分子束磊晶低溫成長砷化鎵之光偵測器研究｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	林文祥 Wen-Shyang Lin
論文名稱：	分子束磊晶低溫成長砷化鎵之光偵測器研究 The Study on LT-GaAs Photodetector Grown by Molecular-Beam Epitaxy
指導教授：	黃金花 Jin-Hua Huang
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2001
畢業學年度：	89
語文別：	中文
中文關鍵詞：	分子束磊晶、低溫成長砷化鎵、光偵測器
外文關鍵詞：	MBE, LT-GaAs, Photodetector, overhang
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在本研究過程中，我們利用分子束磊晶在低溫成長(230℃及350℃)摻雜矽的砷化鎵做為調變型光偵測器的通道區。並利用黃光微影製程：曝光、顯影、蝕刻等技術得到所要的指狀電極圖樣；並利用浸泡氯苯等方法來使光阻形成突出結構，以利於後續金屬掀除動作。蒸鍍金-鍺-鎳合金當作電極，在360℃退火30秒後形成歐姆接觸。
比較二種不同磊晶結構的調變型光偵測器，結構A具有較大光電流及較小的暗電流。結構B由於成長溫度較高，因此矽的摻雜效率較高，造成AlGaAs層並未完全空乏，形成並聯導通，因此暗電流非常高。在蝕刻掉部分AlGaAs層後已大量降低暗電流，但光電流相對比結構A元件小。

