Processos litográficos em filmes epitaxiais de compostos IV-VI para medidas Hall e o estudo da dopagem do telureto de chumbo com flureto de bário

• Ano de defesa: 2009
• Autor(a) principal: Úrsula Andréia Mengui
• Orientador(a): Eduardo Abramof, Antonio Yuki Ueta
• Banca de defesa: Nelson Veissid, Valmir Antonio Chitta, Gustavo Soares Vieira
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
• País: BR
• Resumo em Inglês: The first part of the work dealt with the application of lithographical techniques to fabricate Hall geometry of IV-VI films grown on (111) BaF_2 substrates. A previous study of In diffusion in PbTe films confirmed the viability of using In as a metallic contact. During the lithographic process, some solutions were implemented to resolve the problems generated by the cleavage steps and mechanical fragileness, inherent to the BaF2 substrate. Two sets of Hall geometry masks were projected and fabricated according to the ASTM (76-84) norm. The first set was dedicated to fabricate eightcontact Hall geometry with small pads, aiming soldering with automatic bonders, and the second set was designed for six-contact Hall geometry with larger pads to allow manual soldering. The optimal parameters for the different lithographic processing steps, including preparation, sample cutting, mounting on Si wafer, IV-VI film chemical etching, contact windows opening, metallic contact deposition, removal of metallic films by lift off or chemical etching were determined. In general, the results of the different photolithographic levels were satisfactory. The comparison between the electrical measurements performed on van der Pauw samples, prepared without lithography, and Hall geometry samples of the same PbTe film proved that the lithographic processes have no significant influence on the measurement of electrical properties of the film. The second part of the work was dedicated to the study of PbTe doping with BaF_2, in order to obtain an alternative extrinsic p-type dopant for PbTe. For this purpose, a series of PbTe layers with nominal doping level from 0.02% to 10% were grown by molecular beam epitaxy. The electrical measurements results showed that the hole concentration increases from 5×10^17 to 1×10^19 cm^-3 as the BaF_2 doping level raises from 0.02% to 0.4%, and saturates at p ~ 10^19 cm^-3 for higher doping levels. Self compensation is probably responsible for the saturation effect, due to the increase in defect density observed for the highest doped samples. The fact that the carrier concentration remains almost constant as the temperature varies from 10 to 350 K for all PbTe:BaF_2 samples suggests that the impurity level stays resonant with the valence band, similar to the native defects behavior. The mobility versus temperature curves demonstrated that, for temperatures higher than 80 K, the lowest doped samples follow approximately the optical phonon scattering curve (μ ~ T^-5/2) and, as the doping level is raised, the mobility deviates from this limit to the μ ~ T^-3/2 line. The results of the x-ray diffraction and atomic force microscopy analysis showed that PbTe layers remains with a relatively good crystalline quality even for doping levels up to 1%. For doping higher than 2%, the results indicated that the structural quality of the PbTe films becomes worse.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/08.26.19.26

A primeira parte do trabalho consistiu na implementação de técnicas de litografia para a fabricação da geometria Hall em filmes IV-VI crescidos sobre substratos de BaF_2 (111). Um estudo prévio da difusão do In em filmes de PbTe mostrou a viabilidade da utilização do In como contato metálico. Na realização dos processos litográficos, várias soluções foram implementadas para resolver os problemas gerados pelos degraus de clivagem e a fragilidade mecânica, inerentes ao BaF_2. Dois conjuntos de máscaras para geometria Hall foram projetados e fabricados segundo as normas ASTM (76-84). O primeiro conjunto destinou-se à fabricação de uma geometria Hall de oito contatos com pads pequenos visando soldas com soldadora automática, e o segundo foi desenhado para uma geometria Hall de seis contatos com pads maiores para a realização da solda artesanal. Os parâmetros ótimos das diversas etapas dos processos litográficos contemplando a preparação, corte da amostra, fixação em lâmina de silício, corrosão do filme de compostos IV-VI, procedimentos para aberturas de janelas, deposição dos contatos metálicos e remoção dos filmes metálicos por lift off ou corrosão química foram determinados. De um modo geral, os resultados dos diferentes níveis de fotogravação foram satisfatórios. A comparação das medidas elétricas entre amostras de um mesmo filme de PbTe preparadas na geometria van der Pauw, sem litografia, e na geometria Hall mostrou que o processamento litográfico aplicado para a fabricação da barra Hall não apresenta nenhuma influência significativa na medida das propriedades elétricas do filme. A segunda parte do trabalho foi dedicada ao estudo da dopagem de filmes de PbTe com o BaF_2, visando obter um dopante extrínseco alternativo do tipo-p para o PbTe. Com este propósito, uma série de filmes de PbTe com nível de dopagem nominal entre 0,02% e 10% foi crescida por epitaxia de feixe molecular. Os resultados das medidas elétricas mostraram que a concentração de buracos aumenta de 5×10^17 a 1×10^19 cm^-3 com a elevação do nível de dopagem de BaF2 de 0,02% a 0,4%, e satura em p ~ 1019 cm^-3 para dopagem com níveis mais altos. O fenômeno de auto-compensação é provavelmente responsável pelo efeito de saturação, dado o aumento da densidade de defeitos observado para as altas dopagens. O fato da concentração de portadores se manter praticamente constante para temperaturas entre 10 e 350 K para todos os filmes de PbTe:BaF_2 sugere que o nível de impureza permanece ressonante com a banda de valência, semelhante ao comportamento dos defeitos nativos. As curvas de mobilidade versus temperatura mostraram que, em temperaturas maiores que 80 K, as amostras com os menores níveis de dopagem seguem aproximadamente o comportamento do espalhamento por fônons óticos (μ ~ T^-5/2) e, assim que o nível de dopagem aumenta, a mobilidade das amostras desvia deste limite para a linha de μ ~ T^-3/2. Os resultados da difração de raios X e da microscopia de força atômica mostram que as camadas de PbTe permanecem com uma qualidade cristalina relativamente boa mesmo para dopagens de até 1%. Para níveis de dopagem acima de 2%, os resultados indicam um comprometimento da qualidade estrutural e morfológica dos filmes de PbTe.