臺灣博碩士論文加值系統

本研究利用有機金屬化學氣相沉積系統在藍寶石基板上成長氧化鎵(Ga2O3)薄膜，並將薄膜應用於金氧半場效電晶體上，藉由二乙基鋅(Diethyl zinc, DEZn)流量與薄膜厚度的調變，探討不同流量與薄膜厚度對薄膜組成、結晶特性、表面形貌及元件特性之影響。
流量的調變部分，本實驗嘗試了五種DEZn的流量，分別為10、30、40、50、60 sccm。研究結果發現，隨著DEZn流量的增加，其X光繞射峰逐漸由氧化鎵之晶相轉變為氧化鎵鋅(ZnGa2O4)，搭配霍爾量測之電阻率從107下降至5730 Ω-cm，得知在流量為10 sccm時以形成鋅摻雜的氧化鎵為主，當流量提升至30 sccm時則轉變為氧化鎵鋅。晶粒大小則隨著流量增加而變大，使晶粒排列更為緊密，表面粗糙度因此而下降。將薄膜應用於場效電晶體時，為n-type空乏型元件，其順偏飽和電流及轉導值隨流量增加而提升，在DEZn為60 sccm時，順偏飽和電流及轉導值可達1.87 mA/mm與1.04×10-1 mS/mm，電流開關比可達1.73×107，但在流量為50 sccm時，具有最佳的臨限電壓-5.26 V，因此選用此參數作為薄膜厚度調變之DEZn流量參數。
薄膜厚度調變方面，探討90、120、150 nm三種厚度對元件品質之影響。隨著厚度的增加，其X光繞射峰強度也隨之上升，並伴隨著半高寬的降低，兩種現象都顯示厚度增加可提升薄膜結晶特性。元件之順偏飽和電流及轉導值也會隨著厚度提升，在150 nm時可達0.508 mA/mm與0.0524 mS/mm，但也同時影響到使元件關閉所需空乏的薄膜厚度，因此臨界電壓隨之增加。透過界面陷阱密度的計算，發現密度隨著厚度增加而降低，因此電流開關比從6.07×106上升至7.65×106。崩潰電壓則隨薄膜厚度增加而提升，在150 nm時可達612 V，顯示除了介電層品質及厚度外，磊晶層厚度也是決定元件崩潰電壓的因素之一。

In this study, the Zn-incorporated β-Ga2O3 films have been grown on c-plane sapphire substrates through the metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). The metal-oxide semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) made of ZGO were studied. The crystallization and surface morphology of ZGO were investigated by X-ray diffraction and scanning electron microscopy at various diethyl zinc (DEZn) flow rate from 10 to 60 sccm in the growth process.
Based on the experiment results, the X-ray diffraction peak shifts to the lower angle with increasing DEZn flow rate, which indicated that the film transferred from β-Ga2O3 into ZnGa2O4. Moreover, the electrical resistivity decreased from 107 to 5730 Ω-cm with the DEZn flow rate increasing. The grain size becomes larger as the flow rate increasing, which result in decreasing the films roughness. The Zn-incorporated β-Ga2O3 MOSFET exhibited improved characteristics, such as complete channel pinch-off, IDS(sat) of 1.87 mA/mm, the gm of 1.04×10-1 mS/mm, and current on/off ratio(Ion/Ioff) of 1.73×107 at the DEZn flow rate of 60 sccm.
The thickness of ZnGa2O4 films on the MOSFET devices performance was also evaluated. There are 90, 120, 150 nm thickness which were grown by DEZn flow rate at 50 sccm. It was found that increasing the films thickness caused a strong intensity of an X-ray diffraction peak, and the full width at half-maximum becomes narrow. At the film with 150 nm, the ZnGa2O4 MOSFETs exhibited drain current (IDS) of 0.508 mA/mm transconductance (gm) of 0.0524 mS/mm and Ion/Ioff ratio about 7.65×106 were obtained. This is attributed to the decreased in the interface trap density with films thickness increasing.

