接著由於 V (r) 與 E 通常有著相同的數量級，所以得到
Chapter 5 樣品分析
5.2 護環效應
5.2.2 倍增層厚度
5.2.2.1 元件結構與預期結果
此系列元件的結構最為簡單，沒有任何護環，而只有主動區，為元件設計表
（5.1）中，Y 座標為 8 與 9 的設計圖樣，其具體結構變化依序如圖（5.5）所示。
其擴散輪廓與電流密度模擬依序如圖（4.5）與圖（4.8）所示，為最單純的平面結 構。此外，雖然圖（4.6a）為擊穿電壓與崩潰電壓與倍增層厚度之模擬結果，但該 模擬所使用的磊晶結構為原先設計之磊晶結構圖（4.13），而非由磊晶廠提供的實 際樣品磊晶結構圖（5.3）。而由圖（5.3）中磊晶結構模擬得出的擊穿電壓、崩潰 電壓與倍增層厚度的關係如圖（5.6）所示。
(a) Y 座標為 8 之小電極與擴散輪廓變化圖
(b) Y 座標為 9 之大電極與擴散輪廓變化圖 Figure 5.5: 元件結構圖
元件結構圖（5.5）中顯示了兩組設計，Y 座標為 8 之設計為小電極設計，而 Y 座標為 9 之設計為大電極設計，兩者差別僅在於金屬電極是否有超過中央區之 擴散。此外，這兩組設計之中央主動區光罩開口寬度皆為 240 µm，然而由於鋅除 了向下擴散以外，也應會向兩側擴散，所以無法確定金屬電極下方所佔之鋅擴散 比例。圖中 A、B 與 C 三點為可能的擊穿與崩潰電壓發生位置，綠色表示發生擊 穿位置，紅色表示發生崩潰位置。理想擴散具有水平對稱性，所以 A 與 C 之電性
(a) 各電性與倍增層厚度的關係 (b) 崩潰電壓對擊穿電壓的理論模擬關係 Figure 5.6: 以實際樣品磊晶結構模擬的擊穿電壓、崩潰電壓與倍增層厚度之關係
應完全相同。而不論電極設計為何，依據圖（5.6）之預測，A、B 與 C 三點應該 同時擊穿下方電荷層，至於崩潰則應該是邊緣之 A、C 兩點先發生，再來才是中 央區 B 點發生崩潰。
此外，元件設計表（5.1）中的 x 座標為 (1, 2, 3) 以及擴散為 (1, 2, 1&2) 指的 是，元件製作時經歷的擴散道次。也就是說，x 座標為 1 的元件只有經歷第 1 次 擴散，x 座標為 3 的元件則依序經歷了第 1 次與第 2 次擴散，使其鋅擴散較深，
倍增層較薄。元件結構圖（5.5）即呈現了擴散深度依 x 座標遞增順序而應有的變 化。
5.2.2.2 量測結果
由於時間有限，因此我僅隨機挑選數個元件量測電性，如圖（5.7）所示，圖 中黃圈為已量過的元件。
Figure 5.7: 量測元件分佈圖，黃圈為已被量測過的元件。
圖（5.8）為 I-V 量測結果，可以看見幾乎所有元件在 5 V 內即崩潰，此現象 是模擬電性圖（5.6）所不預期的。其短路原因可能是圖（5.5）中的電極附近有大
(a) 小電極元件之暗電流量測（Y 座標為 8） (b) 大電極元件之暗電流量測（Y 座標為 9）
Figure 5.8: 暗電流量測結果
量正電荷所造成的提前表面崩潰與漏電流。此正電荷可能來源為：
1. 圖（5.5）中深藍色部分的氮化物擴散壁上有殘餘正電荷。
2. 使用乾蝕刻挖出電極與鋅擴散區之接觸孔時，乾蝕刻氣體與 InP 或周圍的氮 化物反應生成正電荷。
Figure 5.9: 暗電流量測結果對量 測次序之變化
