場效電晶體(field effect transistor)理論

電晶體的基本作用乃是藉由跨降在元件兩個端點的外加電壓來控制另一個 端點的電流，若連同其他電路元件，則能夠得到電流增益、電壓增益及訊號–功 率增益的效果，雙極性電晶體、金屬–氧化物–半導體場效電晶體及接面場效電晶 體是三種最基本的電晶體，而本次實驗與金屬–氧化物–半導體場效電晶體原理相 同。

金屬–氧化物–半導體場效電晶體(Metal–Oxide–Semiconductor Field–Effect Transistor， MOSFET)的主體如圖 3.1 之中所顯示的金屬–氧化物–半導體電容器，

當在電容上外加一個電壓時，在半導體之中接近氧化物–半導體界面的能帶將會 彎曲。在氧化物–半導體界面處，傳導帶及價帶相對於費米能階的位置是 MOS 電容器電壓的一個函數，因此我們能夠藉由外加適當電壓而將半導體的表面特性 由p 型反轉成 n 型，或者由 n 型反轉為 p 型，MOSFET 的操作及特性乃由半導 體表面處的這種反轉，以及所產生的反轉電荷密度所決定。

此當

洞的 um efficienc

3.19

在外部電路量到的光電流I 是每秒鐘到達電極兩端的電子流動，則每秒鐘被收 集的電子數目為I ⁄ 。假設P 是入射光功率，那麼每秒鐘的光子數目為P ⁄ ，e 則量子效率η可以被定義成

η I ⁄e

P ⁄ ν 3.20 式 但並不是所有被吸收的光子都能產生自由電子電洞對而被收集，一些電子 電洞對可能藉由復合而消失，對光電流並沒有貢獻，因此元件的量子效率總是小 於1。此外，量子效率與半導體的吸收係數和元件有關，降低半導體表面的反射，

增加捕捉電子電洞對的效率和避免電子電洞再被收集前就復合，都可以增加量子 效率。

對光的響應率(responsivity)R，定義為在某特定波長，每入射光功率(P )產生的光 電流(I )

R 光電流 A 入射光功率 W

I

P 3.21 式 從量子效率的定義得到

R η e

ν ηeλ

c 3.22 式 由方程式3.22 可知η與波長有關，因此響應率與波長有關，此外 R 又可稱為光譜 響應率(spectral responsivity)或是輻射靈感度(radiant sensitivity)。

參考文獻：

[1] S. M. Sze, Semiconductor Devices Physics and Technology 2nd ed.

[2] D. A. Neamen, Semiconductor Physics and Devices 3th ed.

[3] S.O. Kasap, Optoelectronics and Photonics-principle and practices

第四章 實驗

為了瞭解磷化銦奈米線電子元件的特性，我們必須使用許多儀器輔助和學習 製作奈米元件的技術，因此本章節主要分為兩部份，第一部分主要介紹實驗時所 需要的儀器及其操作技術，第二部分介紹此次實驗的操作步驟。

4.1 實驗儀器及技術

製作完成一組磷化銦奈米線元件會使用到高溫加熱爐、掃描式電子顯微鏡、

熱蒸鍍機和低溫致冷器，本小節會依序介紹這些儀器結構與原理，最後在簡單描 述電子束微影技術。

4.1.1 高溫加熱爐

本實驗使用的高溫加熱爐為Lindberg 出產之 1200 度單區管形爐，如下圖 4-1 所示

圖 4-1 高溫加熱爐示意圖

操作面板可供我們調整升溫速度、維持時間以及降溫速度，依樣品需求自動控制，

此加熱爐的機制為利用包覆在石棉之加熱線圈通電流加熱，且石棉可將溫度均勻 分佈，最高溫可達 1200℃。其構造簡單，用途十分廣泛是它的主要特色，可應 用於退火、淬火、回火、滲碳及滲碳氮化等。

