歐姆接觸

所用的光阻是 AZ5214E，利用其反轉特性而成負光阻，照到光的光阻加上之 後的反轉烤會使得光阻強化堅硬並且對光變成不敏感，一連串的曝光顯影製程示 意在圖 3-4。曝光及對準過程中需注意處四點：

1. 光阻厚度對線寬的影響：若光阻過厚不易曝出小線寬，但若過薄則不利 於剝離(Lift-off)。

2. 去除邊緣光阻：旋轉塗佈光阻於試片上，邊緣出現光阻隆起將妨害對準 及密接，小心去除以免弄髒 wafer。而對於線寬大圖形則不一定需要。

3. 密接( close contact )確實：不確實之密接曝光時之漏光將使圖案走 樣，譬如圖形變大或變小、角成弧形。

4. 曝光劑量：過高劑量將造成線寬下降與鍵結過多使剝離(Lift-off)時光 阻無法除淨;相反地，劑量過少將使線寬上升。空曝(Flood Exposure) 影響先前未與光反應之光阻對於顯影液的溶解度，曝光量太少則不容易 去除。

1:50)，

AZ-5214E

1. 經由轉速控制光阻厚度

2. 軟烤 90℃降低溶劑含量 Wafer

AZ-5214E

3. Image Exposure

經由曝光，形成一種 PH 值較其他為曝

5. Flood Exposure ＞ 200mJ/cm² 整面曝光後，先前未與光作用之區域

II. 金屬蒸鍍 (thickness monitor)，故鍍完後用薄膜測厚儀量測總厚度約為 2000Å。先蒸鍍 Pd 除了因其附著性佳之外，還可以幫助 Zn 元素於 RTA 時擴散。

第三道黃光製程後，蒸鍍的金屬是 Ni/Ge/Au/Ni，厚度分別是 150/800/800/

300Å，所使用的儀器是單電子槍蒸鍍機(E-gun Evaporator)。先鍍 Ni 有助於 Ge 於 時擴散得更均勻，最後仍鍍 Ni 是利用其溶點高的特性防止金屬襯墊在 RTA 後過於粗糙，太過於粗糙會造成之後鋪設絕緣層無法完整覆蓋的問題。

III. 剝離(Lift-off)

負光阻的特性是照到光的部份會強化，光阻強硬程度會跟曝光量成正比，光 透過物質會衰減，所以光阻上層的曝光量會比底部多，造成底部的溶解速率會比 上層快 顯影後光阻邊緣剖面呈底切(undercut)，如圖 3-5(b)。利用丙酮(ACE) 溶解光阻，其上的金屬隨其剝落而留下所希望的金屬圖案。所蒸鍍金屬厚度不能

IV. 快速熱退火(Rapid thermal annealing)

快速熱退火（RTA）為在反應腔內通入氮氣，快速升溫至某一溫度下不進行 任何的氣體反應，讓金屬中特定元素擴散至 GaAs 中產生摻雜作用而提供載子，

降低金屬與半導體之間介面的電阻。溫度的選擇是根據合金在特定比例下有最小 的共熔溫度，調配合適的合金比例來決定所鍍金屬的厚度，比如說 Ge/Au 的重量 比例 12%/88%，換算成厚度約為 1:1，此時其共熔溫度為 420℃，愈小共熔溫度 愈不易破壞晶片磊晶結構，如產生缺陷(defects)或錯位(dislocation)，而受限 於 GaAs 的揮發溫度約 500℃，慎選歐姆接觸的組成金屬是必要的，如前述 N 型 歐姆接觸 Ni/Ge/Au/Ni 的 RTA 條件為 420℃/30s。P 型歐姆接觸 Pd/(Zn/Au)則必 須先行鍍在 P 型晶片上作測試，測試的結果如圖 3-6，RTA 後的最佳結果應該落 在 450℃/30sec 和 450℃/30sec 之間。因為 P 型歐姆接觸 RTA 溫度比 N 型高，故 先蒸鍍前者並 RTA。

圖 3-5 (a) 正光阻顯影後鍍上金屬，(b)負光阻顯影 後 under cut 結構鍍上金屬。

(a)

(b)

(a)

430℃ 30s 450℃ 30s

(b)

490℃ 30s

圖 3-6 測試 Pd/(Zn/Au)不同 RTA 條件下的金屬圖案，時間皆 (c)

no RTA

470℃ 30s

(d) (e)