目錄
摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.3 論文架構 3
第二章 基本理論 5
2.1材料特性 5
2.2.1氧化鎵材料性質及應用 5
2.2.2氧化鎵鋅材料性質及應用 7
2.2 金氧半電容物理特性 9
2.3 氧化層缺陷電荷 13
2.4 金氧半場效電晶體元件基本理論 18
2.4.1 元件基本特性 19
2.4.2 臨界電壓(Threshold voltage, Vth) 20
2.4.3 場效移動率(Field-effect mobility, μFE) 21
2.4.4 電流開關比(Current on/off ratio) 22
2.4.5 次臨界擺幅(Subthreshold swing, S.S.) 23
第三章 實驗方法 25
3.1 薄膜製備 25
3.1.1 樣品清洗 25
3.1.2 薄膜成長 25
3.2 ZnGa2O4 MOSFET元件製作 26
3.2.1 試片清潔 26
3.2.2 定義元件範圍 26
3.2.3 源極與汲極之金屬沉積 27
3.2.4 氧化層沉積 27
3.2.5 電極上氧化層之移除 28
3.2.6 閘極金屬沉積 28
3.3 量測儀器原理及設備 32
3.3.1原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM) 32
3.3.2掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM ) 33
3.3.3 X光繞射量測系統(X-Ray Diffraction, XRD) 33
3.3.4霍爾效應分析儀(Hall Effect Analyzer) 34
第四章 結果與討論 37
4.1 Zn摻雜濃度對氧化鎵磊晶薄膜及其電晶體特性之影響 37
4.1.1 簡介 37
4.1.2 不同Zn摻雜濃度對磊晶薄膜結晶特性之影響 37
4.1.3 不同Zn摻雜濃度對磊晶薄膜元素組成及電性之影響 41
4.1.4 不同Zn摻雜濃度對磊晶薄膜表面形貌之影響 43
4.1.5 不同Zn摻雜濃度對金氧半場效電晶體特性之影響 46
4.2 不同薄膜厚度對薄膜及其電晶體特性之影響 63
4.2.1 簡介 63
4.2.2 不同ZnGa2O4薄膜厚度對薄膜表面形貌之影響 63
4.2.2 不同ZnGa2O4薄膜厚度對薄膜電性之影響 65
4.2.3不同ZnGa2O4薄膜厚度對薄膜結晶特性之影響 67
4.2.4 不同ZnGa2O4厚度對金氧半場效電晶體特性之影響 68
第五章 結論與未來展望 84
5.1 結論 84
5.2 未來展望 85
參考文獻 86

表目錄
表1-1 傳統化合物之元素型/化合物半導體與寬能隙半導體之材料特性比較 1
表4-1 不同DEZn流量之晶粒尺寸表 40
表4-2 不同DEZn流量薄膜之霍爾量測 42
表4-3 不同DEZn流量之界面陷阱密度與元件特性表 57
表4-4 不同DEZn流量元件之特性總表 62
表4-5 不同ZnGa2O4厚度之霍爾量測結果 66
表4-6 不同ZnGa2O4厚度之半高寬與晶粒尺寸 68
表4-7 不同ZnGa2O4厚度之界面陷阱密度與元件特性表 79
表4-8 不同ZnGa2O4厚度元件之特性總表 83

圖目錄
圖2-1 各種晶相之Ga2O3轉換圖 6
圖2-2 β- Ga2O3之單斜晶(monoclinic)結構 6
圖2-3 尖晶石結構 7
圖2-4 氧化鎵鋅結構中各原子之排列情形 8
圖2-5 氧化鎵鋅結構中各原子之排列情形 8
圖2-6 基本MOS電容結構圖 11
圖2-7 理想MOS之結構平衡能帶圖 11
圖2-8 聚積時之理想MOS二極體的(a)能帶圖及(b)電荷分布圖 12
圖2-9 空乏時之理想MOS二極體的(a)能帶圖及(b)電荷分布圖 12
圖2-10 反轉時之理想MOS二極體的(a)能帶圖及(b)電荷分布圖 12
圖2-11 氧化層中缺陷型態的分布位置 16
圖2-12 固定氧化層電荷存在時，對C-V曲線的影響 17
圖2-13 電容對電壓的遲滯曲線 17
圖2-14 基本MOSFET元件截面圖 23
圖2-15 MOSFET在線性區的操作方式及其輸出I-V特性 24
圖2-16 MOSFET在飽和區的操作方式及其輸出I-V特性 24
圖3-1 有機金屬化學氣相沉積系統結構圖 29
圖3-2 試片清潔 30
圖3-3 定義元件範圍 30
圖3-4源極與汲極之金屬沉積 30
圖3-5 氧化層沉積 31
圖3-6 電極上氧化層之移除 31
圖3-7 閘極金屬沉積 31
圖3-8 ZnGa2O4 MOSFET元件截面示意圖 32
圖3-9 AFM操作原理示意圖 34
圖3-10 SEM主要結構示意圖 35
圖3-11 (a) X光繞射系統示意圖 (b) X光繞射系統之光學模組 35
圖3-12 霍爾效應示意圖 36
圖4-1 不同DEZn流量之XRD繞射圖 39
圖4-2 XRD繞射之局部放大圖 39
圖4-3 不同DEZn流量之TEM圖 40
