崑 山 科 技 大 學

電子工程系二技部

專 題 研 究 報 告

以電流-電壓方法分析

銅/磷化銦之蕭特基結構

學生： 林仕賢

指導教授： 黃文昌 老師

中 華 民 國 九 十 五 年 五 月

I

摘要

本研究將銅以熱蒸鍍法沉積於磷化銦基板表面，以製作

蕭特基二極體。本文將比較在不同退火溫度下，以 XRD 量測

銅/磷化銦二極體的結構變化，進而在以 I-V 方法來求算出

在不同退火溫度下銅/磷化銦二極體的順向電流、逆向漏電

流及能障高度與理想因子的變化。

實驗結果發現，未退火之銅/磷化銦二極體擁有最佳的

整流特性及較高的能障高度，其中能障高度達 0.49eV，然而

隨著退火溫度的增加，能障高度降低、理想因子提高，可以

懷疑是銅擴散進入磷化銦基板所導致。若是在銅及磷化銦基

板間加入一層擴散阻擋層，將能使銅/磷化銦二極體有更好

的整流特性。

II

目 錄

摘要……………………………………………………………………I

目錄……………………………………………………………………II

圖表目錄……………………………………………………………IV

第一章 緒論…………………………………………………………1

1.1蕭特基二極體…………………………………………………1

1.2 專題動機……………………………………………………………2

第二章 蕭特基接觸原理……………………………………………3

2.1 蕭特基接觸…………………………………………………………3

2.2 蕭特基接觸 I-V 特性原理………………………………………7

2.3 蕭特基接觸 C-V 特性原理…………………………………………9

第三章 薄膜成長模式……………………………………………11

3.1薄膜成長機制………………………………………………………11

第四章 熱蒸鍍技術………………………………………………13

4.1熱蒸鍍系統…………………………………………………………13

第五章 實作方法……………………………………………………16

5.1製程步驟……………………………………………………………16

結構圖…………………………………………………………………17

第六章 結果與討論………………………………………………18

III

6.1 銅/磷化銦蕭基二極體物性分析…………………………………18

6.2 銅/磷化銦蕭基二極體電性分析…………………………………18

6.3討論…………………………………………………………………18

參考文獻………………………………………………………………28

IV

圖表目錄 圖2.1 在熱平衡與非熱平衡下，一孤立金屬靠近一孤立 n型半導體之能帶圖…5

圖 2.2 金屬-矽與金屬-砷化鎵兩種接觸的能障高度測量值……………………5

圖 2.3 不同偏壓情況下，金屬與 n型與 p型半導體接觸之能帶圖………………6

圖 2.4 W-Si 與 W-GaAs 二極體的順向電流密度對應外加電壓圖………………8

圖2.5 鎢-矽(W-Si)與鎢-砷化鎵(W-GaAs)二極體之1/C2對應外加電壓圖……10

圖 3.1 薄膜成長示意圖……………………………………………………………12

圖 4.1 熱蒸鍍機架構圖……………………………………………………………14

圖 4.2 蒸鍍機之真空腔示意圖……………………………………………………15

結構圖………………………………………………………………………………17

圖 6.1(a)~(g) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖 未退火~550℃……………20~23

