Transcript 利用壓電調制光譜研究SiCN材料特性主講人

東南技術學院九十二學年度第一學期
資工系論文發表會
利用壓電調制光譜研究SiCN材料特性
主講人:謝昌勳 老師
92年10月29日
報告內容大綱
一.
二.
三.
四.
緒 論
理論與實驗裝置
結果和討論
結 論
一、緒 論
 SiCN 材料簡介:
特性：寬能隙、高硬度、抗氧化、抗腐蝕、高
熱導、高絕緣及高溫操作
可能應用：微機電系統、高溫操作、高壓元件、
場發射方面(平面電視)
樣品製作：以ECR-PECVD或MW-PECVD在Si
基板上成長薄膜
SiCN之成長方法
MW-PECVD 微波電漿輔助化學氣相沉積法
(microwave plasma enhanced chemical vapor
deposition)
ECR-PECVD電子迴旋共振電漿輔助化學氣
相沉積法（electron cyclotron resonance
plasma enhanced chemical vapor deposition)
SiCN的研究方法
1. 以PzR研究含鐵 SiCN薄膜的躍遷能量與溫度相
關之特性
2. 以PzR研究SiCN nanorods材料特性
3. 研究SiCN成分與能隙之關係。
(感謝中研院原分所陳貴賢博士
台大凝態中心林麗瓊教授提供樣品)
二、理論與實驗裝置
A. 調制光譜原理
B. 調制光譜系統概述
A. 調制光譜原理
 調制光譜是量測樣品材枓受某一物理量週期
性微擾時介電係數改變，造成穿透率、反射
率的改變量，以改變量的譜線做線形吻合求
得欲探討之材料特性。
 微分型式的勞倫茲線形(derivative
Lorentzian lineshape)
 m

i
n
 Re   A j e j ( E  E j  i  j )   X
R
 j 1

R
n 值的決定
3D
Bounded States
(Impurity、Exciton)
PzR
0.5
2
CER
2.5
2
B. 調制光譜系統概述
B lack B ox
G ratin g
S am p le
VNDF
L igh t S ou rce
P ow er
S u p p ly
F ocu s
L en s
M on och rom ator
F ocu s
L en s
F ilter
M otor
C on troller
D etector
S i, P M T
D C S ignal
A C S ignal
L ock -in
A m p lifier
R ef. in
D C in
S ignals in
R eference
M od u lation
S ou rce
(C E R , P zR )
V accu m
S ystem
G P IB
B us
L ow T em p eratu re
C om troller S ystem
PzR與 CER 量測樣品之準備裝置圖
外加
AC高壓
PZT
probe
beam
三、結果和討論
a. SiCN樣品種類
b. PzR光譜分析
c. 結論與討論
a. SiCN樣品種類
SiCN樣品的種類與成分
測得成分
成長方法
成分分析方法
樣品名稱
Si
C
N
S1
38
4.7
57
ECR-PECVD
RBS (Fe 0.3%)
S2
(nanorods)
26
50
24
1st stage ECRPECVD
2nd stage
MW-PECVD
EDS
E1
30
13
57
ECR-PECVD
EDS
E2
32
11
57
ECR-PECVD
EDS
E3
33
10
57
ECR-PECVD
EDS
E4
35
8
57
ECR-PECVD
EDS
b. PzR光譜分析

以PzR研究含鐵 SiCN薄膜的躍遷能量與
溫度相關之特性

以PzR研究SiCN nanorods材料特性

研究SiCN成分與能隙之關係。
1. 含鐵 SiCN薄膜300K PzR譜線
4x10
-4
 R /R
S iC N :F e
P zR
300K
0
n=0.5
d
n=2
Eg
E xp t.
L oren tzian F its
-4 x 1 0
Ei
-4
2 .0
2 .5
3 .0
3 .5
4 .0
4 .5
P h oton E n ergy (eV )
5 .0
5 .5
R/R (arb. units)
含鐵 SiCN薄膜 15 ~580 K PzR譜
線
SiCN:Fe
PzR
2.0
Expt.
Lorentzian Fits
15K
150K
300K
420K
580K
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
Photon Energy (eV)
5.0
5.5
Varshni semiempirical relationship


