蕭特基位障高度量測方式(電流-溫度法)

如半導體-金屬接面之電流傳輸機制來自於熱游離輻射（therm- ionic emission），則其電流-電壓之特性將會遵循下列方程式[19, 20, 21]︰

在qV>>nkT之條件下，（2.1）式近似為 :

(2.2)

其中V我們取極接近零點所得之電流作圖，所得到之斜率即為：

(2.4)

將參數代入後即可得到蕭特基位障高度。其中理想因子n，一般介於1~2之間，

在此計算時我們使用1代入計算。

nk

slope

_{= −}

q φ

^Bn

第三章 實驗結果與討論

3.1 奈米線蕭特基二極體之鎳矽化物 3.1.1 鎳矽化物之材料特性

圖3-1為所製作出的奈米線蕭特基二極體於10萬倍率下所拍攝的電子顯微鏡 (SEM)俯視圖，可看出明顯之鎳矽化物與矽接面，其中右邊較明亮之部分即為鎳矽 化物，左邊為矽。由圖可以明顯觀察到右邊的鎳矽化物有向左往矽奈米線方向擴散 延伸的趨勢，且擃散長度560.6 nm。

圖3-1、奈米線蕭特基接面之電子顯微鏡俯視圖。

為了更進一步了解鎳原子(Ni)的側向擴散方向，我們對元件進行X射線光電子 光譜(XPS)材料檢測。圖3-2為元件進行X射線光電子光譜檢測時示意圖，右端為鎳 矽化物奈米線、左端為矽奈米線。圖3-3為X射線光電子光譜檢測實驗結果，可以知 道元素鎳成分的分布狀況，鎳成分在奈米線右邊鎳矽化物部分可以清楚地被檢測出 來；同樣地，在奈米線左邊矽部分也被檢視出有鎳成份存在，證明鎳原子由奈米線 右邊鎳矽化物端往奈米線左端的矽奈米線部分側向擴散。另外，在元素矽(Si)成分 檢測方面，由圖3-4可以發現不論在奈米線左右兩端，矽奈米線及鎳矽化物奈米線 100nm Si/NiSi junction

Ni diffusion length 100 nm

NiSi Si

圖3-2、元件進行X射線光電子光譜檢測時示意圖。

圖3-3、鎳元素X射線光電子光譜檢測。

62 64 66 68 70 72

200 300 400 500 600 700

Counts

Binding Energy (eV)

Region in Si in NiSi Ni 3p

圖3-4、矽元素X射線光電子光譜檢測。

圖3-5、圖3-6為分別針對矽奈米線及鎳矽化物奈米線所拍攝的30萬倍穿透式電 子顯微鏡圖。圖3-5所拍攝的矽奈米線橫截面結果，驗證出所製作的矽奈米線高度 為32 nm、寬度為46.67 nm。圖3-6為所拍攝的鎳矽化物奈米線橫截面結果，可以得 知所製作的鎳矽奈米線高度為39 nm、寬度為47.67 nm。圖3-7與圖3-5相對應，為矽 奈米線橫截面進行EDX元素分析結果，完全只有矽成份被檢測出來。圖3-8為圖3-6

Binding Energy (eV)

Region in Si in NiSi Si 2p

圖3-5、矽奈米線穿透式電子顯微鏡圖。

圖3-6、鎳矽化物奈米線穿透式電子顯微鏡圖。

SiO

₂

NiSi SiO

₂

Si

圖3-7、矽奈米線之EDX元素成分分析。

圖3-8、鎳矽化物奈米線之EDX元素成分分析。

表3-1、元素成分比例表。

Composition﹙％﹚

Ni Si 56.35% 43.65%

圖3-9、鎳矽化物晶格繞攝圖。

3.1.2 鎳矽化物片電阻值

在本論文研究所設計元件結構中，有一結構為鎳矽化物四點探針測式結構 (Four-point probe)，結構示意圖及量測方式如下圖:

圖3-10、鎳矽化物四點探針測試結構及量測方式示意圖。

I+

I-

v+

v-

片電阻(Sheet Resistance)是傳導性材料之重要特性之一，四點探針是最常用來 量測薄片電阻的工具，只要在其中兩個探針間加上固定之電流，並同時量測另外兩 個探針間之電壓差值，就可以計算出薄片電阻。由圖3-11為鎳矽化物四點探針所量 測的電流電壓結果，而推算後之鎳矽化物片電阻值為38.7 μΩ-cm。