倘若是原有氮化物擴散壁上有殘餘正電 荷，那麼就無法解釋為何可於隨後其他元件量 測到正常電性，因此我推測比較有可能是乾蝕 刻造成之正電荷累積。除此之外，也可能是如 圖（4.8b）所示之表面崩潰，但是卻沒有在以實 際元件磊晶結構之模擬結果觀察到此現象。如 圖（5.6）所示，平面結構之邊緣崩潰電壓隨著 倍增層厚度遞增，而非圖（4.6a）所示的情況，
倍增層足夠厚時即開始發生表面崩潰。
除此之外，我也觀察到量測次序對結果之 影響，如圖（5.9）所示，各條同色曲線表示不
同的量測次序。以紫線代表之 4933 元件為例，第一次量測時之暗電流，在 5.6 V 時發生崩潰。這時電流並沒有爆增至 100 µA，而是暴增約 100 倍至 10 nA 後，即 較緩慢地上升，隨後又在 41 V 崩潰。第二次量測時變成於 0.77 V 崩潰，並且電
流直接爆增至 100 µA。由於並沒有在其他元件量測中觀察到此現象，所以排除了 探針因素，推測應為電極附近有顯著電荷積累現象所導致。綜上所述，上述數據 無法觀察倍增層厚度效應，我認為比較有可能使元件提前崩潰的原因是，電極製 程使得電極附近有殘餘正電荷，而這些殘餘正電荷進一步造成提前崩潰，我將在 第5.4.2節詳細說明表面漏流理論、模型與模擬結果。
5.2.3 主動區直徑
5.2.3.1 元件結構
如元件結構圖（5.10）與圖（5.11）所示，此為設計表（5.1）中 Y 座標為 4、
6、7 的元件，其中 Y 為 4 之元件因為先擴散直徑較小的主動區，再擴散直徑較大 的側護環，所以其側護環較 Y 為 6、7 之元件為淺。這幾組元件有側護環也有懸 護環，其中除了主動區直徑有所不同以外，其餘幾何結構皆相同。圖中也標示了 與 InP 接觸之電極位置、氮化物上方的金屬電極位置等。
Figure 5.10: 側護環較淺的元件結構圖（Y 座標為 4），圖中 A 至 G 點為可能的擊 穿與崩潰發生位置。
Figure 5.11: 側護環較深的元件結構圖（Y 座標為 6 與 7），圖中 A 至 G 點為可能 的擊穿與崩潰發生位置。
5.2.3.2 量測結果
目前已量測之元件如圖（5.12）所示，由於元件數量繁多，所以在此僅呈現 部分元件電性結果，如圖（5.13）所示。從圖（5.13）可見主動區直徑為 1600 µm 的元件都已損毀，沒有正常電性。50 µm 與 200 µm 元件則有異常的提前擊穿現 象，甚至還有嚴重漏電流的淺側護環（Y 為 4 區）之 200 µm 元件，詳見第5.4.2節 之分析。
(a) Y 為 4 區（淺側護環） (b) Y 為 6、7 區（深側護環）
Figure 5.12: 量測元件分佈圖，黃圈為已被量測過的元件。
(a) Y 為 4 區（淺側護環） (b) Y 為 6、7 區（深側護環）
Figure 5.13: 電流量測結果，Y 為 4、6、7。
5.2.3.3 暗電流比例
除了主動區面積以外，其餘結構尺寸完全相同，所以推測此系列元件的暗電 流應與側護環面積成正比。為了比較暗電流與主動直徑的關係，我們挑選幾組電 性較正常的量測結果來分析，並且在不同偏壓下取電流對直徑做對數圖，依序如 圖（5.14）、圖（5.15）與圖（5.16）所示。
(a) Y 為 4 區（淺側護環） (b) Y 為 6、7 區（深側護環）
Figure 5.14: 較有參考價值的 I-V 電性比較
Figure 5.15: 暗電流與直徑的關係，Y 為 4 區（淺側護環）
假設電流 I 與直徑 D 之關係為：
I = π (D/2)2Jbulk+ πDJsurface (5.1)
