利用壓電調制光譜研究 sicn 材料特性

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

東南技術學院九十二學年度第一學期資工系論文發表會

報告內容大綱

.壹緒論

.貳理論與實驗裝置

.參結果和討論

.肆結論

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)

其中Aj和 j為振幅和相位，Ej和 j 為躍遷訊號的能量和展寬參數， n的值和躍遷訊號的來源有關，對一階微分型式的函數，n = 2是代表束縛態的激子訊號，m為躍遷訊號的數目 XiEEeA

R

R m

j

njj

ij

j

1

)(Re

n n 值的決定值的決定

PzRPzR CERCER

3D3D 0.50.5 2.52.5

Bounded StatesBounded States

(Impurity(Impurity 、、 Exciton)Exciton)

22 22

B. 調制光譜系統概述

Light Source

Monochromator

FocusLens

Sample

FilterDetector

MotorController

DC Signal

ModulationSource

(CER, PzR)

VaccumSystem

Low TemperatureComtroller System

GPIBBus

Reference

FocusLens

Black Box

Grating

PowerSupply

Si, PMT

AC Signal

VNDF

Lock-inAmplifier Signals in

DC inRef. in

PzR 與 CER 量測樣品之準備裝置圖

PZT

probebeam

外加AC高壓

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

樣品名稱測得成分成長方法成分分析方法

Si C N

S1 38 4.7 57 ECR-PECVD RBS (Fe 0.3%)

S2(nanorods)

26 50 24 1st stage ECR-PECVD2nd stageMW-PECVD

EDS

E1 30 13 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

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

-4x10-4

4x10-4

0

Ei

Expt. Lorentzian Fits

300KPzR

SiCN:FeR

/R

Photon Energy (eV)

d

gE

n=0.5

n=2

含鐵 SiCN 薄膜 15 ~580 K PzR 譜線

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

PzRSiCN:Fe Expt.

Lorentzian Fits

580K

420K

300K

150K

15KR

/R (

arb.

uni

ts)

Photon Energy (eV)

(3-3)

Varshni semiempirical relationship

is the energy at absolute zero

is related to the electron-phonon interaction

is closely related to the Debye temperature

)()0()(

2

T

TETE

j

jjg

jg

)0(jgE

j

j

Bose-Einstein type

is the energy value at 0 K

represents the strength of average electron-phonon interaction

corresponds to the average phonon temperature

]1)[exp(

2)0()(

T

aETE

jB

jBjg

jg

)(TE jg

jBa

jB

樣品 S1 的 Ei 對溫度變化的圖形

0 100 200 300 400 500 6003.06

3.07

3.08

3.09

3.10

SiCN:Fe

Expt. Linear Eq. Fits

Ei (

eV)

Temperature (K)

樣品 S1 的對溫度變化的圖形dgE

0 100 200 300 400 500 6004.60

4.62

4.64

4.66

4.68

4.70d

Expt. Varshni Fits Bose-Einstein Fits

SiCN:Fe

Eg (

eV)

Temperature(K)

0 100 200 300 400 500 6004.60

4.62

4.64

4.66

4.68

4.70

3.06

3.08

3.10

3.12

3.14

3.16

Ei (

eV)

d


SiCN:FeE

g (eV

)

Temperature(K)

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

3.7 3.8 3.9 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

400K

300K

200K

100K

15KPzR

SiCN Nanorods

Expt. Lorentzian Fits

R/R

(arb

. un

its)

Photon Energy (eV)

SiCN nanorods 的對溫度的關係圖

0 100 200 300 4004.18

4.20

4.22

4.24

4.26

4.28

d gE


SiCN Nanorods

(eV

)

Temperature(K)

3. 以 ECR-PECVD 成長的不同成分 SiCN 薄膜

樣品名稱

成長條件測得成分成長方法

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

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

C/Si=0.23

C/Si=0.3

C/Si=0.33

C/Si=0.43

5.013 eV

5.108 eV

5.156 eV

5.385 eV

PzR Lorentzian Fits

E4

E3

E2

E1

SiCN300K

R/R

(ar

b. u

nit

s)

Photon Energy (eV)

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。

利用壓電調制光譜研究 sicn 材料特性

Documents