圖3-11、鎳矽化物奈米線電流電壓量測結果。

2.0x10^-7 4.0x10^-7 6.0x10^-7 8.0x10^-7 1.0x10^-6 0.0

2.0x10^-3 4.0x10^-3 6.0x10^-3 8.0x10^-3 1.0x10^-2

Voltage (V)

Current (A)

3.2 奈米線蕭特基二極體元件 3.2.1 奈米線蕭特基二極體

奈米線蕭特基二極體元件製作完成後，利用光學顯微鏡拍攝元件之俯視圖，如 圖3-12所示。其中奈米線之右半部為參雜濃度10¹⁸cm^-3之矽，左半部為鎳矽化物，

使中間形成一蕭特基接面，兩邊對稱之黃色部分為金之電極。奈米線之長為10 μm、

寬為100 nm，矽與鎳矽之厚度為35 nm，金之厚度為100 nm。

圖3-12、奈米線蕭特基二極體光學顯微鏡俯視圖。

3.2.2 閘極效應對元件電性之影響

當元件奈米線蕭特基二極體完成後，首先測試元件之電流-電壓特性，並加上 不同之背電極閘極電壓，比較當加上不同之閘極電壓時，元件受到閘極電壓影響之 變化量，量測結果如下圖:

圖3-13(a)、奈米線蕭特基二極體電流-電壓圖。

由固態物理理論可知，奈米線上的載子密度受到外加閘極電壓所影響，載子會 被Depletion或Accumulation，進而改變奈米線的電導值。圖3-13(a)(b)為所製作的奈 米線蕭特基二極體元件之電流電壓特性圖，其中閘極電壓分別加入-5、-2.5、0、

+2.5、+5伏特。量測結果符合固態物理理論，本次實驗元件為n型參雜，因此外加 閘極為負電時，造成N型載子空乏，而使元件之電流及電導因此下降；同樣地，當 外加閘極為正電時，使得N型載子聚集，元件之電流及電導因此上升。

圖3-13(a)可看到當加入不同閘極電壓時，奈米線蕭特基二極體之順向偏壓電流 有明顯之改變，但因逆向偏壓電流過小，看不出實際之變化，所以對電流取絕對值 及以10為底對數，即為圖3-13(b)。對電流作此處理後，可看出奈米線蕭特基二極體 之逆向偏壓電流受到閘極電壓影響之變化量比順向偏壓電流有更明顯之變化。故本 論文研究假設，當元件表面接上帶電分子後，將類似上閘極之結構對元件電性之影 響，奈米線蕭特基二極體之逆向電流會較為顯著。也因此推測，當作為生物感測器 之時，元件表面接上帶電性之生物分子，奈米線蕭特基二極體逆向電流之感測靈敏 度較高。

3.3 化學表面修飾奈米線蕭特基二極體

為了測試奈米線蕭特基二極體生物感測器之感測特性，在元件完成電流-電壓量測 後，即在元件表面修飾帶電之化學分子。其中，實驗選用之系統為AEAPTMS 及金奈米 粒子。圖3-14 為元件表面修飾 AEAPTMS 分子及金奈米粒子後的電子顯微鏡圖，可以 明顯看出金奈米粒子有確實鍵結於奈米線蕭特基二極體上。

圖3-14、元件表面修飾AEAPTMS分子及金奈米粒子電子顯微鏡圖。

奈米線蕭特基二極體之表面做特定之修飾後，接上特定之帶電微小物質，相當於形 成類似一個上電極的結構。因此若接上奈米線之物質帶正電，則等效於對元件加上一上 電極之正電壓；同理，若接上之物質帶負電，則等效於對元件加上一上電極之負電壓。

實驗中分別在修飾 AEAPTMS 分子及金奈米粒子後作電流-電壓之量測，以比較表面修 飾化學分子對於元件電性上之影響。

圖 3-15(a)(b)為元件在表面修飾 AEAPTMS 及金奈米粒子後所作之電流電壓特性 圖。當表面修飾帶正電的AEAPTMS 時，等效於對元件加上一上電極之正電壓，且由於 元件為n 型參雜，所以造成元件電流之上升；在表面修飾帶負電的金奈米粒子時，則等

