實驗結果與分析

4-1 鋁/氧化鋁/鋁(Al/AlO

_X

/Al)穿隧接點的特性

為了更進一步探討接點電阻，本人的研究方向是設計一系列金屬/氧化層/金屬的 穿隧接點，接點面積為微米尺寸，以輝光放電技術控制氧化層氧化的程度，量測接點 電阻隨溫度變化的關係，分析其位壘厚度和高度;量測樣品在液氦溫度外加大偏壓下 的 I-V curves，理論預測有階梯的行為出現[5]。首先，利用兩次電子束微影技術和輝 光放電技術製作了 Al/AlOX/Al 穿隧接點(如圖 4-1-1)，接點面積為微米尺寸，我們量 測接點電阻之前，會先檢查鋁電極是否正常(短路)，表 4-1-1 列了一些樣品資訊。

圖 4-1-1 Al/AlO_X/Al 穿隧接點示意圖。

樣品 氧化條件 接點面積

(μm²)

室溫電阻

(GΩ) ^C (300K) (kΩμm²) Al_A 沒有製作氧化層 5×3 18.2 2.73×10⁸

Al_B 沒有製作氧化層 5×5 4 1×10⁸ Al_C 輝光放電:20 W 氧化 6 min 1×1 39.68 3.97×10⁷ Al_D 輝光放電:20 W 氧化 7 min 1×1 3.03 3.03×10⁶ Al_E 輝光放電:2 W 氧化 5 min 5×4 2.69 5.38×10⁷ Al_F 輝光放電:2 W 氧化 5 min 5×5 3 7.5×10⁷ Al_G 通氧 10 分鐘(P=0.4 torr) 5×5 28.5 7.1×10⁸ Al_H 通氧 10 分鐘(P=0.4 torr) 5×4 23.1 4.6×10⁸ 表 4-1-1 Al/AlOX/Al 樣品資訊。(其厚度條件均為 Al(300Å )/AlOX/Al(600Å ) )

C RC A

  

其中電阻是利用 I-V curves 線性區域的斜率得到，圖 4-1-2 和圖 4-1-3 為 Al_C 和 Al_D 樣品的 dI/dV - V 圖，而且為良好的拋物線圖形，因此可以根據第二章理論部 份(2.43 式和 2.44 式)分析其位壘的高度及厚度。

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006

dI/dV (S)

V (V)

圖 4-1-2 樣品 Al_C 在室溫的 dI/dV - V 圖。圓點為實驗值，實線則是用二次多項式 所擬合的曲線。利用 BDR model (2.43 式和 2.44 式)分析後其位壘厚度 d =15.3 Å 、 平均高度=2.74 eV、高度差  0.45 eV。

-0.5 0.0 0.5

0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.0014

dI/dV (S)

V (V)

圖 4-1-3 樣品 Al_D 在室溫的 dI/dV - V 圖。利用 BDR model (2.43 式和 2.44)式分 析後其位壘厚度 d =16.35 Å 、平均高度=2.21 eV、高度差=0.11 eV。

由於製程出來的 Al/AlOX/Al 穿隧接點的電阻都是 GΩ等級，恰好本實驗室有在 研究 Al/AlO_X/Y 穿隧接點的近藤效應，且 Al/AlO_X/Y 穿隧接點(相同接點面積)在室溫 分析出來的位壘厚度 d =16.85 Å ，平均高度 =0.88 eV，明顯比我製作的樣品的位 壘高度還低很多(如圖 4-1-2 和圖 4-1-3)，且製程方法都一樣，所以我們就開始製作 Al/AlO_X/Y 穿隧接點來研究接點電阻，使用鋁或釔都不影響我的研究，因為鋁或釔都 是當做電極用而已。而為什麼 Al/AlOX/Y 穿隧接點的接點電阻率比較小，我們給的解 釋是因為在蒸鍍釔的過程中，可能使少量的釔原子輕微擴散入氧化層中，導致 Al/AlOX/Y 穿隧接點的接點電阻率(specific contact resistivity)較小。