圖4-4 不同DEZn流量薄膜晶格之d軸長度圖 40
圖4-5 DEZn低流量(10 sccm)與高流量(60 sccm)之TEM比較圖 41
圖4-6 不同DEZn流量薄膜之霍爾量測圖 43
圖4-7 不同DEZn流量薄膜之AFM表面形貌圖 44
圖4-8 不同DEZn流量薄膜之SEM結面圖與表面形貌圖 45
圖4-9 MOSFET元件DEZn流量為30 sccm之IDS-VDS特性圖 46
圖4-10 MOSFET元件DEZn流量為40 sccm之IDS-VDS特性圖 47
圖4-11 MOSFET元件DEZn流量為50 sccm之IDS-VDS特性圖 47
圖4-12 MOSFET元件DEZn流量為60 sccm之IDS-VDS特性圖 48
圖4-13 MOSFET元件DEZn流量為30 sccm之IDS-VGS-gm特性圖 49
圖4-14 MOSFET元件DEZn流量為40 sccm之IDS-VGS-gm特性圖 49
圖4-15 MOSFET元件DEZn流量為50 sccm之IDS-VGS-gm特性圖 50
圖4-16 MOSFET元件DEZn流量為60 sccm之IDS-VGS-gm特性圖 50
圖4-17 MOSFET元件DEZn流量為30 sccm之IDS-VGS特性圖 51
圖4-18 MOSFET元件DEZn流量為40 sccm之IDS-VGS特性圖 52
圖4-19 MOSFET元件DEZn流量為50 sccm之IDS-VGS特性圖 52
圖4-20 MOSFET元件DEZn流量為60 sccm之IDS-VGS特性圖 53
圖4-21 不同DEZn流量元件之Vth比較圖 53
圖4-22 DEZn流量為30 sccm之C-V量測圖 54
圖4-23 DEZn流量為40 sccm之C-V量測圖 55
圖4-24 DEZn流量為50 sccm之C-V量測圖 55
圖4-25 DEZn流量為60 sccm之C-V量測圖 56
圖4-26 不同DEZn流量元件之場效移動率比較圖 57
圖4-27 MOSFET元件DEZn流量為30 sccm之崩潰電壓特性圖 58
圖4-28 MOSFET元件DEZn流量為40 sccm之崩潰電壓特性圖 59
圖4-29 MOSFET元件DEZn流量為50 sccm之崩潰電壓特性圖 59
圖4-30 MOSFET元件DEZn流量為60 sccm之崩潰電壓特性圖 60
圖4-31 不同DEZn流量之崩潰電壓比較圖 60
圖4-32 不同DEZn流量之漏電流比較圖 61
圖4-33 不同ZnGa2O4厚度之截面圖與表面形貌圖 64
圖4-34 不同ZnGa2O4厚度之AFM表面形貌圖 65
圖4-35 不同ZnGa2O4厚度之霍爾量測圖 66
圖4-37 MOSFET元件ZnGa2O4厚度為90 nm之IDS-VDS特性圖 69
圖4-38 MOSFET元件ZnGa2O4厚度為120 nm之IDS-VDS特性圖 69
圖4-39 MOSFET元件ZnGa2O4厚度為150 nm之IDS-VDS特性圖 70
圖4-40 不同ZnGa2O4厚度之IDS-VDS特性圖 70
圖4-41 MOSFET元件ZnGa2O4厚度為90 nm之IDS-VGS-gm特性圖 71
圖4-42 MOSFET元件ZnGa2O4厚度為120 nm之IDS-VGS-gm特性圖 72
圖4-43 MOSFET元件ZnGa2O4厚度為150 nm之IDS-VGS-gm特性圖 72
圖4-44 不同ZnGa2O4厚度之IDS-VGS-gm特性圖 73
圖4-45 MOSFET元件ZnGa2O4厚度為90 nm之IDS-VGS特性圖 74
圖4-46 MOSFET元件ZnGa2O4厚度為120 nm之IDS-VGS特性圖 74
圖4-47 MOSFET元件ZnGa2O4厚度為150 nm之IDS-VGS特性圖 75
圖4-48 不同ZnGa2O4厚度之IDS-VGS特性圖 75
圖4-49 不同ZnGa2O4厚度之Vth比較圖 76
圖4-50 ZnGa2O4厚度為90 nm之C-V特性圖 77
圖4-51 ZnGa2O4厚度為120 nm之C-V特性圖 77
圖4-52 ZnGa2O4厚度為150 nm之C-V特性圖 78
圖4-53 不同ZnGa2O4厚度之場效移動率比較圖 79
圖4-54 MOSFET元件ZnGa2O4厚度為90 nm之崩潰電壓特性圖 80
圖4-55 MOSFET元件ZnGa2O4厚度為120 nm之崩潰電壓特性圖 80
圖4-56 MOSFET元件ZnGa2O4厚度為150 nm之崩潰電壓特性圖 81
圖4-57 不同ZnGa2O4厚度之崩潰電壓特性圖 81
圖4-58 不同ZnGa2O4厚度之漏電流比較圖 82

1. D. Gogova, G. Wagner, M. Baldini, M. Schmidbauer, K. Irmscher, R. Schewski, Z. Galazka, M. Albrecht, R. Fornari, “Structural properties of Si-doped β-Ga2O3 layers grown by MOVPE”, Journal of Crystal Growth, vol. 401, pp. 665–669 (2014).