圖3-15(a)、元件表面修飾化學分子電流-電壓圖。

由圖3-15(a)之元件電性原始線性圖，可看到在奈米線蕭特基二極體之順向偏壓的部 份(VD＞0)，受到化學修飾表面所影響其電流有所變化，而蕭特基二極體之逆向偏壓的 部份(VD<0)電流較小，由原始線性圖看不出差異，所以對元件之電流作絕對值及以 10 為底對數處理，即為圖 3-15(b)。而由圖 3-15(b)可看出，在奈米線蕭特基二極體逆向電 流的部份，受到化學修飾表面所影響之電流變化明顯大上許多。由此結果可知，蕭特基 二極體逆向電流之感測靈敏度較順向電流高出許多。

表3-2 即為奈米線蕭特基二極體元件於 VD=+1 V 及 VD=-1 V 之導電度變化量( G)△ 統計表。導電度變化計算公式為△G=(I-I0)/I0，由表3-2 可知，元件操作在逆偏時(VD<0)，

不論奈米線蕭特基二極體表面修飾為AEAPTMS 或是奈米金粒子，導電度的變化量皆比 在順偏時(VD＞0)高。可以明顯的看出，元件操作在逆向偏壓(VD<0)時，奈米線蕭特基 二極體之感測靈敏度是較高的。

表3-2、元件表面修飾AEAPTMS分子及金奈米粒子導電度變化量表。

+1 V -1 V

AEAPTMS 13% 151%

AuNPs -10% -61%

3.4 蕭特基二極體生物感測器之感測機制 3.4.1 蕭特基接面

若選用一般之金屬與半導體直接形成接面，可能會造成接面相當粗糙，且因此 得到極大之漏電流。所以一般會選用金屬之矽化物如Ti-Silicide (TiSi2)、Co-Silicide (CoSi2)、Ni-Silicide (NiSi)來形成蕭特基接面。Ni-Silicide (NiSi)金屬矽化物，電阻 率較低，所以本論文研究最後選用Ni-Silicide作為我們蕭特基二極體之金屬部份。

從參考文獻得知純Ni~ NixSiy的功函數範圍從4.83 eV~4.3 eV[22]，NiSi此種晶相的 功函數約為4.65 eV。

蕭特基接面就是金屬/半導體兩材料的費米能階，在熱平衡狀態時拉平所形 成、有能位障勢存在的接面。

圖3-16、金屬-半導體接面(蕭特基障礙二極體)[21]。

圖3-17、ㄧ個金屬-N型半導體的理想能帶圖[20]。

ψm=Work function of metal

ψBn0=Barrier height(without image-force lowering) ψ0=Neutral level of interface states

ψbi =Built-in potential

εs=Permittivity of semiconductor

χ=Electron affinity of semiconductor [ Si: χ (4.05 V)]

在接觸前，半導體之中的費米能階是比金屬的費米能階高。為了使整各系統的

ψBn是半導體接觸的障礙高度(Barrier Height)，這是金屬之中試圖移動進入半 導體的電子所看到的障礙。這個障礙稱為蕭特基障礙(Schottky Barrier)，理想而言，

圖3-18、不同偏壓情況下金屬/N型半導體接觸之能帶圖[20]。

3.4.2 蕭特基障礙高度的不理想效應

在ㄧ個介電質之中，ㄧ個位於與金屬的距離為X處的電子將會製造一個影像電 場。電場線必須與金屬表面垂直，而且會與位於金屬裡面並且金屬表面有相同距離 的一個影像電荷(+e)所產生的電場相同。這種效應顯示於圖3-19之中。當有電場出 現在介電質之中，位勢將會被修正。位勢的下降是蕭特基效應(Schottky Effect)或是 影像力衍生下降，如圖3-20所示。

圖3-19、在一個金屬-介電質介面處的影像電荷。

圖3-20、具有一定電場，由於影像作用力所造成的位障勢扭曲示意圖[20]。

Ε 16π x q

0

m

⁼ ε

(3.3)

4π

0

Ε

Δφ ⁼ q ε ^{= 2 Ε x}

^m (3.4)

φ qΔ qφ

qφ

^Bn

=

^Bn0

−

(3.5)

雖然蕭特基障礙降低看起來好像是一個小值，但是障礙高度及障礙降低是出現 電流-電壓關係式的指數項中。因此，障礙高度的微小值改變對蕭特基二極體的電 流有一顯著的影響。

蕭特基二極體 電流-電壓關係式

在金屬-半導體接面之中，電流的傳導主要是由多數載子所造成的，這乃是與 P-N接面中的少數載子相反。在具有N型半導體的整流接觸之中的基本過程乃是電

在文檔中 奈米線蕭特基二極體於生醫感測研究 (頁 30-0)