenfassung 77 A Probenliste 79 B Danksagung 82 C Erklärung 84

Kapitel 1 Einleitung In der heutigen Zeit werden in immer mehr Geräten Halbleiterbauelemente eingesetzt. Unter der Zielsetzung, möglichst viele Strukturen auf einer Fläche unterzubringen, haben sich Ätztechniken zu einem der wichtigsten Werkzeuge bei der Herstellung von Halbleiter-Mikrostrukturen entwickelt. Jede Weiterentwicklung der Ätztechnik erlaubt die genauere Kontrolle der Ätzrate, der Selektivität, der Flankensteilheit, der immer besseren Reproduzierbarkeit des Ätzvorganges und dergleichen mehr. Jede Ätztechnik schädigt aber auch den zu ätzenden Halbleiterkristall. So ist die Auswahl einer Ätztechnik ein Abwägen der Vorteile und Nachteile. Dabei zeigt sich, daÿ trotz der mehr als fünfzigjährigen Forschung über Halbleiter bzw. Halbleiterbauelemente auch heute noch neue Erkentnisse in diesem Bereich gewonnen werden. Ebenso müssen die vorhandenen physikalischen Modelle für die neuen Anforderungen und Techniken angepaÿt oder erweitert werden. Mit der zunehmenden Nutzung der in den siebziger Jahren entwickelten epitaktischen Herstellungsverfahren für Halbleiter, wie der Molekularstrahlepitaxie (MBE) und der Metall-Organischen Gasphasenepitaxie (MOCVD), ist es heute möglich, Halbleiter-Heterostrukturen aus dem Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Materialsystem herzustellen. Solche Strukturen nden heute ihren Nutzen in der Herstellung von schnellen Bauteilen, wie sie in der Nachrichten- und Optoelektronik verwendet werden. Diese Diplomarbeit im Rahmen eines BMBF-Projektes 1 am Mikrostruktur- 1 Chemisch unterstütztes in-situ Ionenstrahlätzen und MBE-Überwachsen zur Realisierung von GaAs/AlGaAs Quantendrähten, Quantenpunkten und Quantenringen, gefördert durch den BMBF-Förderschwerpunkt Quantenstrukturen. 4

5 zentrum der Universität Hamburg untersucht die durch einen CAIBE-Prozeÿ verursachte Schädigung eines GaAs-Halbleiters. Ziel ist es die Art und Tiefe der Schäden in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern des CAIBE- Prozesses zu untersuchen. Die Ätzung ndet in-situ in einer an die MBE-Anlage des Mikrostrukturzentrums Hamburg angeschlossenen Prozeÿkammer statt. Die Dotierung des Halbleiters in Abhängigkeit von der Tiefe wird durch die CV-Meÿmethode ermittelt. Der Kontakt auf der Halbleiteroberäche erfolgt dabei durch einen Metall-Halbleiter-Kontakt, der zu einer Bandverbiegung an der Oberäche des Halbleiters führt. Bei der CV-Messung wird der Strom zur Wiederherstellung des thermodynamischen Gleichgewichtes innerhalb des Systems gemessen, nachdem das System kontrolliert aus dem Gleichgewicht gebracht worden ist. Unter Berücksichtigung der Bandverbiegung kann aus diesem Strom die Ladungs- und Störstellenkonzentration in Abhängigkeit von der Tiefe berechnet werden. Der Aufbau des dazu notwendigen Meÿplatzes ist Teil der Diplomarbeit. Es werden verschiedene Parameter des CAIBE-Prozesses variiert, um ein mögliches Optimum der geringsten Schädigung zu nden. Die Grundlage dieser Diplomarbeit bildet die Darstellung der Eigenschaften des Halbleiters GaAs im Kapitel 2. Die Beschreibung des zugrundeliegenden Ladungsträgertransportes im Halbleiter ndet sich in Kapitel 3. Mögliche Störstellen innerhalb des Halbleiters, die zu einer Veränderung des Stromusses führen können, werden im Kapitel 4 beschrieben. In Kapitel 5 wird der zur Messung notwendige Metall-Halbleiter-Kontakt in seiner idealen und realen Form dargestellt. Mit diesen Grundlagen wird die Kapazität des Metall-Halbleiter-Kontaktes berechnet werden. Die folgenden Abschnitte befassen sich mit der Herstellung der Proben. Kapitel 6 behandelt die zum Probenwachstum notwendige MBE-Technik und Kapitel 9 die Schritte, die zum Aufbringen eines Metall-Halbleiter-Kontaktes notwendig sind. Die Kapitel 7 und 8 schildern die verwendeten Ätztechniken und ihre allgemeine Auswirkung auf den Halbleiterkristall. Der verwendete Meÿaufbau wird in Kapitel 10 ebenso wie begrenzende Faktoren dargestellt. Die Auswertung ndet sich im Kapitel 12. Die Zusammenfassung der Ergebnisse ist der Inhalt von Kapitel 13.

