Atomic Force Microscopy-based Micro- / Nano-Scale Patterning and Analysis of Silicon Carbide
저자
발행사항
서울 : 광운대학교, 2010
학위논문사항
Thesis(Master)-- 광운대학교 : 전자재료공학과 2010. 2
발행연도
2010
작성언어
영어
주제어
DDC
621
발행국(도시)
대한민국
형태사항
; 26cm
일반주기명
지도교수 :Sang-Mo Koo
소장기관
탄화규소 (SiC)는 높은 열전도성, 화학적 비반응성, 항복 전압을 갖는 고에너지밴드갭 반도체이다. 그뿐만이 아니라 탄화규소는 열산화가 성장가능한 유일한 화합물 반도체 중 하나이다. 그러므로 탄화규소는 고압, 고온, 고주파 등의 여러가지 중요한 응용분야에서 각광받고 있다. 최근 원자힘현미경 (atomic force microscopy)을 근간으로 하는 리쏘그래피 기술은 실리콘 표면의 국소산화 (local oxidation)에서 유용함을 보여주고 있다. 지금까지 딥-펜 나노 리쏘그래피 (dip-pen nano lithography), 국소양극산화 (local anodic oxidation)와 다른 기술들은 복합적인 나노구조물의 표면 변경을 위해 발전해왔다[1, 32]. 그러나 원자힘현미경으로 특히, 4H-탄화규소 표면패터닝을 조사한 연구는 보고되지 않았다. 탄화규소와 같은 고에너지밴드갭 물질의 원자힘현미경 국소산화 (AFM-LO)는 물리적 강성과 화학적 비반응성으로 인해 일반적으로 매우 어렵다. 여기서는 가열, 화학약품, 광조사 등이 필요없는 발전된 4H-탄화규소의 원자힘현미경 국소산화를 보고한다. 높게 도핑된 (~ 1019 cm-3) 탄화규소에 ~ 100 nN 정도 증가시킨 탐침의 인가하중 (loading force)은 음이온 (OH-) 이동을 위한 전계를 충분히 높게 생성시켜 (~ 107 V/cm) 4H-탄화규소에 산화생성 (~ 16 nm) 을 일으킨다. 2차원 시뮬레이션으로 탐침과 시료 구조물의 도핑농도와 전계분포를 분석했다. 또한 다양한 면방향 (a-, m-, and c-plane)과 스캔속도 (~ 1 ~ 8 μm/s) 조건에서 국소산화생성을 연구했다.
추가적으로 켈빈탐침력현미경 (Scanning Kelvin Probe Microscopy)을 이용하여 나노크기의 패턴된 탄화규소 구조물의 표면전위와 표면형태를 측정하였다. 측정된 결과는 백금 (Pt)으로 도금된 탐침을 사용했다. 표면에서 자동적으로 측정된 전위차이는 물질의 본질적인 (intrinsic) 일함수가 아닌 표면의 국소적인 전자밀도를 반영하는 것으로 가정되었다. 나노크기로 패턴된 탄화규소 산화 구조물의 일함수 는 본래의 탄화규소 표면의 일함수보다 낮은 것을 알 수 있었다. 이러한 결과로 산화물 / 탄화규소의 일함수와 장벽높이 차이를 확인할 수 있다.
Silicon carbide (SiC) is a wide band gap semiconductor which reveals high thermal conductivity, chemical inertness and high breakdown. In addition, SiC is the only compound semiconductor on which thermal oxide can be grown. Therefore SiC has advantages for many important applications such as high power, high temperature, and high frequency applications. Recently, atomic force microscopy (AFM)-based lithography has been shown to be useful in local oxidation of Si surface. So far, dip-pen nano lithography, local anodic oxidation, and other techniques have been evolved to modify the surface of complex nanostructures [1, 32]. However, there has been no report which specifically examines the surface patterning of 4H-SiC by AFM. Atomic force microscopy-based local oxidation (AFM-LO) of wide bandgap semiconductors, such as SiC, is extremely difficult in general, mainly due to their physical hardness and chemical inactivity.
Here, we report strongly enhanced AFM-LO of 4H-SiC at room temperature without the necessity of using heating, chemicals or photo-illuminations. It is demonstrated that the increased tip loading force (~100 nN) on a highly-doped (~ 1019 cm-3) SiC can produce a high enough electric field under the cathode tip (~ 107 V/cm) for transporting oxyanions (OH-) and thereby leading direct oxide growth (up to ~ 16 nm) on 4H-SiC. The doping concentration and the electric field profile of the tip-SiC sample structures have been further examined by 2-dimensional numerical simulations. Moreover, we investigated the local oxide growth on 4H-SiC for various plane orientations (a-, m-, and c-plane) and scan speeds (~ 1 ~ 8 μm/s). In addition, the surface potential and topography distributions of nano-scale patterned structures on SiC were measured at a nanometer-scale resolution using a scanning kelvin probe force microscopy (SKPM). The measured results were calibrated using a Pt-coated tip. It is assumed that the atomically resolved surface potential difference is not originated from the intrinsic work function of the materials but reflects the local electron density on the surface.
It was found that the work function difference of the nano-scale patterned oxide structures on SiC is lower than that of original SiC surface. The results confirm the concept of the work function and the barrier heights of oxide structures / SiC structures.
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