微米捲管元件之光電效應量測結果 …

本節使用樣品為 Lm4951 和 Rn813，雙層應變薄膜皆為 7nm In0.2Ga0.8As/

14nm GaAs，成長於 SI-GaAs 基板，詳細磊晶結構圖參照圖 4.1.3 和 4.1.4，差別 在於Lm4951 成長薄膜時未參雜任何雜質，而 Rn813 於雙層應變薄膜參雜高濃度 n 型10¹⁹

cm 雜質，以增加微米捲管的導電性。

⁻¹

傳導微米捲管元件的尺寸設計如圖 5.4.1 的傳導微米捲管元件寬度皆為 100μm，懸空捲管的長度 L 有 20μm 和 40μm 二種長度，懸空捲管總周長 w 有 25μm 和50μm 二種尺寸，也就是懸空捲管共捲了多少的長度，以決定懸空捲管的圈數，

此樣品製成捲管捲管最內圈的直徑約為1.95±0.11μm，所以 w 為 25μm 大約 3 圈，

w 為 50μm 則約 6 圈。不同尺寸的元件，其電阻率應該會有所不同，圖 5.4.1 捲 管的長度L 為 20μm 的光學顯微鏡影像，方框框起來處，為傳導懸空捲管元件的 有效傳導作用面積。

100

L=20 w=25

20 50

圖5.4.1 傳導微米捲管元件的尺寸圖【樣品 Lm4951】 (單位：μm) 傳導微米捲管元件寬皆為100μm；L 為懸空捲管長度；w 為懸空捲管總周長 (a)有效傳導面積為 L=20μm× w=25μm (b)有效傳導面積為 L=20μm× w=50μm

(a) (b)

樣品Lm4951 製作傳導半導體微米捲管元件的電性量測如圖 5.4.2 所示，圖 (a)為長度 L 為 20μm 懸空捲管的 IV 圖與 RV 圖，不同圈數各量測二個元件，量 測電壓範圍由0V 到+10V，圖(c)則為 40μm 懸空捲管的 IV 圖與 RV 圖。由 IV 圖 能發現懸空捲管的圈數愈多，在相同電壓值下，電流值會愈大，這是因為圈數愈 多，電流通過的截面積就愈大，所以電流愈易通過，電阻值會愈小。

最特別的是，IV 曲線並非線性關係，於第 5.2.3 節曾探討過，微米捲管為中 空圓柱狀結構，此樣品一層管壁約21nm 厚，存在許多界面狀態，而由 TEM 影 像發現捲管層與層之間還存在一些氧化物，這些都導致微米捲管擁有極差的熱傳 導性，我們利用不同雷射功率來量測拉曼光譜，局部加熱效應造成晶格熱膨脹程 度不同，導致同一個峰值有明顯位移的情形。於此，我們推測也是熱造成非線性 的IV 曲線，當電壓愈增愈大時，加熱效應愈劇烈，增加元件本身的溫度，產生 了大量的電子電洞對，這些被產生的熱電子的能量遠大於熱平衡值，造成元件的 電流值大幅度被提升。

非線性的 IV 曲線無法直接得到元件的電阻，需先擬合IV 曲線的方程式，對 此方程式作微分，取倒數後作圖，即為電阻對電壓關係圖，圖(a)與(c)中的二條 虛線對應不同圈數的捲管元件，發現電阻值隨電壓增加而減小。此外，我們嘗試 利用線性方程式個別擬合小電壓(0V~+1V) 和大電壓(+8V~10V)範圍的電阻值，

圖(a)和(c)所標示之電阻值為大電壓範圍的電阻值，圖(b)為圖(a)小電壓範圍的 IV 圖和電阻值標式，而圖(c)小範圍電壓的 IV 圖未展示出來。將不同尺寸的元件擬 合所得的電阻值整理於表5.4.1，並由下式計算得到對應的電阻率：

L R wt wt

L A

R

=

ρ L

=

ρ

⇒

ρ

=

式中，A 為電流通過懸空捲管的截面積，成長的雙層薄膜總厚度 t 約為 21nm，ρ 為電阻率(Resistivity)，單位為 m-Ω。

表5.4.1 不同尺寸傳導微米捲管元件 IV 圖分析

Lm4951 {L=20}

w-50_tube-1

Lm4951 {L=20}

w-50_tube-1

表 5.4.1，當懸空捲管的截面積只增加 1 倍時，電阻率會減小很多，小電壓 電阻率約減少了4 倍，大電壓範圍的電阻更能減少了約 56 倍，推測這是由於懸 空捲管極差的熱傳導性，而產生劇烈的熱電子效應之故。小範圍的電壓值，隨懸 空捲管的長度 L 倍增，電阻率約倍增 3 倍，符合一般電阻的概念；不同的是，