為 30s，溫度分別為(a)未 RTA;(b)430;(c)450;(d)470 ℃;(e)490℃。

3.2.3 絕緣層(polyimide)製作

所使用的 polyimide 型號是 SU-8 2000.5，第一特點在於本身就是負光阻，

照到光的 polyimide 會堅硬強化﹔第二特點是黏稠性低，旋轉式塗佈控制轉速可 塗佈一層約 3000~7000Å 的厚度，適合作 MIS(metal-insulator-semiconductor) 結構中的絕緣層厚度，但是在旋轉塗佈前滴上溶液至破片上的量不要太多，適量 均勻剛好完整覆蓋住破片就好，否則旋轉塗佈出來的厚度會達到上萬微米，選擇 口徑較小的滴管可避免此情形﹔第三特點是覆蓋性佳，鋪設在經過 RTA 後呈現粗 糙的金屬襯墊上，不容易出現鋪不到的漏洞。其曝光顯影的過程及詳細條件說明 在圖 3-7。另外要注意的是 polyimide 在固化(curing)後變得堅固異常，雖然有 專門的剝離液，仍然不容易去除乾淨。所以在固化前，一定要確定黃光製程沒有 250°C/30min 且通氮氣的狀況下。

圖 3-7 polyimide 顯影製程流程示意圖。

3.2.4 閘極製作

微影製程與第二、三道無異，後利用單電子槍蒸鍍機(E-gun Evaporator) 蒸鍍金屬 Ti/Au(200Å/1500Å)，先蒸鍍 Ti 乃因其附著性比 Au 佳，最普遍的覆蓋 金屬 Au 擁有高電導率。

3.3 量測方法

量測FET特性先確定各別N通道或是P通道是否導通，FET量測系統示意在圖 3-8，引發N通道的閘極電壓大於零，引發P通道的閘極電壓小於零。有效且相鄰 的N通道和P通道，可量測橫向P-N二極體的整流特性，仍利用HP4145 的FET量測 模式，V^g連接引發N通道的閘極，V^s同時連接兩個N型歐姆接觸，只要任一個歐姆 接觸短路則造成橫向P-N接面失效。V^d除了提供電壓給兩個P型歐姆接觸之外，則 還必須接出一條線連接電源供應器(power supply)輸入端，V^d經由電源供應器提 供固定壓降之後輸出引發P通道的閘極電壓，確保掃V^d偏壓且量測I^d電流的同時，

P通道的閘極電壓隨V^d改變，保持P通道的閘極與P型歐姆接觸之間的電壓差以維 持所引發的電洞濃度，另外要注意電源供應器輸出端電壓變化速度要夠快以跟的 上V^d的變化，其量測系統示意在圖 3-9。

MOSFET

data HP4145

Mode:FET Current

signal

Computer voltage signal

圖 3-8 FET I-V 曲線量測系統圖。

AuZn

圖 3-9 橫向 P-N 接面 I-V 曲線量測系統圖。

NiGeAu gate

Fixed Voltage Drop

第四章 結果與討論

0 1 2 3 4 5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0.000001

0 1 2 3 4 5

4.2 檢討可能導致元件失效的原因

固化條件是置於 UV OZONE 儀器設定在通氮氣下維持 200℃、30min，但是為了避 免 Polyimide 內的水氣因為外部固化速率快而跑不出來，在常溫下先置入破片，

在緩緩升溫至 200℃，搭配歐姆接觸正確的 RTA 條件，良好的結果呈現如圖4-8(b) 所示。

Insulator

Ohmic contact Gate metal

169.9nm 77nm

圖 4-7 蒸鍍歐姆接觸金屬之前的蝕刻過深，已超過 量子井位置。

(a) (b)

圖 4-8 polyimide 覆蓋狀況，

(a)覆蓋不完整和(b)覆蓋完整。

第五章 橫向 P-N 接面的特性模擬

利用套裝軟體模擬的結構如圖 5-1，除了模擬的設定參數大部分已在第一章 詳述，N閘極與P閘極之間的距離為 5μm。首先必須先知道N閘極與P閘極各在多 少伏特下引發足夠電子或電洞密度以形成橫向P-N接面，其個別閘極電壓變化而 其他三端接地下的載子濃度與平面密度變化顯示在圖 5-2，由圖 5-2 可看出N閘 極在 3V、P閘極在-5V能分別引發 10¹¹cm^-2的電子和電洞，故選擇同時間下N閘極為 3V、P閘極為-5V下觀察橫向P-N接面特性。以下討論能帶圖、空乏區長度、整流 特性、崩潰電壓、發光與電容等性質。

Vpn

Vin Vip

圖 5-1 橫向 P-N 接面模擬結構圖。

6.1 熱平衡下的能帶結構

圖 5-3和圖 5-4顯示熱平衡下橫向P-N接面的橫向能帶圖與載子濃度分布，

說明橫向P-N接面的確形成且V^bi=1.248eV，內建位勢能障並未如第二章理論所講 大於能隙，此乃因在此系統中量子井旁並未有摻雜雜質的存在，如此能帶形成可 看是四個帶有電荷的板子—N閘極、P閘極、2DHG和 2DEG—供應電場疊加而成，

