本研究主題在研究奈米大氣通道場發射二極體的電性分析同時比對一般 P-N 二極體，經過文獻歷史探討後，透過繪圖軟體繪出元件圖案，並委託台灣半導體 研究中心(TSRI)下線進行製程，並且以有限元素模擬軟體 COMSOL Multiphysics 進行元件最佳化的模擬，最後進行元件的分析以及電性量測，實驗架構流程圖如
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圖3-1-4 為兩端點電極對稱之設計，兩邊皆為三角端設計，其電子發射與接收數 目皆相同。透過設計不同的幾何圖形，比較不同尖銳程度所形成不同發射面積的 差異，同時比較傳統PN 二極體。
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圖3-1-1 實驗架構流程圖
元件量測 元件模擬
結果與討論 文獻探討
元件圖形設計
委託下線 元件製成設定
有限元素模擬分析
元件模擬模型建置
模擬物理量設定
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圖 3-1-2 奈米大氣通道二極體側面結構操作圖
圖3-1-3 非對稱型電極之元件設計圖
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圖3-1-4 對稱型電極之元件設計圖
表 3-1-1 奈米大氣通道二極體材料以及薄膜厚度
層數 材料 厚度 用途
1 P-type Si [100] 650(μm) 元件基板
2 SiO2 15(nm) 區隔電極間介電層
3 Ta 100(nm) 元件電極
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3-2 有限元素 COMSOL 模擬元件
本實驗使用COMSOL Multiphysics 軟體進行元件模擬分析，以建立二維幾何 模型模擬出帶電粒子拋射軌跡為主，目的為觀察粒子在傳輸時的行為，其步驟分 別為前處理、求解、後處理，前處理包括設計元件幾何形態、負載和邊界條件。
後作適當的網格化求解及觀察不同分析的後處理，對元件做粒子軌跡與電場模擬 等。
模擬首先建立元件的幾何模型，給定元件材料後再以靜電、帶電粒子追蹤及電 粒子場交互作用、傳輸介質等物理量作為元件的邊界條件設定，並分別給定陽極、
陰極偏壓條件及空間電荷限制放射並進行粒子軌跡分析，接著建立元件網格化來 進行求解，建立元件網格時可調整網格細化程度使模擬的元件結果能有更精確的 表現，並以選擇帶電粒子追蹤的相對論修正模式以及增加迭帶數使電子沒有違背 物理定律。
模擬時，分別以兩個電極(陰極、陽極)的幾何圖形不同來進行分析，其一為非 對稱圖形(尖對半圓)電極，其二為對稱圖形(尖對尖)電極來進行模擬，以元件的 通道能夠低於大氣中的平均自由路徑為主，模擬出元件的電場以及粒子軌跡，觀 察電極圖案不同的差異。
23 罩(hard -mask)藉此彌補光阻過薄問題，經化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)沉積約 20 nm 的 SiO2硬遮罩後，再微影塗佈厚度約為380nm 的負光阻及將
P-type substrate
Ta SiO2
P-type substrate Hard Mask- SiO2
P-type substrate SiO2
Ta
P-type substrate SiO2
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P-type substrate
Hard Mask
P-type substrate Ta
P-type substrate SiO2
PR
Hard Mask- SiO2
PR
P-type substrate Hard Mask- SiO2
Ta SiO2
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表 3-3-1 製程儀器
設備名稱 相關用途 單位
垂直爐管-Vertical furnace 沉積介電層SiO2 台灣半導體研究中心 金屬物理氣相沉積系統
Multi Chamber Sputtering System
沉積金屬薄膜 台灣半導體研究中心
可變形束電子束曝光機 Electron beam shape Variable
shaped beam
曝光 台灣半導體研究中心
26 圖 3-4-2-1，平台上的探針座連接到Keithley 2400 Source Meter 進行量測。此外 本實驗也使用了長焦距工具顯微鏡如圖 3-4-2-2，倍率較光學眼微鏡低，主要用 途為觀察晶片表面。
3-5 實驗軟體
本實驗使用L-EDIT 及 KLayout 軟體繪製光罩圖形，如圖 3-4-4-1，輸出 GDS 圖檔委託台灣半導體研究中心進行光罩製作；接著使用 OriginPro 8 軟體將量測 及模擬數據進行統整分析並輸出繪圖，如圖3-4-4-2；COMSOL Multiphysics5.2 以 模擬靜電、帶電粒子追蹤等物理量分析元件特性及最佳化設計，如圖3-4-4-3。
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圖3-4-1-1 Keithley 2400 Source Meter 電源電壓控制系統
圖3-4-1-2 凱思隆 I-V 量測程式
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圖3-4-2-1 光學顯微鏡及探針平台
圖3-4-2-2 長焦距工具顯微鏡
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圖3-4-4-1 L-Edit 軟體
圖 3-4-4-2 Origin 8 軟體
圖 3-4-4-3 COMSOL Multiphysics5.2 軟體
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