本實驗主要應用在熱退火處理，搭配石英棒及石英管，使用機械幫浦和擴散

幫浦可做真空熱退火，亦可配合實驗所需通入氣體加以退火。

4.1.2 掃描式電子顯微鏡

電子顯微鏡主要是利用高加速電壓的電子束打擊樣品後，產生的二次訊號來 分析各種特性，而本次實驗所使用的掃描式電子顯微鏡為日本JEOL 公司出產，

依電子槍曝光源又可分為熱游離式(JSM-6380)和場發射式(JSM-7000F) ，前者是 加熱鎢燈絲至足夠高的溫度下，部分電子的能量足夠克服功函數而脫離金屬表面，

後者是利用陰極鎢絲尖端與陽極產生強大電場使電位障變小，電子可經隧道效應 而不必加熱即離開陰極，但是尖端鎢絲易氧化和被其他分子吸附而影響功函數，

所以需處在超高真空環境(壓力約在 10^-8torr)下操作，因其燈絲壽命較熱燈游離式 長且解析度較好，適合觀察較細部結構時使用。

圖4-2 為 JSM-6380 的示意圖，其原理為加熱鎢燈絲使電子克服功函數脫離 金屬表面，燈絲溫度可達2700K，隨運作時間增長，燈絲直徑會蒸發而減小，使 用壽命約為40-80 小時就會斷裂而需要重新更換，脫離金屬表面的電子再經加速 電壓形成電子束，其能量約 5~30 keV，先經由第一、第二電磁透鏡之聚焦，再 受電腦控制之掃瞄線圈、物鏡調整聚焦位置，使電子束打在樣品上產生二次電子 (secondary electrons)、背向散射電子(backscattered electrons)、歐傑電子(Auger electrons)、特徵 X 光、陰極發光(cathodoluminescence)…等，又因為二次電子屬 低能量電子且對樣品表面較敏感，故使用二次電子接受器接受二次電子訊號，並 放大傳回電腦處理而呈現影像。

JSM-7000F 之運作原理亦是如此，只是差別在電子束之形成方式及環境 真空度上，另外此機台不但可以偵測二次電子訊號，亦可偵測背向散射電子訊號，

而背向散射電子為入射之電子受到試片內原子核之散射作用，產生大角度之散射 最後逸出表面，因為其受原子核之影響較甚，故其訊號強度隨著樣品原子序的增 加而增加，因此可偵測其訊號得知樣品成分元素之分佈，但其受樣品表面之影響

較二次電子差，故若只觀察樣品表面時還是以二次電子訊號為主。

圖4-2 JSM-6380 示意圖 [1]

4.1.3 熱蒸鍍機

鍍膜技術可分為液相成膜法與氣相成膜法，而氣相成膜法又可分為利用化學 反應的方式在反應腔體內將氣體反應物生成固態的生成物，並沉積在樣品表面，

稱為化學氣相沉積法(chemical vapor deposition， CVD) ，若沒有經過化學反應，

固態反應物融化蒸發後直接沉積在樣品上則稱為物理氣相沉積法(physical vapor deposition， PVD) ，其中物理氣相沉積法又可因物理作用不同可分為熱蒸發蒸 鍍法、電漿濺鍍法、離子束濺鍍法三種，又熱蒸發蒸鍍法依不同的加熱方式可分 成電阻加熱式，電子槍加熱式及雷射加熱式；本次實驗使用熱蒸發蒸鍍法進行鍍 膜。蒸鍍機示意圖如圖4-3 所示，主要由真空系統及蒸鍍系統組成，在蒸鍍前必

旋轉樣品鈕 移動樣品位置

鎢燈絲(W filament) 

陽極(anode) 

第一聚焦透鏡(1st condenser lens) 

第二聚焦透鏡(2nd condenser lens) 

遮蔽孔徑(aperture)  掃瞄線圈(scan coils)  物鏡(objective lens) 

二次電子偵測器

(Secondary electron detector) 

) 

擴散幫浦 

(diffusion pump)  樣品(sample)