4-2 鋁/氧化鋁/釔(Al/AlO

_X

/Y)穿隧接點的特性

利用兩次電子束微影技術和輝光放電的技術製作 Al/AlOX/Y 穿隧接點，接點面積 為微米尺寸，量測接點電阻前必頇先檢查鋁電極和釔電極是否正常，5 μm 寬且 300 Å 厚的鋁電極電阻約 100Ω，5 μm 寬且 800 Å 厚的釔電極電阻約 600Ω。由於釔對矽基 板的附著力較差(釔鍍太厚，舉離時容易被掀掉)，我們又希望電極的電阻率低一點，

所以才鍍 800 Å 的釔。

圖 4-2-1 Al/AlOX/Y 穿隧接點示意圖。

4-2-1 樣品資訊及實驗數據

樣品 氧化條件 接點面積

(μm²)

室溫電阻

(kΩ) ^C (300K) (kΩμm²) Y_A 輝光放電:4 W 氧化 10 min 5×5 381 9.52×10³ Y_B 輝光放電:4 W 氧化 10 min 5×3 1480 22.2×10³ Y_C 輝光放電:4 W 氧化 20 min 5×5 1600 4×10⁴ Y_D 輝光放電:4 W 氧化 20 min 5×5 3000 7.5×10⁴ Y_E 輝光放電:4 W 氧化 20 min 5×3 6000 9×10⁴ Y_F 輝光放電:4 W 氧化 30 min 5×5 435 1.09×10⁴ Y_G 輝光放電:4 W 氧化 30 min 5×5 705.8 1.76×10⁴ Y_H 輝光放電:4 W 氧化 30 min 5×3 920 1.38×10⁴ Y_I 20×20 19 7.6×10³

Y_J 20×25 12 6×10³

表 4-2-1 Al/AlO_X/Y 樣品資訊(其厚度條件為 Al(300Å )/AlOX/Y(800Å ) )。其中 Y_D , Y_ F , Y_H 樣品有降溫量測，Y_I , Y_J 樣品是賴祐仁學長製作和量測的。_C R_CA

由於我們是使用兩次電子束微影技術，所以在接面處可能會有電子阻劑殘留的問 題，又知道利用輝光放電的技術可以侵蝕電子阻劑，因此利用輝光放電成長氧化層時，

氧離子會先侵蝕接面處的電子阻劑，再與接面處的鋁反應生成氧化鋁，而每次透過電 子束曝光和顯影，電子阻劑所殘留的量並不一樣，所以氧化的時間愈久，接點電阻率 不一定愈大。

我們知道 Al/AlOX/Y 穿隧接點會有近藤效應，但若氧化層厚一點，電子與磁性雜 質(Y)的交互作用變弱，就沒有近藤效應，所以我故意讓氧化時間久一點，目的就是 希望氧化層厚一點以至於沒有近藤效應的出現。

0 100 200 300 2500

3000 3500 4000

R(Ohm)

T(K)

圖 4-2-2 Al/AlOX/Al 的 R - T 圖。此為洪舜治學長的數據[4]。其製作條件為 Al(250Å )/AlO_X/Al(600Å )，接點尺寸為 1 mm × 0.5 mm。

0 50 100 150 200 250 300

3.2 3.6 4.0

R ()

T (K)

0.0 0.2 0.4

3.2 3.6 4

R ()

1/T (1/K)

圖 4-2-3 樣品 Y_D 的 R - T 圖。其接點面積為 25 μm²， 小圖為 Y_D 樣品 log R 與 T^1的關係圖。

0 50 100 150 200 250 300

0.00 0.08 0.16 0.24

1000

0 50 100 150 200 250 300

0.00 0.08 0.16 0.24

20

由 log R 與 T^1的關係圖可知熱激發的傳導機制(thermal activation conduction)僅 發生在接近室溫的溫區。由圖 4-2-3 到圖 4-2-7，Al/AlO_X/Y 穿隧接點可以分為兩種 電阻隨溫度變化的趨勢。Y_D , Y_F , Y_H 樣品溫度小於 40K 時，電阻不受溫度影響，