E g (T )  E g ( 0 ) 
j
j
E g (0)

j

j
j
 jT
2
( j  T )
(3-3)
is the energy at absolute zero
is related to the electron-phonon
interaction
is closely related to the Debye
temperature
Bose-Einstein type
E (T )  E ( 0 ) 
j
g
j
g
[exp(
2a
jB

jB
)  1]
T
j
is the energy value at 0 K
a jB represents the strength of average
electron-phonon interaction

corresponds to the average phonon
temperature
E g (T )
jB
樣品S1的Ei對溫度變化的圖形
3 .1 0
S iC N :F e
E i (eV )
3 .0 9
3 .0 8
E xp t.
L in ear E q . F its
3 .0 7
3 .0 6
0
100
200
300
400
T em p era tu re (K )
500
600
樣品S1的 E gd 對溫度變化的圖形
4 .7 0
S iC N :F e
E g (eV )
d
4 .6 8
4 .6 6
4 .6 4
E xp t .
V arsh n i F its
B ose-E in stein F its
4 .6 2
4 .6 0
0
100
200
300
400
T em p eratu re(K )
500
600
4 .7 0
3 .1 6
E g (eV )
d
4 .6 8
S iC N :F e
3 .1 4
4 .6 6
3 .1 2
4 .6 4
3 .1 0
4 .6 2
3 .0 8
4 .6 0
3 .0 6
600
0
100
200
300
400
T em p era tu re(K )
500
E i (eV )
E xp t .
V arsh n i F its
B ose-E in stein F its
2. SiCN nanorods
SiCN奈米柱之側視SEM影像圖(直徑約為20-50 nm)
SiCN nanorods 15K~400K PzR譜線
 R /R (a rb . u n its)
S iC N N a n o ro d s
P zR
15K
100K
200K
E x p t.
L o ren tzia n F its
300K
400K
3 .7
3 .8
3 .9
4 .0
4 .1
4 .2
4 .3
P h o to n E n erg y (eV )
4 .4
4 .5
4 .6
SiCN nanorods 的對溫度的關係圖
4 .2 8
S iC N N an orod s
E dg (eV )
4 .2 6
4 .2 4
4 .2 2
E xp t.
V arsh n i F its
B ose-E in stein F its
4 .2 0
4 .1 8
0
100
200
300
T em p eratu re(K )
400
以ECR-PECVD成長的不同成分SiCN薄膜
3.
成 長 條 件
測 得 成 分
成長
方法
樣
品
名
稱
N2
(sccm)
H2
(sccm)
CH3NH2
(sccm)
SiH4
(sccm)
Temp.
℃
Si
C
N
C/Si
E1
3
8
1.0
0.5
700
30
13
57
0.43
ECR
E2
3
8
1.0
0.5
800
32
11
57
0.33
ECR
E3
3
8
1.0
0.5
750
33
10
57
0.3
ECR
E4
3
8
1.0
0.5
750
35
8
57
0.23
ECR
不同成分的SiCN薄膜在300 K時的PzR光譜
R/R (arb. units)
SiCN
300K
E1
5.385 eV
C/Si=0.33
5.156 eV
E2
E3
PzR
Lorentzian Fits
C/Si=0.3
5.108 eV
E4
C/Si=0.23
5.013 eV
4.0
4.5
5.0
C/Si=0.43
5.5
Photon Energy (eV)
6.0
四、結 論
1. 成功改良用銅網執行CER量測，來研究寬能隙
半導體材料之特性。
2. 設計完成Buffer Circuit，改善了SPS訊號之S/N
比。
3. 以PzR研究SiCN薄膜及Nanorods，得知能隙與
雜質相關之訊息。