大範圍的電壓值，當懸空捲管的長度 L 倍增時，電阻率卻也隨之減少，這應該 也是熱電子造成的效應。加大電壓時，當懸空捲管的長度愈長，愈多的長度能用 來貢獻熱電子的產生，所以熱電子的效應越嚴重。

傳導微米捲管元件的材料為三五族半導體，三五族半導體大部分為直接能隙 的材料，會吸收光能而產生光電流，圖5.4.3(a)中，黑■為不照光量測的 IV 曲線；

灰●為照光(顯微鏡燈光) 量測的 IV 曲線，由圖可知，照光對半導體微米捲管元 件會產生明顯的光電流效應，使電導率約提升了二倍。不過，捲管元件的兩個金 屬墊之間是磊晶成長的GaAs 緩衝層，成長過程無法避免腔體內部雜質少量的參 雜，此外金屬墊間的GaAs 也會吸收光能，貢獻部分的光電流，也就是不流經捲 管元件通道的漏電流，漏電流能由製程方法作適當絕緣來排除，不過這將會增加 元件製程的複雜度，所以我們嘗試去量測漏電流的大小，與流過懸空捲管元件的 電流值作比較，若兩者的值相差大時，我們即可暫時忽略漏電流的存在。

我們量測的方法是，先量測完整元件分別在照光和不照光的IV 曲線，然後 利用第三組探針破壞中間懸空的捲管，打斷元件電流流經的通道，再次量測照光 和不照光的IV 曲線，此時量測的即為金屬墊之間的漏電流，重複使用此方法量 測了多顆捲管元件皆有一致性的結果，圖5.4.3(a)為其中一顆元件的量測數據。

表5.4.2 傳導微米捲管元件之效果與光電流效應【樣品 Rn813】

有效傳導尺寸為 L=40(μm)，w=25(μm)，t=21(nm)

符號 照光 懸空捲管 R

ii-40_RTA400

°

C [-1V~+1V]

I( nA)

V

Rn813 {L=40}

with tube_nolight with tube_light w/o tube_nolight w/o tube_light

圖5.4.3 傳導微米捲管元件之效果與光電流效應【樣品 Rn813】

ii-40_RTA400

°

C [-5V~+5V]

I(nA)

V

Rn813 {L=40}

with tube_nolight with tube_light w/o tube_nolight w/o tube_light

(a)

首先，圖5.4.3(a)為樣品 Rn813 的 IV 圖量測結果，此樣品的雙層薄膜參雜了 高濃度 n 型10¹⁹

cm 雜質，與圖 5.4.2(c)相較，確實有效地增加了微米捲管的導

⁻¹ 電性，比較表5.4.1 和表 5.4.2 的電阻率能更清楚知道，於相同條件下量測有效傳 導尺寸相同的元件，Lm4951 製作元件的電阻率為 10166.63 (m-Ω)，Rn813 製作 元件的電阻率則為 0.59(m-Ω)，電阻率有效減小了五個數量級，因此重度參雜能 大大幫助電子的傳導。

由圖 5.4.3(c)，當元件照光時，不論通道捲管存在與否，光電流皆會產生，

將二個數據相減，即得到通道捲管流經的光電流。不過，因為顯微鏡的燈光同時 照射數十個元件，所有照到光的GaAs 緩衝層皆會產生光電流，導致照光時的漏 電流很大，無法真正得到兩個金屬墊間漏電流的大小。當元件在不照光之下量測 時，通道捲管存在的電流值於電壓+1V 時約為 20nA，電組值約為 44.9MΩ，相 較之下，破壞通道捲管後的電流值幾乎為零，電阻值高達3148MΩ。所以，在不 照光的情形下，我們大可忽略金屬墊間的漏電流大小。表5.4.2 為系統化整理圖 5.4.3 中各情況下所擬合的電阻值和電阻率。

