5-1 量測系統簡介
5-1-1 電流-電壓量測系統
將製備完成的晶片架設在探針座上，並使用HP4145B半導體參數分析儀提供 電壓並量測電流變化，搭配Labview程式控制讀取HP4145B上的資料。儀器架設如 圖5-1。
圖5-1 電壓-電流量測系統
圖5-2 HP4145B機台外觀
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圖5-3 量測平台與探針座
圖5-4 I-V量測圖
5-2 退火對薄膜表面結構之影響分析
本實驗的 MIS 元件為 Al/SiO2/Si(P-type)，我們嘗試在 SiO2層堆疊後進行退火 及未退火兩種製程；分冸為圖 5-5 SiO2層未退火之 MIS device 及圖 5-6 SiO2層退火 之 MIS device。透過 I-V 量測曲線，在正電壓下，可以發現 SiO2層為退火晶片在 照光時，達鋸齒狀曲線前，電流會多一段階梯狀的上升趨勢，而 SiO2層經過退火 的晶片則平緩上升。未經退火者，因為製程上的堆疊成長不完美，而產生結構上
有缺陷，當照光給予能量時，便透過缺陷產生了中間一段電流上升的現象；反之，
經過退火者，排列較為緊密，缺陷相對減少 ，電流趨勢平緩上升，而後才有一段 因電壓過大，導致 SiO2的漏電流電壓所產生的鋸齒狀曲線，被有效的阻隔，而光 照下電荷庫倫堵塞，形成量子穿隧效應電流隨電壓上升。
圖5-5 SiO2層未退火之MIS device I-V曲線
圖5-6 SiO2層經退火之MIS device I-V曲線
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圖5-8 正電壓時能階圖
圖5-9 Al/SiO2/Si光譜電流圖
SiO2
V>0
Ec
Ev Ei EF
EF
4.28eV
3.2eV
Al Photonic
光電流
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圖5-10 Al/SiO2/Si 0～10V光譜電流圖
圖5-11 Al/SiO2/Si -10～0V光譜電流圖
表 5-1 高介電常數材料之性質對 MOSFET 元件的影響[27]
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圖5-13 光功率與光波長關係圖
圖5-14 CM-110單光儀儀器圖
利用光源透過單色分光儀，將不同的光波長照射在元件上，再量測元件的對光電 流值，分析光對元件的響應度。我們利用式 5-1 來計算光響應度
(公式 5-1) R :光響應度，I :光電流，P:單位面積入射光功率，A:元件受光面積
觀察 Al/SiO2/Si 的光響應測量結果，如圖 5-15 及圖 5-16，我們發現元件受光 後的光電流響應輸出，在 0V 的時候，幾乎沒有太大的響應，要持續加電壓，才有 更好的反應，代表這個元件屬於高響應元件。
圖 5-15 及圖 5-16 的光響應結果，可以發現 Al/SiO2/Si 元件在紫外光區及遠紅 外光區有較高的響應，可見光區的響應較低，原因為此元件在可見光區有強的反 射率，而紫外光 300～400nm 及遠紅外 800～900nm 區反射率較低與使用圖 5-17 反射光譜儀 UV2101-PC(Shimatsu scanning spectrophotometer)，波長範圍 250nm～
900nm 所量測之反射率結果一致，如圖 5-18 所示；而 1000nm 的光響應部分則是 半導體(Si)本身的能隙所造成。
比較圖 5-15 及圖 5-16 的光響應量測結果，更可以說明在 P-type Si 中產生光電 流之差異，當照射不同波長色光下，圖 5-15 為外加正電壓，其光電流由電洞所產 生；圖 5-16 為外加負電壓，其光電流由電子所產生。
受外加正電壓產生之電場影響，電洞在 P-Si 中移動相對較難，其產生之光電 流小，而電子在 P-Si 中為少數載子，受外加負電壓產生之電場影響，能帶彎曲明 顯，金屬層能帶上升與非金屬層間的能障變小，可能產生漏電流，計算光響應時 之電流成份含有大量漏電流，導致所計算出的光響應較大，此現象恰好說明負電 壓區的光響應較正電壓區光響應大。
因為負電壓區的光響應含有漏電流之成份，並非純光電流所產生，所以此工 作區不適合作為後續應用；正電壓區所產生之電流成份扣除暗電流(無照光時之電 流)，即為純光電流，適合作為後續應用之工作區使用，因此，後續研究著重於正 電壓區之光響應分析。
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圖5-15 Al/SiO2/Si 0～10V的光響應圖
圖5-16 Al/SiO2/Si -10～0V的光響應圖
圖5-17 反射光譜儀
圖5-18 Al/SiO2/Si之R(%)
本實驗 Al/SiO2/Si 光偵測器元件製程中 SiO2層厚度分冸為 1000Å 、1400Å 以 及 2000Å ，觀察上述三者皆經過退火程序之 MIS 晶片光響應度比較，可以發現當 膜厚越薄，光響應度越好，其原因為施加電壓所產生的電場所造成的影響，當絕 緣層(SiO2)薄膜越薄，外加電壓產生的電場所造成的影響越大，光響應也隨之變大。
如下圖 5-19 SiO2層厚度 1000Å 之光響應圖、圖 5-20 SiO2層厚度 1400Å 之光響應 圖以及圖 5-21 SiO2層厚度 2000Å 之光響應圖所示。
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圖5-19 Al/SiO2/Si 1000Å 0～10V的光響應圖
圖5-20 Al/SiO2/Si 1400Å 0～10V的光響應圖
圖5-21 Al/SiO2/Si 2000Å 0～10V的光響應圖
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