圖 6.2 Cu/InP 在不同退火溫度下的順向電壓-電流特性……………………24

圖 6.3 Cu/InP 在不同退火溫度下的反向電壓-電流特性……………………25

圖 6.4 Cu/InP 在不同退火溫度下的電壓-電流密度特性………………………26

圖 6.5 不同退火溫度下，能障高度的變化……………………………………27

1

第一章 緒 論

1.1 蕭特基二極體

蕭特基二極體為一金屬-半討體接觸之元件，藉由金屬和

半導體接觸後產生的能障，使得蕭特基二極體具有整流特

性，蕭基二極體之兩大特點為：速度快與低電壓。蕭特基二

極體的最大優點是為一多數載子傳導半導體元件，其電荷傳

輸僅利用半導體中的多數載子，因為沒有少數載子聚集在接

合處，不會產生雙極性元件的少數載子儲存現象，所以不會

造成時間上的延遲，使的蕭特基二極體有著較佳的高頻響

應。

通常順向偏壓之蕭基二極體上所跨之電壓大約為矽 PN

接合二極體的一半，所以蕭基二極體更接近於理想二極體。

磷化銦與砷化鎵為基板作比較，其具有較低的電子撞及游離

係數和較高的熱傳導係數、效率、累增崩潰，而且，磷化銦

相對於其他的半導體材料在低電場時具有較高的電子移動

率和較高的電子峰值速率。而銅具備低電阻和較優良的抗電

子遷移特性，銅在室溫時電阻係數僅為 1.7 微歐姆-公分在

金屬中僅次於銀，而高抗電子遷移可以使元件具有更高的壽

命及穩定性。

2

1.2 專題動機

基於磷化銦及銅的各項優點，我們將探討銅/磷化銦的

蕭特基接觸與介面之微結構，在本研究中我們將致力於金屬

Cu 在 InP 上的接觸研究，經過熱退火處理後，分析其電流電

壓（I-V），以及用各種不同的分析儀來研究其介面微結構。

3

第二章 蕭特基接觸原理介紹

2.1 蕭特基接觸

當金屬與半導體接觸時，界面間會有內建電場形成，金屬內之電

子欲傳導至半導體時，會遭受一能障阻礙，此及蕭特基能障(Schottky

barrier)。

以 n 型半導體為例，理想狀況下能障高度 Bnqφ 即為金屬功函數與

半導體電子親和力間之差：

χφφ qqq mBn −=

在圖 1.1(b)中半導體側，Vbi為電子由半導體導電帶上欲進入金屬

時將看到的內建電位。

nBnbi VV −= φ

qVn為導電帶之底部與費米能階間的距離。

如圖2.1為 n型矽與n形砷化鎵所測得的能障高度。需注意qψBn

隨著 qψm升高而升高，然而依存性卻沒預測的這麼強。這是因為實際

的蕭特基二極體，由於在半導體表面的晶格中斷，產生大量位於禁止

能隙的表面態位。這些表面態位可以充當施體或受體，而影響最終的

能障高度。

圖 2.2 為不同偏壓情況下，金屬在 n 型及 p 型半導體上的能帶

圖。先探討 n 型半討體。當偏壓為零時如圖 2.3(a)左側所示，能帶

4

圖楚於熱平衡的情況下，兩種材料具有相同的費米能階。如果我們施

加順向偏壓，如圖 2.3(b)左側所示，則半導體到金屬之能障高度將

變小，使的電子變的容易由半導體進入金屬。而如果施加逆向電壓，

將使能障提高，如圖 2.3(c)左側所示。對電子而言，要從半導體進

入金屬將更為困難。對 p型半導體而言，可以獲得相似的結果，不過

極性相反。

5

圖 2.1 (a)熱的非平衡情形下，一孤立金屬靠近一孤立 n型半導體之能帶圖，

(b)熱平衡時金半接觸的能帶圖。

圖 2.2 金屬-矽與金屬-砷化鎵兩種接觸的能障高度測量值。

6

圖 2.3 不同偏壓情況下，金屬與 n型與 p型半導體接觸之能帶圖。(a)熱平衡，

(b)順向偏壓，(c)逆向偏壓。

7

2.2 蕭特基接觸 I-V 特性原理

蕭特基二極體電流傳導主要由多數載子所決定，對金屬/n 型半

導體二極體而言，電流主要為半導體側熱離子放射出之載子，越過半

導体與金屬間之 Vbi能障所構成。

蕭特基接觸的 I-V 特性，由熱離子發射模型描述

其中 J：電流密度

Js：飽和電流密度

V ：偏壓

n ：理想因子

A*：有效李察遜常數

q：電荷

k：波茲曼常數(Boltzman constant)

