Surface passivation of Ge by atomic layer deposited SiO2
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-08-19
Department
Major/Subject
Photonics and Nanotechnology
Mcode
ELEC3052
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
48+3
Series
Abstract
Germanium (Ge) is seen as a promising material for applications where high carrier mobility or absorption of NIR photons is needed. However, the lack of reliable surface passivation schemes has been slowing down the transition from silicon to Ge in these applications. Recently, Ge surface passivation has been addressed by depositing thin films which utilize field-effect passivation induced by a negative charge present at the Ge-dielectric interface. However, for some applications, presence of negative charge can be harmful and hence new materials need to be studied. In this work, plasma-enhanced atomic layer deposited (PE-ALD) silicon oxide (SiO2) is investigated as surface passivation material with potentially positive charge at the Ge-dielectric interface. This material was tested by comparing HCl and HF precleaned n-type Ge samples with 10 nm of bare PE-ALD SiO2 followed by varying post-deposition anneal. Later, impact of the added 20 nm ALD aluminum oxide (Al2O3) capping layer was studied by depositing SiO2/Al2O3 stacks with varied SiO2 interlayer thicknesses. Surface passivation was evaluated by measuring effective minority carrier lifetime using photoconductive decay measurement. Also, the level of field-effect passivation was characterized by measuring the oxide charge present at deposited films. The results show that the bare SiO2 film provides as low as 10 cm/s surface recombination velocities for both precleanings after post-deposition annealing. Subsequent corona charging experiments indicated that these samples contained positive charge. SiO2/Al2O3 samples showed that by gradually increasing SiO2 interlayer thickness in the range of 1-20 nm, the charge polarity can be tuned between negative (ultra-thin SiO2) and positive (thicker SiO2). To conclude, PE-ALD SiO2 forms a positive fixed charge which can be used to effectively passivate n-type Ge surfaces. Also, the demonstrated charge engineering by stack structures can be seen as a valuable method to optimize Ge surface properties.Germanium nähdään lupaavana ei-pii materiaalina sovellutuksiin, joissa esimerkiksi kaivataan korkeampaa varauksen kuljettajien liikkuvuutta, sekä fotononien absorptiota pidemmille aallonpituuksille lähi-infrapuna-alueella. Kuitenkin luotettavien pintapassivointimetodien puute on osaltaan hidastanut siirtymistä piistä germaniumiin, näiden sovellutusten parissa. Vastikään germaniumin pintapassivointia on toteutettu käyttämällä eristeohutkalvoja hyödyntäen kalvon ja germaniumin rajapintaan muodostavan negatiivisen varauksen synnyttämää kenttävaikutteista passivointia hyödyksi. Tässä työssä tutkitaan plasmalla tehostetun atomikerroskasvatetun (eng. plasma-enhanced atomic layer deposition, PE-ALD) piioksidin (SiO2) soveltuvuutta mahdollisena positiivisen varauksen omaavana materiaalina germanium pintapassivointiin. Kyseistä materiaalia kokeiltiin n-tyypin germaniumille kasvattamalla sitä ensin 10 nm kalvo joko HCl tai HF esikäsitellyille näytteille, jonka jälkeen näytteiden jälkihehkutusta vielä muunneltiin. Tämän jälkeen mukaan lisätyn 20 nm paksun alumiinioksidivuorauksen (Al2O3) vaikutusta tutkittiin kasvattamalla SiO2/Al2O3 kerrosrakenteita eri paksuisin piioksidikerroksin. Pintapassivointia arvioitiin mittaamalla efektiivistä varauksenkuljettajan elinaikaa fotokonduktanssin vaimenemismittauksella (eng. photoconductive decay, PCD). Lisäksi kenttävaikutteista passivointia arvioitiin mittaamalla kokonaisvarauksen määrää kasvatetuissa kalvoissa. Tuloksista nähtiin, että pelkkä piioksidi kykeni saavuttamaan niin alhaisia pintarekombinaationopeuksia kuin 10 cm/s molemmilla kemiallisilla esikäsittelyllä, sopivan jälkihehkutuksen jälkeen. Myöhemmät koronavarauskokeet indikoivat näytteiden omaavan positiivisen varauksen. Kokeet SiO2/Al2O3 kerrosrakenteilla osoittivat, että varauksen polariteettia voidaan muuttaa negatiivisen (ohut SiO2) ja positiivisen (paksu SiO2) välillä hiljalleen piioksidivälikerroksen paksuutta kasvattamalla välillä 1-20 nm. Nämä tulokset osoittivat PE-ALD piioksidin muodostavan positiivisen sidotun varauksen, jota voidaan hyödyntää n-tyyppisen germaniumin pintapassivointiin tehokkaasti. Lisäksi voidaan todeta menetelmän potentiaalin mahdollistaa pinnan läheisyydessä olevan varuksen hienosäädön, mikä näyttäytyy arvokkaana työkaluna germaniumin pintaominaisuuksien optimoinnissa.Description
Supervisor
Savin, HeleThesis advisor
Vähänissi, VilleKeywords
Germanium, surface passivation, oxide charge, atomic layer deposition, silicon oxide, charge engineering