III-V yarı iletken yapılara çinko ve benzeri atomların difüzyonunun geliştirilmesi ve incelenmesi

Abstract

Difüzyon, yarıiletkenlerin içerisindeki katkılama miktarını kontrol etmek ve iletkenlik tipini değiştirmek için önemli süreçlerden biridir. III-V yariletkenlerde p-n eklem bölgesi oluşturabilmek için, yüksek p-tipi katkı oluşturabilmesinden dolayı difüzyon süreçleri tercih edilmektedir. III-V bileşik yarıiletkenler için en yaygın p-tipi katkı malzemeleri çinko ve kadmiyumdur. InP yarıiletkeni katkılamak için çinko, kadmiyuma göre bir ya da iki derece daha hızlı difüz etmektedir. Bundan dolayı InP katkılamak için çinko difüzyonun kontrolü en büyük zorluklardan biridir. InP temelli fotodedektörler için çinko konsantrasyonun ve p-n eklem konumun hassas kontrolü oldukça kritiktir. Fakat silisyumla karşılaştırıldığında yüksek difüzyon sıcaklıklarında V. grup elementlerin genellikle yüksek buhar basıncına sahip olmasından dolayı, III-V yarıiletkenlerdeki difüzyon kontrolü çok daha zordur. Çinko difüzyonun kontrolü ve karakterizasyonu ciddi bir altyapı gerektirmektedir. Bu çalışmada öncelikle çinkonun InP içerisindeki difüzyon mekanizması rapor edilmiştir. Desenli ve yalın InP alttaşlara Zn3P2 buharlaştırma ve termal süreç kullanılarak çinko katkılanmıştır. Bu çalışmada termal buharlaştırma, magnetron kopartma, termal fırın ve RTA sistemleri gibi temel mikrofabrikasyon metodları kullanılmıştır. Difüzyon profilleri, örneğin difüzyon derinliği ve çinko katkı konsantrasyonu, difüzyon sıcaklığı ve difüzyon süresi açısından ikincil iyon kütle spektrometrisi (SIMS) kullanılarak incelendi. Tabaka konsantrasyonu, direnç ve mobilite değerleri Hall tekniği ile ölçüldü. Ayrıca desenli ve yalın alttaşların difüzyon fabrikasyonları çalışıldı ve karşılaştırıldı.

Diffusion is one of the key processes to introduce a controlled amount of dopants into semiconductors and to alter the conductivity type. In order to construct the p-n junction of the III-V semiconductors, the diffusion process is the preferred technique because it can form a highly doped p-type. Most common p-type diffusants are zinc and cadmium so technologically crucial for III-V compound semiconductors. Since zinc diffuses one to two orders of magnitude faster than cadmium, one of the biggest challenges associated with the use of zinc as a diffused dopant in InP is the diffusion control. In photodetector based InP fabrication, precise control of the zinc concentration and the position of the p-n junction are quite critically. However, diffusion in III-V compounds semiconductor is more difficult to control compared to diffusion in silicon because the group V element usually has a high vapor pressure at high diffusion temperatures. The high vapor pressure of group V element, which easily causes thermal decomposition of the surface of III-V wafer, is a serious problem. Controlling and characterization of zinc diffusion requires a very serious infrastructure. In this study, we first report on the diffusion mechanism of zinc in InP. Using the evaporated Zn3P2 thin film and thermal processing; we doped zinc into both patterned and planar InP substrates. Thermal processing was performed in a thermal furnace and RTA heater systems. In these trial fundamental microfabrication methods such as thermal evaporater, magnetron sputtering, thermal furnace and RTA systems were used . The zinc diffusion profiles, such as the diffusion depth and the zinc dopant concentration, were examined using secondary ion mass spectrometry (SIMS) in terms of diffusion temperature and time. Sheet concentration, resistivity and mobility were measured by Hall effect technique. The fabrication of diffusion in patterned and planar substrates were also studied and compared.