改善接點電阻對奈米線元件的影響

在 1998 年 A. Bachtold 等人將 20 keV 電子束曝於奈米碳管元件上的不同位 置，如圖 2-15 所示。從圖 2-15 (a)的曝光過程中，量測到兩點的電阻值與曝光劑 量的關係圖，如圖 2-16 所示。在圖 2-16 中，他們發現量測到奈米碳管的電阻值 隨曝光劑量增加而下降，其中從大於100 MΩ 到 30 kΩ，整體而言下降四個數量 級，因此量測的電阻值趨向於本質奈米碳管。在圖 2-15 (b)中，曝光後以接點 1 與接點 4 進行兩點量測，電阻值從 1 MΩ~1 GΩ 降至 25 kΩ，但是接點 2 與接點 3 的電阻值改變不大，表示曝光後電阻值確實會下降。在圖 2-15 (c)中，接點 2 與接點 3 的電阻值有降低的趨勢，主要目的是觀察曝光後四點量測的本質電阻變 化。在圖 2-15 (d)中，四點量測的電阻值從 1.32 kΩ 降至 1.23 kΩ，變化相當的微 小。因此他們觀察出利用電子束曝光能夠使接點電阻對奈米元件的影響變小 [13]。

圖 2-15 灰色部分為曝光區域，而曝光區域有(a)整個金電極結構；(b)和(c)電極與 奈米碳管之間的接點；(d)奈米碳管的中心 [13]。

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圖 2-16 兩點量測電阻與曝光劑量的關係圖，曝光區域為整個金電極結構 [13]。

在 2000 年 Jeong-O Lee 等人將三個不同的奈米碳管元件在不同溫度下進行 熱退火(annealing)實驗，如圖 2-17 所示。從圖 2-17 中可以觀察接點電阻是溫度 的函數，在 600-650 °C 時，電阻值會下降 3-5 個數量級，接著再加熱更高的溫度 時，電阻值會些微地增加，不過以平均觀點來看，電阻值是有下降的趨勢。另一 方面，在熱退火前的元件先靜置三個月後，重新量測會發現電阻值提升，若將元 件先進行熱退火再靜置三個月，他們發現在室溫下的電阻值是相當地穩定，這些 現 象 主 要 原 理 是 在 熱 退 火 後 ， 鈦 金 電 極 與 奈 米 碳 管 的 接 面 會 產 生 鈦 合 金 (Ti-carbides layer)，此雙異質(hetero-structures)結構的形成是由於金屬原子擴散至 金屬與奈米碳管的接面，此機制是非常緩慢地，故鈦合金原子將有機會轉移到奈 米碳管內部，使得量測到的元件電阻值下降。另外，這個雙異質結構很穩定，所 以元件放置三個月的電阻值改變不大 [10]。

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圖 2-17 三個不同奈米碳管元件的溫度與電阻關係圖 [10]。

在 2004 年 Hideyuki MAKI 等人將奈米碳管元件處於在室溫與真空環境條件 下量測，測量方式如圖 2-18 (a)所示，此實驗是先在源極(source electrode)端施加 電壓，並且量測通過源極的電流值(I1-2)，電流-電壓關係如圖 2-18 (b)所示，同時，

源極往汲極(drain electrode)的電流(I_ds)會被產生出來，如圖 2-18 (c)所示。然而，

他們將電壓改跨接至汲極，並且量測通過汲極的電流(I3-4)與汲源極之間的電流值 (Ids)，電流-電壓關係如圖 2-18 (d)與(e)所示。

圖 2-18 (a)量測方式圖解。(b)電流(從 1 區流向 2 區)與電壓關係圖。(c) 電流(從 汲極流向源極)與電壓關係圖。(d)電流(從 3 區流向 4 區)與電壓關係圖。(e) 電流 (從汲極流向源極)與電壓關係圖 [14]。

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整體而言，他們觀察出電流經過電極與奈米碳管的接面時，此接面會產生出 碳化鈦(titanium carbide,TiC)導電子(conductor)，此導電子會使導電性增加，故奈 米碳管上的接點電阻就會降低，其電流值便會上升。在圖 2-18 (b)與(c)中，電流 (1 區流向 2 區)隨著電壓上升而增大，但在 1.4 V 附近時，電流有些微的向下彎 曲，主要原因是由於在接點處的鈦金電極被打破且熔化，如圖 2-19 所示。

圖 2-19 電流經過電極與奈米碳管接面(a)之前；(b)之後的電子顯微鏡圖 [14]。

此將造成電阻值上升，電流值下降，而電流(汲極流向源極)在 1 V 之前幾乎 維持常數，若再加大電壓，電流值會急遽增大。在圖 2-18 (d)與(e)中，類似的結 果再次發生。然而，電流(汲極流向源極)比圖 2-18 (c)多一個數量級，原因是由 於源極與奈米碳管的接點電阻已經被降低，所以在汲極加入偏壓所產生的電流值 (汲極流向源極)會增加 [14]。

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3.1 熱活化傳輸理論(thermally activated transport theory)

半導體一般可分為兩類，一為週期表中 IV 族的元素半導體，以及大多數組 原子會捨一個電子稱為施體雜質原子(donor impurity atom)，此種材料為 n 型半導 體。然而，若在矽半導體裡摻雜第 III 族硼原子，第 III 族有三個價電子與矽形成