Kapitel 2 Der GaAs-Kristall In diesem Kapitel wird das Grundwissen über das verwendete Halbleitermaterial GaAs dargestellt. Es liefert die Grundlagen für die in den folgenden Kapiteln beschriebenen Präparationen und Messungen. 2.1 Kristallstruktur Galliumarsenid (GaAs) gehört in die Gruppe der III-V-Verbindungshalbleiter. Abbildung 2.1: Zinkblende-Kristallstruktur Diese Halbleiter kristallisieren in der in Abbildung 2.1 dargestellten Zinkblendestruktur, bei der zwei kubisch ächenzentrierte Gitter (fcc-gitter) entlang 6

2.2. BANDSTRUKTUREN 7 der Raumdiagonalen um (1/4, 1/4, 1/4) der Gitterkonstanten a 1 gegeneinander verschoben sind. Die Gitterpunkte des einen fcc-gitters werden von Ga-Atomen, die des anderen von As-Atomen eingenommen. Sind beide Teilgitter mit nur einer Art von Atomen besetzt, so spricht man vom Diamantgitter. In ihm kristallisiert der Gruppe-IV-Halbleiter Silizium. In beiden Gittern ist die vorhandene Bindung kovalent mit schwach ionischem Anteil [1]. Sie entsteht durch die Anregung eines Elektrons aus einem 2s- in ein 2p-Orbital, so daÿ jedem Atom je zwei s- und zwei p-elektronen zur Verfügung stehen. Diese Elektronen hybridisieren zu einer tetraedischen sp 3 - Konguration. Die groÿe Übereinstimmung zwischen dem GaAs- und dem Si-Kristallaufbau wird bei der Dotierung von GaAs genutzt. 2.2 Bandstrukturen Die Wechselwirkung der Komponenten eines kristallinen Festkörpers führt zur Bildung von eng zusammenliegenden Energieniveaus, die als Energiebänder bezeichnet werden. Die wesentlichen Bänder sind das Valenz- und das Leitungsband. Bei T =0KistdasValenzband vollständig mit Elektronen bis zur Energie E V gefüllt. Getrennt durch die Bandlücke der Breite E g, deren Art und Gröÿe die Eigenschaften des Halbleiters bestimmt, bendet sich, ab der Energie E L, das leere Leitungsband. Die Bandlücke hat ihre Ursache in der Tatsache, daÿ die Schrödingergleichung in diesem Bereich keine Lösung in Form einer ebenen Welle hat. Die Elektronen können diese Energiewerte nicht annehmen. Die Breite von E g ist temperaturabhängig und wird empirisch durch E g T =E g 0K, T 2 T + (2.1) beschrieben,,4 ev mit E g 0 K =1 519 ev =5 405 10 und =204K [2]. K Zur einfacheren mathematischen Handhabung der Elektronenfehlstellen im Valenzband wird der Löcherformalismus verwendet. Die Elektronenbewe- 1 a GaAs = 0,565 nm bei Zimmertemperatur