T：絕對溫度

：蕭特基能障

如圖 2.4，若將 ln(J)對 V 作圖，可得一直線，由斜率得到理想因子

]1)/[exp( −= nkTqVJJ s

)exp(2*kTqTAJ bsφ−

=

]1)/)[exp(/exp(2* −−= nkTqVkTqTA bφ

bφ

8

n

能障高度 可藉由 ln(J)對 V 圖中，當 V=0，特性曲線之交點得到的

Js 求得。

圖 2.4 W-Si 與 W-GaAs 二極體的順向電流密度對應外加電壓圖。

)](ln/[/ JddVkTqn =bφ

sb J

TAq

kT 2*ln=φ

9

2.3 蕭特基接觸 C-V 特性原理

電容-電壓之關係

當 V>>q

kT時，空乏電容與偏壓之關係為

其中 C：空乏區電容

V：外加電壓

Vbi：內建電壓

N：施體摻雜濃度

sε ：半導體介電常數

若半導體為均勻摻雜，則 21

C對 V 作圖為一直線，如圖 2.5，此直線

於 V 軸之交點為內建電位

能障高

C：每單位面積之空乏層電容

NC：導電帶之有效態位密度

ND：施體參雜濃度

Ds

bi

NqVV

C ε)(21

2

−=

)ln(D

Cbib N

Nq

kTV −=φ

10

圖 2.5 鎢-矽(W-Si)與鎢-砷化鎵(W-GaAs)二極體之 1/C2對應外加電壓圖。

11

第三章 薄膜成長模式

3.1 薄膜成長機制

薄膜成長機制如圖 3.1 所示，可分為以下幾個步驟：1.長晶

(nucleation)；2.晶粒成長(grain growth)；3.晶粒聚結

(coalescence)；4.縫道填補(fitting of channels)；5.沉積膜成長

(film growth)。

在長晶時粒子或原子物理性的吸附在基板表面，這些吸附原子可能與

其他吸附原子因交互作用，而將多餘的凝結能釋出，且在基板表面形

成穩定的核團，之後化學性或物理性的吸附在表面上，經脫付而進入

原來的氣相。當吸附原子在表面具結成體積較大的核團之後，所形成

的核團半徑如果沒有大於臨界值，此時的整體自由能成上升趨勢，則

核團今不穩定，將會從基板表面消失，並回到氣相；假設該核團的半

徑大於此一臨界值，則核團將繼續存在於基板表面，並且繼續吸收更

多的吸附原子而成長，此一決定核團能否在表面存在的半徑臨界值，

稱為臨界半徑。當穩定的晶粒在基板上形成後，便進入了薄膜成長的

下一階段＂晶粒成長＂，此時晶粒將與氣相中傳來的粒子碰撞而成長

為更大的晶粒。當個別獨立的晶粒成長大到於與其他晶粒接觸時，便

進入了＂晶粒聚結＂階段。晶粒在持續擴大時，晶粒之間的縫道也會

陸續被填滿，最後基板上便形成了一連續的薄膜。

12

圖 3.1 薄膜成長示意圖 1.長晶(nucleation)；2.晶粒成長(grain growth)；3.