在元件電極圖形方面，具有愈小電極寬度及間距、愈多電極數量及愈大的電極長度相對具有較高的光電流，未來在製程許可下，應可盡量縮小電極尺寸及間距以獲得較高光電流。

摘要………………………………………………………………………………i
誌謝……………………………………………………………………………...ii

圖目錄…………………………………………………………………………..vi

表目錄……………………………………………………………………….viii

第一章 序論…………………………………………………………………….1

第二章 元件理論………………………………………………………..……...3

2.1 LT-GaAs材料特性……………………………………………..…...3

2.2 MODPD磊晶結構…………………………………………………..5

2.3 MODPD基本工作原理……………………………………………..8

2.4 MODPD電極圖形…………………………………………………10

2.5 TLM量測…………………………………………………………..11

第三章 分子束磊晶成長…………………………………………………...…15

3.1 分子束磊晶系統簡介………………………………………….….15

3.2 分子束磊晶系統………………………………………………..…17

3.3 分子束磊晶原理…………………………………………………..19

3.4 分子束磊晶成長過程……………………………………………..22

3.4.1 晶片清洗…………………………………………………....22

3.4.2 晶片去水氣……………………………………………...….22

3.4.3 元素源升溫…………………………………………………22

3.4.4 磊晶成長……………………………………………………23

3.5 磊晶結構…………………………………………………………..24

第四章 元件製程…………………………………………………..…………26

4.1 製程設備…………………………………………………………..26

4.1.1 光阻旋轉塗佈機……………..……………………………..26

4.1.2 光罩對準機………………………………………...……….26

4.1.3 熱蒸鍍機………………….…………………………...……27

4.1.4 快速退火爐…………………………………………………27

4.2 元件製作流程…………………………………………………..…28

4.2.1 平台隔離……………….…………………………………...28

4.2.2 蒸鍍金屬………………….………………………………...29

4.2.3 快速退火……………………………………………………30

4.2.4 覆蓋層蝕刻…………………………………………………31

4.3 製程參數及原理分析……………………………………………..33

4.3.1 平台隔離……………………………………………………33

4.3.2 光阻塗佈…………………….……………………………...34

4.3.3 突出結構的形成……..……………………………………..36

4.4.4 微影結果評估………………………………………………36

4.4.5 蝕刻液的選擇………………………………………………38

4.4.6 歐姆接面的形成…………………………………………....39

4.4.7 覆蓋層蝕刻………………………………………………....42

第五章 量測結果……………………………………………………………...43

5.1 結構A (230℃、Si-doped LT-GaAs)..…………………………...…43

5.1.1 電流-電壓曲線量測………………………………………...43

5.1.2 TLM量測…………………………………………………....46

5.1.3 光譜響應量測………………………………………………47

5.2 結構B (350℃、Si-doped LT-GaAs).………………………..……..49

5.2.1 電流-電壓曲線量測………………………………………...49

5.2.2 TLM量測………………………………..…………………..51

5.2.3 光譜響應量測……………………………………………....52

5.3 結構C (350℃、LT-InGaAs)………………………………..……..53

5.3.1 電流-電壓曲線量測………………………………………...53

5.3.2 TLM量測……………………………………………………53

5.3.3 光譜響應量測……………………………………………....54

5.4元件電性分析……………………………………………………...55

5.4.1 MODPD電性原理分析……………………………………..55

5.4.2 覆蓋層蝕刻對元件特性之影響……………………………57

5.4.3 通道區磊晶成長溫度對元件電性分析……………………58

第六章 結論…………………………………………………………………..59

參考文獻……………………………………………………………………….61

圖目錄

圖2.1 (a)砷析出模型 (b)埋入式蕭基能障………………..……………..…….3

圖2.2 MODPD磊晶結構………………………………………………..….…..5

圖2.3 異質介面能帶圖…………………………………………..……………..6

圖2.4 MODPD結構及其能帶…………………………………………………..8

圖2.5 MODPD之能帶圖(a)未照光 (b)照光…………………………………..9

圖2.6 MODPD電極圖形………………………………………………………10

圖2.7 半導體與金屬接觸電阻………………………………………………..11

圖2.8 半導體與金屬接面電流…………………………….………………….12

圖2.9 CTLM…………………………………………………………………...12

圖2.10 LTLM………………………………………………………………..…14

圖3.1 分子束磊晶系統設備示意圖………………………………………….15

圖3.2 RHEED表面分析方位示意圖………………..……………………….18

圖3.3 GaAs分子束磊晶成長模式……………………………………………19

圖3.4 分子束磊晶相圖…………..……………………………………………20

圖3.5 磊晶結構A (230℃ Si-doped LT-GaAs)……….……………………24

圖3.6 磊晶結構B (350℃ Si-doped LT-GaAs)……….……………………25

圖3.7 磊晶結構C (270℃ LT-InGaAs)……………….……………………25

圖4.1 元件隔離蝕刻深度(∼0.7mm)…………..…………………………….29

圖4.2 雙層光阻塗佈厚度(∼1.7mm)………………………………………...31

圖4.3 金屬電極蒸鍍厚度(∼2000Å)……...………………………………….31

圖4.4 MODPD製程流程示意圖………………………………………………32

圖4.5 Mesa蝕刻後之剖面圖………………………………………………….33

圖4.6 指狀電極結構…………………………………………………………..34

圖4.7 光阻之突出結構剖面(2μm)剖面……………………………………..35

圖4.8 突出結構形成之各區域示意圖………………………………………..35

圖4.9 光阻顯影路徑圖………………………………………………………..37

圖4.10 NH4OH-H2O2-H2O對GaAs之蝕刻速率圖………………..…………38

圖4.11 H3PO4-H2O2-H2O對GaAs之蝕刻速率圖……………………………39

圖4.12 AuGeNi歐姆接面示意圖……………………………………….…….40

圖4.13 不同退火溫度金屬-半導體接面電阻………………………………..42

圖5.1 磊晶結構A元件G1之電流-電壓特性曲線…….…………….………44

圖5.2 磊晶結構A元件G1∼G4之電流-電壓特性曲線(4.3 mW)…………..44

圖5.3 磊晶結構A元件G1於不同照光功率下之光電流………………….45

圖5.4 磊晶結構A於照光與未照光下之TLM量測……………………….46

圖5.5 磊晶結構A於不同照光功率下之TLM量測………….……………47

圖5.6 磊晶結構A光譜響應圖形……………………………………….…….48

圖5.7 磊晶結構B之電流-電壓特性(未照光)……………………………..…49

圖5.8 磊晶結構B元件G1電流-電壓特性曲線……………………………50

圖5.9 磊晶結構B元件G1∼G4電流-電壓特性曲線(4.3 mW)……………..50

圖5.10 磊晶結構B在不同照光強度下TLM量測…………………………..51

圖5.11 磊晶結構B光譜響應圖形……………………………………………52

圖5.12 磊晶結構C元件G1電流-電壓特性曲線……………………………53

圖5.13 磊晶結構C光譜響應圖形……………………………………………54

圖5.14 GaAs外加電場與電子飄移速度之關係……….…………………….56

圖5.15 磊晶結構A元件G1覆蓋層蝕刻前後之暗電流…………………...57

表目錄

表1.1 MBE成長正常溫度及低溫成長GaAs之比較……………………..…...2

表4.1 不同退火溫度金屬-半導體接面電阻、片電阻及比接面電阻值…….41

表5.1 磊晶結構A元件G1於不同照光功率下之光電流(Vds=3V)…..……..43

表5.2 磊晶結構A元件G1∼G4於4.3 mW下之飽和電流及飽和電壓…..43

表5.3 磊晶結構A元件G1於不同照光功率下之光電流(Vds=3V)…..……..45

表5.4 磊晶結構A調變照光功率之TLM量測結果………………………..46

表5.5 磊晶結構B不同照光強度之RC、LT及ρs值……………………….51

表5.6 磊晶結構C調變照光功率之TLM量測結果……………………….53

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