2. S. Ohira, N. Suzuki, N. Arai, M. Tanaka, T. Sugawara, K. Nakajima, T. Shishido, ” Characterization of transparent and conducting Sn-doped β-Ga2O3 single crystal after annealing”, Thin Solid Films, vol.516, pp. 5763–5767 (2008).
3. J. Vincent, O. Guillot-Noël, L. Binet, P. Aschehoug, Y. Le Du, F. Beaudoux, P. Goldner, “Electron paramagnetic resonance and optical spectroscopy of Er-doped
-Ga2O3”, Journal of Applied Physics, vol. 104, pp. 033519 (2008).
4. S. Y. Lee, K. H. Choi, H. C. Kang, “Growth mechanism of In–doped β–Ga2O3 nanowires deposited by radio frequency powder sputtering”, Materials Letters, vol. 176, pp. 213–218 (2016).
5. X. H. Wang, F. B. Zhang, K. Saito, T. Tanaka, M. Nishio, Q. X. Guo, “Electrical properties and emission mechanisms of Zn-doped β-Ga2O3 films”, Journal of Physics and Chemistry of Solids, vol.75, pp. 1201–1204 (2014).
6. W. Mia, Z. Li, C. Luan, H. Xiao, C. Zhao, J. Ma, “Transparent conducting tin-doped Ga2O3 films deposited on MgAl2O4 (100) substrates by MOCVD”, Ceramics International, vol. 41, pp. 2572–2575 (2015).
7. R. Roy, V. G. Hill, E. F. Osborn, “Polymorphism of Ga2O3 and the System Ga2O3-H2O”, Journal of the America Ceramic Society, vol. 74, pp. 719-722 (1952)
8. S. Geller, “Crystal structure of β- Ga2O3”, The Journal of Chemical Physics, vol. 33, pp. 676-684 (1990).
9. T. Harwig, G. J. Wubs, G. J. Dirksen, “Electrical properties of β- Ga2O3 single crystals”, Solid State Common, vol. 18, pp. 1223-1225 (1976).
10. J. Ahman, G. Svensson, J. Albertsson, “A Reinvestigation of β- Gallium Oxide”, Acta Crystallogr. Vol. 52, pp. 1336-1338 (1996).
11. M. Yamaga, E. G. Villora, K. Shimamura, N. Ichinose, M. Honda, “Donor structure and electric transport mechanism in β- Ga2O3”, Physics Rev. vol. 86, 155207 (2003).
12. T. Onuma, S. Fujioka, T. Yamaguchi, M. Higashiwaki, K. Sasaki, T. Masui, T. Honda, Applied Physics Letter. vol. 103 (2013).
13. E. G. Villora, M. Yamaga, T. Inoue, S. Yabasi, Y. Masui, T. Sugawara, T. Fukuda, “Optical spectroscopy study on β- Ga2O3”, Japanese Journal of Applied Physics, vol. 41, pp. 622-625 (2002).