電阻呈現一種飽和的現象，這種傳導機制稱為簡單彈性穿隧(simple elastic tunneling);

Y_I , Y_J 樣品到了液氦溫度時，電阻才和溫度無關，電阻趨近於常數(如 log R 與

log T的關係圖)。與 Y_I , Y_J 同一批的樣品相同接面面積的接點電阻均 100 K (甚

至 MΩ)，僅 Y_I , Y_J 樣品接點電阻率(specific contact resistivity)較小，所以我們猜 測是這兩個樣品氧化層較薄，電極間容易形成較小的等效穿隧結(意即穿隧面積遠小 於接點面積)，如圖 4-2-8 右圖的情形;而 Y_D , Y_F , Y_H 樣品接點電阻率(specific contact resistivity)較大，所以猜測是這些樣品氧化層較厚，兩電極間被一層薄薄的絕 緣層隔絕的情形(如圖 4-2-8 左圖的情形)。

圖 4-2-8 Al/AlOX/Y 穿隧接點的示意圖。(左圖是兩電極間被一層薄薄的絕緣層隔絕 的情形;右圖是電極間形成較小面積的等效穿隧結之情形)

釔

氧化鋁

鋁

0 100 200 300 10000

100000

Y_H-5X3-20100805 Y_F-5X5-20100803 Y_I-20X20 Y_D-5X5-20100806 Y_J-20X25

 ckm2 

T(K)

圖 4-2-9 Al/AlOX/Y 穿隧接點log _cT圖。從這個圖可以發現室溫接點電阻率較小 的樣品(Y_I , Y_J)與室溫接點電阻率較大的樣品(Y_D , Y_F , Y_H)，其兩者隨溫度變 化的趨勢是不同的。

0 100 200 300

1 2 3 4

5 Y_D-5X5-20100806

Y_H-5X3-201000805 Y_F-5X5-20100803 Y_I-20X20

Y_J-20X25

c/ c(280K)

T (K)

0 40 80

1.2 1.4

T (K)

圖 4-2-10 Al/AlO_X/Y 穿隧接點歸一化的接點電阻率對溫度的關係圖。從這個圖可以 看出兩種不同的隨溫度變化的趨勢。

4-2-2 實驗數據分析及討論

0 100 200 300

18 Y_J-20X25

R (k)

18 Y_J-20X25

R (k)

T (K)

圖 4-2-13 樣品 Y_I , Y_J 的RlogT圖。實線為利用 FIT model (2.53 式)擬合的結 果，Y_I 樣品低溫較不符合理論，可能是量測中樣品狀態(穿隧面積)改變了的關係。

R(300K)

Simmons model

0 50 100 150 200 250 300 fitting curve

R() fitting curve

R(k) fitting curve

R(k)

T (K)

圖 4-2-18 樣品 Y_H 電阻與溫度的關係圖。(實線為 Simmons model 擬合的結果)

這節的結論是:由圖 4-2-15 和圖 4-2-16 知，Al/AlOX/Al 和 Al/AlOX/Y 穿隧接點 (接點電阻率較高的樣品)電阻隨溫度變化的趨勢是一樣的，此點說明了使用鋁或釔當 電極都不影響我的研究。接點電阻率(specific contact resistivity)較小的穿隧接點(微米 尺寸)，其氧化層較薄，電極間容易形成較小的等效穿隧結(意即穿隧面積遠小於接點 面積)，與 FIT model 的穿隧機制相近，並且發現可以成功用 FIT model 描述 Y_I , Y_J 數據(這裡使用的製程方法使此種情況出現機率很低) ; 接點電阻率較大的穿隧接點 (微米尺寸)，電極和電極間有層很薄的絕緣層隔絕著(穿隧面積約等於接點面積)，穿 隧不受熱擾動影響，與 Simmons model 的穿隧機制相近，且可以用 Simmons model 分析 Y_D , Y_F , Y_H 數據(這裡使用的製程方法使此種情況出現機率高)。

