Abstract
隨著尺寸的微小化，二氧化矽/矽的半導體元件已逐漸逼近其量子穿隧極限，因此，高介電係數的閘極氧化層及高電子遷移率的基板(三五族半導體及鍺)即成為取代二氧化矽/矽系統的最佳候選人。然而，如何定義高介電閘極氧化層與半導體間的介面特性仍是個重大課題。本實驗結合傳輸與光學方法，探討分子束磊晶成長的氧化鋁/氧化鎵(氧化釓)/砷化銦鎵/砷化鎵之介面性質。 傳輸性質方面，不同氧化鎵(氧化釓)厚度條件(20, 10, 7, 3.6 nm)，經過氫氣下的850oC快速高溫熱退火，此異質結構呈現極佳的電性。電容-電壓量測結果顯示，介電常數均維持在12-15、10到500千赫茲間的積聚電容值頻率分散皆在5%以下，且最小等效電容厚度(Capacitive effective thickness, CET)可達1 nm。電流-電壓量測結果顯示，平帶電壓加1V處之漏電流密度低至10-9A/cm2。而在擬穩態電容-電壓量測下，電容-電壓曲線中的少數載子反轉行為與理想曲線的吻合度達80%，顯示氧化鎵(氧化釓)可有效鈍化砷化銦鎵表面，讓費米能階在外加電壓下可近乎自由活動。 光學性質方面，我們使用新穎的時間解析二倍頻技術來探討介面性質。二倍頻的優點在於不只量到表面訊號，還可量測到埋在下層的介面訊號。但分析實驗所得的同調聲子光譜後發現，由於砷化銦鎵/砷化鎵基板為極性半導體，有較複雜的聲子-電漿子耦合交互作用，以至於我們無法直接得到微弱的氧化物/半導體介面訊號。不過我們也意外發現砷化銦鎵在850oC快速高溫熱退火後，出現較多晶格缺陷的實驗證據，此現象同時也在拉曼光譜上證實。 在這個研究中，此異質結構呈現極佳的傳輸性質，且我們發現快速高溫熱退火對氧化層修復的功效遠大於對砷化銦鎵的負面影響。雖然我們沒有成功的用光學方法看到氧化物/半導體介面訊號，但若適當的修正實驗，例如使用非極性的矽或鍺基板，二倍頻技術仍有機會得到氧化物/半導體介面資訊。了解其傳輸性質及光學性質將有助於我們判斷高介電閘極氧化層與半導體間的介面特性。