晶粒聚結(coalescence)；4.縫道填補(fitting of channels)；5.沉積膜成長

(film growth)。

13

第四章 熱蒸鍍技術

4.1 熱蒸鍍系統

在熱蒸鍍系統中，是以電流通過鎢舟形成高熱，此時放至於烏舟

中的鈀材(本實驗中為銅)將被加熱氣化蒸發，並且凝結於基板表面形

成薄膜。

不論要蒸著的材料為何或使用的設備為何，下列的真空蒸著程序

是典型的：

1.自晶圓上除去所有污染物，在乾燥之。

2.將晶圓放入真空室中適當位置以得到均勻膜。

3.關上真空室，粗抽至 10-3torr。

4.打開高真空唧筒閥，並抽至所要的真空程度

5.打開烏舟電流源，將材料源與晶圓間的遮板放下，將把材加熱至融

化，並等待數分鐘，待鈀材上的汙染物大莫蒸發完。

6.打開遮板，調整電流大小，使蒸鍍速率到達所需要求(電流越大越

快)。

7.待晶圓上的薄膜到達所需厚度時，關掉電流源，等待晶圓冷卻至室

溫。

8.破真空，以惰性氣體充填真空室，打開真空腔取出晶圓。

14

圖 4.1 熱蒸鍍機架構圖。

15

圖 4.2 蒸鍍機之真空腔示意圖。

16

第五章 實作方法

5.1 製程步驟

1.本實驗的使用 InP 作為基板。

2.以蒸鍍系統，將 AuGeNi 鍍在的 InP 背面作歐姆接觸

3.將做好歐姆接觸的試片退火 400℃ 3min。

4.Clean 步驟：

(1)將退火後的樣本浸泡丙酮 3 分鐘。

(2)將浸泡完丙酮的樣本以去離子水沖洗乾淨。

(3)浸泡甲醇 3分鐘。

(4)將浸泡完甲醇的樣本以去離子水沖洗乾淨

(5)將樣本浸泡於 H2SO4(98%) 3 分鐘。

(6)接著以 D.I 去離子水沖洗乾淨。

(7)將樣本取出並以 N2吹乾。

5.將 clean 好的樣本放置於真空蒸鍍機中，以特製的 mask 將銅沉積

於 InP 表面，厚度為 1000Å。

‧ 將鍍銅之後的試片取出，並將樣本裁切成適當大小(XRD 樣本必

須有 1x1 cm2大)。

‧ 將試片送至退火爐中退火，退火溫度：300℃、350℃、400℃、

450℃、500℃、550℃各 3分鐘。

17

結構圖

在 InP 背面鍍上AuGeNi 做歐姆接觸。

在 InP 正面蒸鍍上 Cu 做蕭特基接觸。

18

第六章 結果與討論

6.1 銅/磷化銦蕭基二極體物性分析

圖 6.1 為銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖，其中(a)~(g)為未退

火、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃。

可以發現銅在退火之後與磷形成了磷化銅化合物。

6.2 銅/磷化銦蕭基二極體電性分析

圖 6.2 及圖 6.3 為以蒸鍍技術製作之銅/磷化銦蕭特基二極體在

不同退火溫度的電壓-電流特性比較圖，其中圖 6.2 為施加順向偏

壓、圖 6.3 為施加逆向偏壓。我們可以發現，未退火的試片有最好的

整流特性及最小的漏電流。隨著退火溫度增加，順向電流的增加幅度

趨緩，漏電流也漸增。

圖 6.4 為順向偏壓下，將電流密度取對數的 I-V 特性圖。我們可

以藉著此圖求出各個退火溫度下的能障高度及理想因子。

圖 6.5 為不同退火溫度下，能障高度及理想因子的變化。我們可

以發現未退火時擁有最佳的蕭基接觸，但退火溫度增加時，理想因子

n 漸大，能障高度漸小。

6.3 討論

這可能是由於銅擴散進入磷化銦所導致。因為同具有高度的擴散

性，為了預防銅藉由擴散方式進入磷化銦基版之中而造成漏電，同時

19

也為了避免銅與磷化銦產生反應，因此我們可以在銅與磷化銦之間度

上一層阻擋層，相信可以讓此依蕭基二極體有更好的整流特性。可以

考慮得阻擋層應該有的要求如下：必須能夠防止銅的擴散、具有低薄

膜阻抗、對介電層以及銅膜的附著性良好。在目前已知的材料中，以

鉭和氧化鉭具有最好的銅阻擋能力。

20

0

200

400

600

800

1000

25 35 45 55 65 75 85

未退火

2θ

CuIn

CuP(111)

InP(200)

Cu(111)

CuP (022)

InP(400)

圖 6.1(a) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖

0

200

400

600

800

1000

20 30 40 50 60 70 80 90

300℃

2θ

InP(200) InP

(400)

CuP(223)

圖 6.1(b) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖

21

0

200

400

600

800

1000

20 30 40 50 60 70 80 90

350℃

2θ

InP(200)

InP(400)

CuP(223)

圖 6.1(c) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖

0

200

400

600

800

1000

20 30 40 50 60 70 80 90

400℃

2θ

InP(200)

CuP(112)

InP(400)

圖 6.1(d) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖

22

0

200

400

600

800

1000

20 30 40 50 60 70 80 90

450℃

2θ

InP(200) InP

(400)

CuP(223)

圖 6.1(e) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖

0

200

400

600

800

1000

20 30 40 50 60 70 80 90

500℃

2θ

InP(200)

CuP(111)

InP(400)

CuP(223)

圖 6.1(f) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖

23

0

200

400

600

800

1000

20 30 40 50 60 70 80 90

550℃

2θ

InP(200)

InP(400)

CuP(223)

圖 6.1(g) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖

24

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

未退火300℃350℃400℃450℃

Forward bias (V)

圖 6.2 Cu/InP 在不同退火溫度下的順向電壓-電流特性。

25

圖 6.3 Cu/InP 在不同退火溫度下的反向電壓-電流特性。

26

10-5

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

未退火

300℃350℃400℃450℃

Forward Bias (V) 圖 6.4 Cu/InP 在不同退火溫度下的電壓-電流密度特性。

27

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

0.35

0.4

0.45

0.5

0 100 200 300 400 500

理想因子n 能障高度 (eV)

退火溫度 (℃)

圖 6.5 不同退火溫度下，能障高度的變化。

28

參考文獻

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