接續捲管元件對光的高敏感度，我們利用聚焦的雷射光照射在元件的不同位 置，研究光能如何轉換成電能。使用拉曼光譜量測系統的聚焦雷射光，雷射功率 為 2mW，100 倍顯微物鏡，此情況下雷射光點的直徑大約是 5μm，能夠局部對 元件的任一處照光，將可量測到元件的電性隨照光位置不同而變化。需注意的 是，雷射光不僅對元件本身局部照光，也應該有局部加熱的效應，所以量測到的 IV 曲線應該是包括了光電流與熱電流的效應，因而我們嘗試將雷射光打在捲管 上、近捲管端與遠捲管端的金屬墊上，量測不同位置的電性，但是雷射光的局部 加熱效果應該遠小於光電流的貢獻，所以暫時忽略熱造成的效應，著重於捲管元 件的光電效應。

量測方式為使用二組探針 (圖 5.4.4)，下探針於金屬墊的中間部分(紅色大實 圓●)，左端探針連接到電性量測儀器(6430)的正端，右邊則為接地端。將聚焦的

雷射光分別照光於左端捲管(■)、右端捲管(■)、左邊金屬墊上端(▲)和下端(★) 與右邊金屬墊上端(▲)和下端(★)，左端量測的數據以黑色符號和連線表示，右 端則以綠色表示，沒有照光以藍色符號(●)與連線，以下的圖表是方法皆是如此。

半導體傳導微米捲管元件的光電效應的量測結果能歸納為二類，分別表示於圖 5.4.5 和圖 5.4.6 中。

圖5.4.5 為使用雷射照射微米捲管元件所量測光電效應的結果之一，表 5.4.3 為其數據整理與分析，當不加雷射光(藍色線)時，IV 曲線左右對稱且通過原點，

此時的開路電壓和閉路電流都趨於零。當雷射光照射於元件左邊(黑色線)時，不 論於捲管或金屬墊上，量測的IV 曲線往上移、偏離原點，其斜率和截距皆差不 多，此時的開路電壓為負的，約負 100 多毫伏特，閉路電流為正的，值約正 10 奈安培附近。這是因為當元件的左端照光時，照光端產生許多過量的電子電洞 對，相較於未照光端具有較多的載子，所以過量的載子會朝向未照光端擴散。又 捲管材料參雜了高濃度(10¹⁹cm^-3)的 n 型雜質，照光產生的過量載子(電子和電洞) 濃度應該遠小於熱平衡時的電子濃度，注入未照光端的多數載子(電子)總濃度幾 乎不變，但少數載子(電洞)的濃度也許能改變好幾個數量級，因此過量的載子以 少數載子(電洞)的特性來擴散，所以量測到負的開路電壓值與正的閉路電流值。

■

▲

★

▲

■

★

Right 探針(com) Left

探針 (+)

圖5.4.4 光電效應量測示意圖及雷射光點相對於捲管的大小 有效傳導尺寸為 L=20(μm)，w=25(μm)，t=21(nm)

表5.4.3 傳導微米捲管元件之光電效應量測《1》【樣品 Rn813】

Short circuit current

I(nA)

Open circuit voltage

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6

與完全不照光的IV 曲線比較，當照光於元件右邊(綠色線)時，量測到的 IV 曲線往下偏移、不通過原點，不論照光於捲管或金屬墊上，其斜率和截距幾乎重 疊，此時的開路電壓為正的，約為+50 毫伏特，閉路電流為負的，約為-1 奈安培。

同樣是光伏特效應造成的，當元件右端照剛時，右端將產生過量的電子電洞對，

載子的移動方向為往電性量測的正端，所以量測到的開路電壓為正值與閉路電流 為負值。

於表 5.4.3 分別計算了照光於每個位置的光電轉換效率表現，雷射功率為 2mW，雷射光點直徑約 5μm，金屬墊接收了全部的雷射功率為 2mW；而微米捲 管端點的直徑大約是 3μm，必須計算捲管端點實際接收的雷射功率，大約為 1.2mW，必須以此雷射功率來計算效率。發現照光於元件左端的效率高於右端一 個數量級，這是因為捲管元件本身的不對稱所造成的，畢竟影響雙層薄膜應變鬆 弛的因素極度複雜，難以全盤皆完善的控制，推測這也是造成微米捲管第二類光 電效應的原因，如圖5.4.6。

圖5.4.6 為捲管元件的光電效應量測結果之二，表 5.4.4 為圖 5.4.6 的數據整

圖5.4.6 為捲管元件的光電效應量測結果之二，表 5.4.4 為圖 5.4.6 的數據整

在文檔中 三五族半導體微米捲管及其光電與熱電效應研究 (頁 71-82)