那麼在相同偏壓下，不同直徑 D 之元件電流應有著如下關係：
log10(I)≈
log10(D) + log10(πJsurface) , if surface leakage dominates
2 log10(D) + log10 (π
4Jbulk
)
, if bulk current dominates
(5.2)
從圖（5.15）與圖（5.16）可見，這些元件的暗電流基本上都是以表面漏電流為
Figure 5.16: 暗電流與直徑的關係，Y 為 6、7 區（深側護環）
主，全對數圖斜率都約為 1，其電流密度大的區域大多是沿著元件的圓柱表面。
此外，以深側護環（Y 為 6 與 7）之擊穿前電流而言，半徑越小，其斜率逐漸由 1 轉變為 1/3，也就是有著 I ∼ D1/3 的關係，不過擊穿後就沒有如此關係。一個可 能的解釋為，50 µm 元件在擊穿之前的暗電流機制與其他元件不同，除此之外皆 相同。然而我目前並沒有想到之所以如此的進一步可能原因。
5.2.3.4 擊穿、崩潰與降電流電壓
Figure 5.17: Y 為 4 區之擊穿、崩潰與降電流電壓 統計圖，右下圖為各直徑的平均電性 分佈趨勢。
如元件結構圖（5.10）與 圖（5.11）所示，雖然可能的 擊穿位置為 A 至 G 點，但是因 為側護環下方的倍增層厚度約 為 1.8 µm，而根據圖（5.6），
其 對 應 擊 穿 電 壓 約 為 80 V，
所 以 在 元 件 崩 潰 前 可 能 不 會 觀 察 到 護 環 擊 穿 現 象， 詳 見 第5.4.4節。也就是說，只有元 件結構圖中的 C、D、E 點可能 發生擊穿。
除了擊穿電壓與崩潰電壓 以外，我們從圖（5.13）也有
Figure 5.18: 擊穿、崩潰與降電流電壓統計圖。這裡僅有直徑為 50 µm 至 800 µm 的元件數據，至於 1600 µm 元件則有嚴重漏電流現象而無法量測。此 外，右下圖為各直徑的平均電性分佈趨勢。
看見提前擊穿現象，我將此命名為 Vpt2，也可從圖（5.14b）的光電流觀察到 崩潰前的電流下降現象，我將電流開始下降的電壓命名為「降電流電壓」，Vr
（reduced-current voltage），量測統計結果如圖（5.17）與圖（5.18）所示。圖中為 上述四種電壓對元件於晶圓上的水平 X 座標作圖，最後再將各直徑元件各電壓的 平均值與標準差對直徑作圖。
由圖（5.18）可觀察到擴散均勻性應該不錯，各電壓大致都與水平 X 座標無 關。然而，擊穿電壓卻隨著直徑遞增；擴散光罩開口直徑越小，擴散越深，使 得倍增層厚度更小，擊穿電壓越小。從圖（5.18）來看，雖然最大與最小的擊 穿電壓則有將近 10 V 的落差，但若以圖（5.6）中的擊穿電壓與倍增層厚度模 擬來看，其實擴散深度大概也僅差了約 0.12 µm，並不是很顯著。並且，不論 側護環深度為何，崩潰電壓分佈大致上也與直徑無關。倘若元件游離係數介於 Cook [103] 與 Taguchi [108] 所量數據之間，那麼此現象也與圖（5.6）中，擊穿電 壓位於 25− 35 V 範圍內的崩潰電壓分佈一致。最後，除了 800 µm 元件，其他的 元件都有觀察到崩潰前的降電流現象，詳見第5.4.4節的分析。至於提前擊穿現象 則隨機分佈。由於側護環下方之 InP 相當厚，所以提前擊穿現象不可能是側護環 所導致，其中一個可能是電荷層磊晶時的不均勻所造成，詳見第5.4.3節。