調整樣品高度

須先用機械幫浦將腔體粗抽至10^-2torr，再開啟渦輪幫浦抽至高真空 10^-6torr，在 真空環境中不僅可減少蒸發出的氣體與其他氣體碰撞的機會，使其能牢固且均勻 的吸附在樣品表現，亦可增加薄膜的純度避免發生氧化；而蒸鍍部分則是先在鎢 舟上放置欲鍍之材料，設定膜厚計的參數(膜厚計為石英震盪片，當氣化物質附 著在上時會改變其震盪頻率，由頻率的改變量對應厚度的變化量) ，再通高電流 經過鎢舟加熱欲鍍材料，使其從固體熔成液體再蒸發為氣體、待腔體真空鍍佳，

蒸鍍速率穩定，才開始擋板開始蒸鍍。

因為本次實驗的矽晶片表面是二氧化矽層，與鈦的附著力比金更好，故在蒸 鍍時會先鍍一層鈦再鍍金之薄膜，使金電極可以更加牢固，且鈦氣體可以吸附殘 留的空氣分子，具有清潔腔體及提高真空度的功用。

圖4-3 熱蒸鍍機示意圖

4.1.4 低溫致冷器 (cryostat)

低溫致冷器為主要控制樣品溫度致低溫及量取電性的儀器，其結構如下圖 4-4，原理為外在低溫環境與儀器內部加熱器所在的真空環境以輻射方式達成熱

平衡，再藉由內部接至外面的訊號線收集數據。

樣品載台為無氧銅所製，並包覆一層捲菸紙再塗上 Ge-vanish，使其具有導 熱不導電的特性，樣品外還有一層真空夾層，藉由機械幫浦和擴散幫浦抽至高真 空，減少熱傳導與熱對流，防止樣品層在低溫環境中會急速降溫而不容易控制；

載台上方有溫度感測器及加熱器，將低溫致冷器放入液態氮(~77K)環境中配合溫 度控制器 (本實驗採用 LakeShore 430)，就可以控制樣品在實驗所需要的溫度下 進行量測[3]。

圖4-4 低溫致冷器示意圖

4.1.5 電子束微影技術

一般常見的光微影是將設計好的電路圖形製成光罩，透過曝光機將圖形精確

的複製到上好光阻的晶圓上，再經由顯影、蝕刻等等得到想要的電路，但根據雷 利準則，R 解析度 λ⁄NA，其中NA 為數值孔徑可知解析度受限於光的波長，

半導體製程不得不採取更短波長的光源，或是調整數值孔徑來改善解析度。相對 於光微影，電子束微影的曝光源則是經過加速的電子，其物質波波長比一般光微 影使用的光源都還要小，因此具有更好的解析度，對數百奈米甚至數十奈米的線 寬，電子束微影都可輕易辦到，而且不須經過光罩，設計好圖形即可直接曝寫，

但缺點是曝光速度較慢、入射電子在電子阻劑內會有散射效應(scattering effect)、

電極設計過密時會有鄰近效應(proximity effect)，不過其所得之高解析度對於我 們製作奈米元件及定位上有莫大的助益。

電子束微影最後顯現出來的圖形會與曝光條件、電子阻劑成分、顯影液成分 及顯影時間有關，本次實驗用的電子阻劑其成分為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)，其特性在於高解析度(20 nm)、正電子阻劑、對白光反應 差以及可在室溫存放很久，很適合用來製作次微米電極。而顯影液成分為甲基異 丁基酮(methyl isobutyl ketone, MIBK）：異丙醇(isopropyl alcohol, IPA)= 1：3，再 觀測表4-1 所列，我們可以得知此種 MIBK：IPA = 1：3 之比例，將會使顯影出 來之圖形解析度達最高，且為了使顯影圖形不至於過顯，通常會控好顯影時間以 及顯影後立即用IPA 沖掉顯影液，最後用氮氣吹乾即可達到高解析度。

表 4-1 顯影液成分分析 [2]

4.2

uid-Solid 成

立大學賓漢

約 100~300 In、Sn、B

4.2.2 磷化銦奈米線元件製作及量測

由於實驗室已經研究製作奈米線元件一段時間，本節即簡單描述製作過程，

詳細製作奈米線的流程可以參考學長論文[5]。

詳細製作奈米線的流程可以參考學長論文[5]。