4-3 鉻/金/氧化鋁/鉻/金(Cr/Au/AlOx/Cr/Au)穿隧接點特性

由於 4-2 節的結論和 P. Sheng 等人在 2009 年發表的論文(如圖 4-2-11)，我們知 道 FIT model 的穿隧機制為穿隧接面的面積很小(電容值極小)使得此壓差

(V_th  k T C_B / )變得不可忽略。我們知道 Al/AlO_X/Y 穿隧接點極少出現此情況，又知 道 FIT model 可以成功解釋鉻金電極和金屬性奈米線的接點[2]，其金屬性奈米線表 面覆蓋著一層薄絕緣體，所以我們想模仿鉻金電極跨越上金屬性奈米線的系統，於是 利用兩次電子束微影製作出 Cr/Au/AlOx/Cr/Au 穿隧接點(如圖 4-3-1)，接點面積為微 米尺寸，其中鋁厚度為 40 Å ~150 Å ，並在大氣中自然氧化一天。由於製程的關係，

此樣品第一層電極側邊沒有氧化層，我們並且發現調控第二層電極蒸鍍的方向可避免 側邊的漏電。

當鋁的厚度增加時，接點電阻就愈大(Al: 70 Å → 150 Å，接點電阻: 30 kΩ→ 2 M Ω。鋁厚度 150 Å ，接面面積 25 μm²的接點電阻大約是 MΩ等級，接面面積 0.5 μm² 的接點電阻大約是 100 MΩ等級);若沒有鍍鋁(Cr/Au/Cr/Au)，則樣品會短路，此點 說明電子是經由氧化層穿隧到另一電極。

圖 4-3-1 Cr/Au/AlOx/Cr/Au 穿隧接點的側視圖。

CrAu AlOx

CrAu

4-3-1 樣品資訊及實驗數據

0 100 200 300

圖 4-3-3 Cr/Au/AlOx/Cr/Au 穿隧接點歸一化的接點電阻率對溫度的關係圖。從這個 圖可以看出兩種不同的隨溫度變化的趨勢(32g_2 樣品與其它樣品隨溫度變化的趨勢 不同)。

4-3-2 實驗數據分析及討論

0 100 200 300

我們知道主導電導的穿隧面積並不是我們設計的接點面積，且通常是遠小於我們

0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045

-0.03 0.00 0.03

-400

0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 200

-0.03 0.00 0.03

-400

0 50 100 150 200 250 300

Method R(300K) curves，有些樣品到了低溫，電阻還是很小，電流要加到~100 μA，I-V curve 才會稍 微出現非線性的行為(非線性區域很少)，所以僅有 31g_1 與 31g_3 樣品有此兩種分析 方法的比較。

Simmons model

32g_2 樣品鋁比較厚(150Å )，且接點電阻率也較大，因此我們猜測室溫接點電阻

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 1.5

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

R ()

T (K)

1 10 100

1.5 2 2.5 3 3.5

R ()

T (K)

圖 4-3-10 樣品 32g_2 電阻隨溫度變化的關係圖。小圖為 log R 與 log T的關係圖，

實線為利用 Simmons model (第二章理論 2.39 式)分析的結果。

-600 -300 0 300 600

0.0 0.6 1.2 1.8 2.4

dI/dV (S)

V (mV)

圖 4-3-11 樣品 32g_2 在 T = 2.65 K 的 dI/dV - V 圖。圓點為實驗值，實線則是用二 次多項式所擬合的曲線。利用 BDR model (2.43 式和 2.44 式)分析後其位壘厚度 d

=20.8 Å 、平均高度=0.96 eV、高度差  1 eV。

圖 4-3-11 是利用 BDR model 分析位壘的寬度和高度，且分析出來的位壘寬度

在文檔中 微米穿隧接點之微分電導與溫度關係之研究 (頁 39-65)