14. M. Orita, H. Hiramatsu, H. Ohta, M. Hirano, and H. Hosono, “Electrical conductivity control in transparent p-type (LaO)CuS thin films prepared by rf sputtering”, Thin Solid Films, vol. 411, pp. 134 (2002).
15. Z. Yu, C. D. Overgaard, R. Droopad, M. Passlack and J. K. Abrokwah, “Growth and physical properties of Ga2O3 thin films on GaAs(001) substrate by molecular-beam epitaxy” Applied Physics Letter. vol. 82, pp. 2978 (2003).
16. H. W. Kim, N. H. Kim, “Annealing effects on the properties of Ga2O3 thin films
grown on sapphire by MOCVD”, Applied Surface Science, vol. 230, pp. 301 (2004).
17. Z. Li, C. de Groot, J. H. Moodera, “Gallium oxide as an insulating barrier for spin-dependent tunneling junctions”, Applied Surface Science. vol. 77, pp. 3630-3632 (2000).
18. M. Higashiwaki, K. Sasaki, T. Kamimura, M. H. Wong, D. Krishnamurthy, A. Kuramata, T. Masui, S. Yamakoshi, “Depletion-mode Ga2O3 metal-oxide-semiconductor field-effect transistorson β-Ga2O3 (010) substrates and temperature dependence of their device characteristics”, Applied Physics Letter, vol. 103, pp. 123511 (2013).
19. P. Feng, J. Y. Zhang, Q. H. Li, T. H. Wang, “Individual β-Ga2O3 nanowires as solar-blind photodetectors”, Applied Physics Letter, vol. 88, pp. 153107(2006).
20. K. Matsuzaki, H. Hiramatsu , K. Nomura, H. Yanagi, T. Kamiya, M. Hirano, H. Hosono, “Growth, structure and carrier transport properties of Ga2O3 epitaxial film examined for transparent field-effect transistor”, Thin Solid Films, vol. 496, pp. 37–41 (2006).
21. A. R. Phani, S. Santucci, S. Di Nardo, L. Lozzi, M. Passacantando, P. Picozzi, “Preparation and characterization of bulk ZnGa2O4”, Journal of Materials Science, vol. 33, pp. 3969-3973 (1998).
22. M. Vasile, C. Ianasi, A. –V. Birdeanu, E. Vasile, “Structural properties of undoped and doped with Er3+ ions ZnGa2O4 nanomaterials obtained by hydrothermal method”, Journal of Optoelectronic and Advanced Materials, vol. 13, no. 10, pp. 1273-1278 (2011).
23. B. Qiao, Z. L. Tang, Z. T. Zhang, L. Chen, “Study on ZnGa2O4:Cr3+ a.c. powder electroluminescent device”, Materials Letters, vol. 61, pp. 401-404 (2007).
24. S. M. Chung, S. H. Hanb, Y. J. Kimb, “Characterization of compositional variation and luminescence of ZnGa2O4:Mn thin film phosphor” Materials Letters, vol. 59, pp. 786-789 (2005).
25. X. Chen, H. Xue, Z. Li, L. Wu, X. Wang, X. Fu, “Ternary Wide Band Gap p-Block Metal Semiconductor ZnGa2O4 for Photocatalytic Benzene Degradation”, Journal of Physical Chemistry C, vol. 112, no. 51, pp. 20393-20397 (2008).
26. 中國藝術網，尖晶石結構與尖晶石硬度你了解多少?, (2015)。
27. 林子豪，長庚大學碩士論文, (2005)。
28. Donald A. Neamen, , 3st ed. 楊賜麟 譯，半導體物理與元件，初版。
29. S. M. Sze, M. K. Lee, "Semiconductor Devices : Physics and Technology”, 2nd Edition, (2002).
30. 陳立俊，張立，梁鉅銘，林文台，楊哲人，鄭晃忠，材料電微鏡學，國家實驗研究院儀器科技研究中心，台灣，(1990)。
31. 鄧建龍、姚潔宜、張茂男，X-ray Diffraction Utilized in the Semiconductor Industry, Nano Communication, 15(4), 6-9, (2008).
32. W. Mia, Z. Li, C. Luan, H. Xiao, C. Zhao, J. Ma, “Transparent conducting tin-doped Ga2O3 films deposited on MgAl2O4 (100) substrates by MOCVD”, Ceramics International, vol. 41, pp. 2572–2575 (2015).