Thạc Sĩ ảnh hưởng của quá trình nung nhiệt lên sự kết tinh và độ dẫn điện loại p của màng silic trên lớp điệ

MỞ ĐẦU

Vật liệu silic đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điện tử và các linh kiện quang điện. Vật liệu khối silic đơn tinh thể, như các phiến silic (wafer silicon), đã được sử dụng trong việc chế tạo các linh kiện điện tử, cho hiệu suất cao. Tuy nhiên xu hướng nghiên cứu hiện nay của các nhà khoa học là tìm giải pháp giúp giảm chi phí vật liệu cũng như chi phí chế tạo. Chính vì thế mà mối quan tâm của các nhà nghiên cứu hiện nay là tìm các dạng vật liệu khác, có thể thay thế được vật liệu khối silic, mà vẫn giữ được hiệu suất cao của linh kiện. Với công nghệ chế tạo màng mỏng như hiện nay, thì màng mỏng silic đa tinh thể đang thu hút được sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới do những ưu điểm của nó về độ bền cũng như cải thiện được sự truyền dẫn hạt tải so với màng silic vô định hình. Từ đó, việc chế tạo màng silic đa tinh thể đã mở ra một hướng nghiên cứu mới cho các nhà khoa học với tiềm năng có thể thay thế các vật liệu khối. Hướng nghiên cứu này đã được các tác giả trong và ngoài nước thực hiện bởi nhiều phương pháp khác nhau như: phún xạ magnetron, CVD, PECVD, MOCVD, phương pháp kết tinh pha rắn, phương pháp kết tinh bằng laser Hiện nay, trong nước việc nghiên cứu chế tạo màng silic đa tinh thể đang được rất nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu, đặc biệt bằng phương pháp PECVD, tuy nhiên vẫn chưa có nhóm tác giả nào công bố chế tạo thành công màng silic đa tinh thể dẫn điện loại p.
Từ quan điểm nêu trên cộng với tình hình nghiên cứu trong nước hiện nay, và để góp phần thêm vào xu hướng phát triển khoa học trên thế giới, tác giả và nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm việc chế tạo màng silic đa tinh thể trên đế thủy tinh bằng phương pháp AIC (Aluminum-induced Crystallization). Đây là một phương pháp mới và đơn giản, đang được triển khai nghiên cứu bởi các tác giả trên thế giới. Cơ chế của phương pháp này chính là sự khuếch tán
2
nhiệt của lớp kim loại nhôm và lớp silic vô định hình vào nhau, chính sự khuếch tán này đã tạo ra sự kết tinh màng silic vô định hình, thành màng silic đa tinh thể. Và cũng chính vì xuất phát từ cơ chế khuếch tán nhiệt, nên chúng tôi đã chọn quy trình nung nhiệt là yếu tố ảnh hưởng chính, cần nghiên cứu kỹ đến sự hình thành màng silic đa tinh thể dẫn điện loại p. Tuy nhiên trong quá trình khảo sát, ngoài yếu tố nhiệt độ độ, còn có các yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình AIC, cũng được trình bày, để làm sáng tỏ thêm về cơ chế hình thành màng đa tinh thể silic của phương pháp AIC. Trong luận văn, tác giả chia bố cục thành hai phần A và B: Phần A tổng quan lý thuyết trong hai chương, chương 1 tổng quan về vật liệu silic, giới thiệu các dạng cấu trúc và đặc điểm từng loại cấu trúc của vật liệu silic, chương 2 tổng quát về các phương pháp chế tạo màng silic đa tinh thể hiện đang được nghiên cứu. Thực nghiệm được trình bày trong phần B gồm chương 3: ảnh hưởng của quá trình nung nhiệt lên sự hình thành màng silic đa tinh thể, chương 4: là các ảnh hưởng khác lên quá trình hình thành màng.

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
DANH MỤC CÁC BẢNG
MỞ ĐẦU . 1
PHẦN A TỔNG QUAN 3
CHƯƠNG 1. VẬT LIỆU SILIC . 4
1.1 Silic đơn tinh thể 4
1.2 Silic vô định hình (amorphous silicon – a-Si) . 6
1.2.1 Các tính chất của vật liệu . 6
1.2.2 Sự pha tạp và truyền dẫn hạt tải . 7
1.3 Silic đa tinh thể (polycrystalline silicon – poly-Si) . 8
1.4 Sự khuếch tán nhiệt của nhôm vào silic 9
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG SILIC ĐA TINH THỂ
13
2.1 Phương pháp phún xạ Magnetron phản ứng với khí H2 13
2.2 Phương pháp CVD và PECVD . 16
2.3 Phương pháp kết tinh pha rắn (Solid-phase Crystallization _ SPC) 17
2.4 Phương pháp kết tinh bằng Laser (Laser Crystallization - LC) . 19
2.5 Phương pháp kết tinh silic, được thực hiện bằng quá trình khuếch tán nhiệt
màng kim loại Al vào màng a-Si [29] . 20
2.5.1 Giới thiệu. 20
2.5.2 Lược sử quá trình nghiên cứu của phương pháp AIC . 21
2.5.3 Giản đồ pha của hệ thống Al/Si 22
2.5.4 Khái niệm chung về quá trình AIC . 23
2.5.5 Mô hình của quá trình AIC. . 25
2.5.6 Động học của quá trình AIC (kinetics of the AIC process) 28
PHẦN B THỰC NGHIỆM 31
CHƯƠNG 3. ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH NUNG NHIỆT LÊN SỰ KẾT TINH VÀ ĐỘ DẪN ĐIỆN LOẠI P CỦA MÀNG SILIC TRÊN LỚP ĐỆM KIM LOẠI NHÔM 32
3.1 Mô hình khuếch tán nhiệt của kết cấu thủy tinh/Al/a-Si dẫn đến sự hình thành màng silic đa tinh thể 32
3.2 Khảo sát cấu trúc và tính chất điện của màng theo sự thay đổi nhiệt độ nung . 49
3.2.1 Khảo sát đặc tính cấu trúc màng . 49
3.2.2 Khảo sát tính chất điện của màng. 55
3.3 Khảo sát cấu trúc và tính chất điện của màng theo thời gian ủ nhiệt khác nhau . 57
3.3.1 Đặc tính cấu trúc 57
3.3.2 Tính chất điện. . 59
3.4 Kết luận: 61
CHƯƠNG 4. CÁC VẤN ĐỀ KHÁC ẢNH HƯỞNG LÊN QUÁ TRÌNH AIC .63
4.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ bề dày màng Al và Si lên quá trình AIC 63
4.2 Ảnh hưởng của lớp oxit Al ở mặt phân giới Al/Si lên quá trình AIC 70
4.3 Kết luận: 73
KẾT LUẬN . 75
HẠN CHẾ . 76
DANH MỤC CÔNG TRÌNH . 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO 78