內部增益

J. C. Carrano [35,36]等人於1998年，提出一個有關於陷阱幫助穿透機制

(trap-asisted tunneling mechanism)的理論，其模型如下圖 2-4-1，氮化鎵(GaN)半導體 表面及靠近表層內部含有許多缺陷(defects)造成陷阱(traps)的能態(states)，它們認為 這些陷阱的能態可以幫助電子的傳導，然而其電子傳輸機制可歸類為下列四種：

(1)如圖2-4-1之傳輸過程(1)，電子可以就由穿透(tunneling)跑到蕭特基能障(Schottky barrier)有空位(available)的能態上。

(2)經過傳輸過程(1)，電子隨後可能再穿透(tunneling)過能障到達導電帶(Ec)。

(3)完成傳輸過程(1)後，電子可能受熱能等量激發，而向上跳躍至更高且如階梯般 (ladderlike)的能態位置上。

(4)在低偏壓下，電子比較傾向於落回金屬端，比較不傾向熱激發到導電帶或是穿透 (tunneling)過能障。

這代表著內部增益(internal gain)現象與半導體的表面狀態有關，表面缺陷多的樣品，其 做成的金半金(MSM)光偵測器，就有可能顯示內部增益(internal gain)的現象。

在連續測量暗電流的實驗中，我們發現電流值會愈量來愈低，對此現象於文獻上的說

明相符。當我們在第一次測量暗電流之前，MSM 介面的陷阱能態有許多都是空的，尚未被 樣持續或持久的光電流傳導(persistent photoconductivity;PPC)現象，於J. C. Carrano 等人於提出的＂陷阱幫助穿透機制＂的理論下可以合理解釋其中的成因。當光偵測器元件 照完光後的電流大幅增加，應該是當 MSM 照光，其介面的能態上的電子大部分被激發了，

於是形成大量未被填滿的能態，當照光停止後，電子就遇見非常大量未填電子的能態 (states)，所以光剛被關閉的瞬間之暗電流最大，接著能態(states)就逐漸被電子填滿，

而暗電流也逐漸下降。

此外，我們將對光傳導的增益機制(photoconductive gain mechanism)加以說明，通 常是在光傳導光偵測器(photoconductive detectors)會發生此種現象[32]，是由於每照一 個光子後所產生的電子數目不只一個，而產生額外的光電流所導致。現在我們假設有一個 光傳導光偵測器，其電極兩端皆為歐姆接觸，當有一個光子射入其內部時，光偵測器的反 應如圖 2-4-3，首先電子電洞的漂移(drift)方向如圖 2-4-3 之(a)所示，電子的漂移速度 遠遠比電洞快，因此馬上就離開樣品到正電極端，可是此時電洞尚未到達負電極或與電子 結合，而為了維持電中性，所以另一顆電子會從負電極端流出(電極為歐姆接觸)以維持電 中性如圖 2-4-3 之(b)所示，同樣的電子很快的漂移向正電極如圖 2-4-3 之(c)所示，而 電洞繼續緩慢的向負極漂移，接著重複如此步驟如圖 2-4-3 (d)(e)所示，直到電洞到達負 電極或與一電子結合為止，因此每一個光子換來許多電子的流動，如此造成有增益的現象，

而此增益與載子的漂移時間(drift time)及結合時間(recombination time)有關。

然而此增益ΓG的定義以及與載子的漂移時間和結合時間實際的關係式如下 ΓG =(單位時間在外部電路流動的電子個數/單位時間由光激發產生的電子個數)

⎟⎟ ⎠

表2-2-1 氧化鋅基本特性[1]

圖 2-1-1 孔洞大小與陽極處理電壓關係[14]

圖 2-1-2 不同電解液搭配不同電壓獲得之孔洞大小 (a) 0.3 M (1.7 wt%)硫酸、溫度10°C、電壓25 V, (b) 0.3 M (2.7wt %)草酸、溫度1°C、電壓40 V, (c) 10 wt %磷酸、溫度3°C、電壓160 V[14]

圖(a)

圖(b)

圖 2-1-3 陽極氧化鋁結構示意圖，(a)AAO 立體圖，(b)AAO 結構圖 [15]

不規則排列膜 規則排列膜 圖 2-1-4 規則排列摸和不規則排列膜比較圖[16]

圖 2-1-5 光子晶體應用於光波導設計 [21]

圖 2-1-6 自我複製性結構圖[22]

A. 在鋁表面上形成ㄧ層很薄且均一性佳的阻障層。

B. 因為阻障層的體積膨脹造成氧化層表面變的不規則，當表面開始變的不規則，就會造 成電場密度不均勻化。

C. 在凹陷處的電場密度就會慢慢增加，使微孔洞開始在凹陷處聚集，，於膜面產生最初 始的孔洞。

D. 在穩定成長下，孔洞的數目達到固定，但孔洞的深度仍舊快速的增加。

圖 2-1-7 陽極處理過程中電場分布變化[26]

圖 2-1-8 陰、陽離子在陽極傳遞的情形[25]

圖 2-2-1 氧化鋅(ZnO)晶格結構[28]

圖 2-2-2 蒸鍍系統示意圖

圖 2-2-3 薄膜沉積步驟的分解圖，(a)成核，(b)晶粒成長，(c)晶粒聚結，

(d)縫道填補，(e)沉積膜的成長。[29]

圖 2-3-1 光傳導光偵測器示意圖 [32]

圖 2-3-2 光偵測器光響應度實驗裝置示意圖。

圖 2-4-1 缺陷幫助穿隧理論之模式示意圖[34,35]

圖 2-4-2 氧化鋅光導型光偵測器之 PPC 現象[11]

圖 2-4-3 光導元件照光的載子傳輸過程示意圖[36]

圖 2-5-1 各種缺陷結構之示意圖，其中實心圈為外來原子(impurities)[36]

圖 2-5-2 電子電洞在能隙間及缺陷形成的能量位置之間捕抓及發射過程的示意圖[36]