Si-puolijohdekiteen hapettumisen hallinta ja vaikutukset

Abstract

Puolijohdelaitteet ovat merkittävässä roolissa nykypäivän yhteiskunnassa. Puolijohdemateriaaleja, pääosin piitä, hyödynnetään elektroniikassa lähes kaikissa komponenteissa. Piistä valmistettavat mikroprosessorit ovat mahdollistaneet tietokoneiden ja puhelinten kehityksen. Valtaosa aurinkokennoista valmistetaan piistä. Se onkin ylivoimaisesti käytetyin puolijohdemateriaali. Piin kaikkia ominaisuuksia ei tunneta vieläkään täysin, joten sen tutkiminen on edelleen tärkeää. Uusilla löydöillä voi olla merkittäviä sovelluskohteita piin laajan hyödyntämisen vuoksi. Merkittävä kehityskohde ovat piin pinta- ja rajapintakerrokset, jotka reagoivat voimakkaasti ympäristön kanssa laitteiden valmistuksen aikana.

Tässä työssä tutkittiin Si-kiteen hapettumista UHV-tyhjiöolosuhteissa, jolloin löydettiin uusi materiaali: hapettunut pii, jolla on kiderakenne. Löytö poikkeaa merkittävästi aiemmista tuloksista, koska Si-kiteen hapettuneiden pintakerrosten on aiemmin havaittu olevan amorfisia, jolla ei siis ole kiderakennetta. Tässä työssä esitetään ensimmäistä kertaa kiteinen piioksidi ja todisteet uuden materiaalin löytymiselle. Oksidin kiteisyys osoitetaan STM- ja LEED-tuloksilla, ja oksidin muodostuminen osoitetaan XPS-, STS- ja MOSCAP-tuloksilla. Tutkielmassa selvitettiin kiteisen oksidin rakennetta, sekä sen elektronisia ja sähköisiä ominaisuuksia. Näiden perusteella sille pohdittiin mahdollisia sovelluskohteita laitteissa. Lisäksi kiteisen oksidin toimintaa todellisissa laitteissa selvitettiin MOS-kondensaattorikokein.

Kiteinen oksidi muodostaa Si-pintaan positiivisen varauksen, jota voidaan hyödyntää pinnan passivoimiseen. Pinnassa oleva positiivinen varaus työntää varauksenkuljettajia pois pinnasta syvemmälle kiteeseen, jolloin ne eivät pääse vuorovaikuttamaan pinnassa olevien vikatilojen kanssa. Kiteinen oksidi saattaa myös pienentää pinnan vikatilatiheyttä, mutta toistaiseksi tätä ei voida osoittaa selvästi, koska rajapinnan ominaisuuksiin vaikuttaa ainakin kaksi erilaista passivointi-ilmiötä. Pinnan passivointi muistuttaa field-effect passivation - ilmiötä, jossa pinnalla oleva ulkoinen varaus painaa varauksenkuljettajat vastaavasti pois kiteen pinnalta. Pinnan passivointi on merkittävä ongelma esimerkiksi aurinkokennoissa, joihin kiteinen oksidi voi tarjota ratkaisun. Lisäksi kiteistä oksidia voidaan hyödyntää muodostamaan hallitusti positiivinen varaus pintaan, jos se on laitteen kannalta tarpeellista. Kiteisen oksidin valmistamiseen vaadittavan UHV-tyhjiötekniikan soveltuvuutta teollisessa hyödyntämisessä on vielä selvitettävä.