更簡單來看，N、P閘極之間的電力線取代游離雜質電荷拉扯通道內電子與電洞分 開而建立內建位勢能障。

6.2 電性與光性 I. 空乏區長度

沒有雜質摻雜就沒有游離的受體或施體原子，也沒有空乏區內的游離電荷直 接定義空乏區長度，且此橫向 P-N 接面又多一本質區域相隔，難以跟理論上二維 或三維 P-N 接面作比較。但是 P 和 N 兩邊的電洞和電子仍會受負偏壓影響而往兩 邊擠，因此定義多數載子濃度衰減至其 e^-1 時為空乏區介面，則空乏區長度隨 偏壓變化如圖 5-5，雖然呈線性變化，可是變化幅度不高，且值得注意的是載子 濃度分佈線的尾巴延伸本質區域內。

II. 整流特性

Vⁿ接地且固定Vⁱⁿ與Vⁿ之間壓差為 3V，掃V^p電壓自-5V至 5V的同時要固定V^ip與 V^p之間的壓差為-5V，故V^ip要隨V^p變動，其固定壓差目的為保持電洞密度的不變。

結果如圖 5-6，展示其整流特性。圖中右邊縱座標刻度換為 10 之指數，可看出 在順偏壓下電流一開始成指數成長，末段與偏壓呈線性相關乃因電阻的影響，依 據前段曲線求出理想因數(ideality factor)為 1.556。

III. 崩潰電壓

分佈的電場中其峰值與平均電場隨逆偏壓的變化呈線性如圖 5-7，與第二章 所講理論中平均電場與外加電壓無關有所不同，推測應該是受到兩個閘極供應電

場的影響。假設一般GaAs三維P-N接面其N型與P型摻雜濃度皆為 5×10¹⁶cm^-3 (10¹¹ /20nm,對應所模擬結構中的濃度)的情形下，估計熱平衡下空乏區內的最

長度接面電容值相比之下較小。

V.

cm^-2

大電場為 9.47×10⁴ V/cm，這樣的結果與圖 5-7內的最強電場相比，可知橫向P-N 接面內最強電場即使在逆偏壓為 5V時其值仍然很小，且將近小一個數量級，預 期其崩潰電壓會比一般三維P-N接面高。

IV. 接面電容

當偏壓等於零，其單位長度接面電容隨頻率的變化如圖 5-8。頻率為 100Hz，

其單位長度電容值為 12.018 nF/m;頻率 100MHz時，單位長度電容為 4.546 nF/m。

當改變偏壓觀察電容值變化，發現其幾乎維持定值，C-V曲線圖如圖 5-9，電容 值與外加電壓完全無相關的直接原因在於空乏區長度隨偏壓呈線性變化。參考施 子與受子摻雜濃度皆為 5×10¹⁶cm^-3的GaAs三維P-N接面，假設寬為 100μm，其接面 電容在 0V下約為 43 nF/m，橫向P-N接面的單位

發光性質

圖 5-10顯示在順偏壓 2V 下區域發光強度，由於電子跑的比電洞快，復合發 光最強的區域在本質區域與 P 通道的介面上。

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1

surface density max concentration

Vgs(V)

16 surface density max concentration

Vgs(V)

向方向能帶及載子濃度分布圖 圖 5-3 橫

196 198 200 202 204 206 208 210

-2.0

0 1 2 3 4 5 6 7

linear fit

depletion width(micrometer)

0 1 2 3 4 5 8000

16000 max eletric field average field

2000

field in x direction(V/cm)

reverse bias(V)

圖 5-10 區域發光強度示意圖。

I-Region P-Channel N-Channel

0 1 2 3 4 5

3 4 5 6 9 12 11 13 14

7 8 10

capacitance per uninm)

Reverse bias(V)

ngth(F/

100 Hz

t le

1M Hz 100M Hz

圖 5-9 C-V 曲線圖

第六章 結論

本論文提出新結構的橫向 P-N 介面，特別適合應用於觀察自旋霍爾效應與表 面聲波驅動之單光子源元件中。雖然實驗上元件呈現失效，即表示製程中尚有一 些小瑕疵還未發現，但是本論文仍然提供一個完整製作橫向 P-N 接面的製程給未 來工作者，比如決定 Polyimide 的使用方法和 P 型歐姆接觸 Pd(Au/Zn)的 RTA 條 件測試，且嘗試錯誤的經驗避免重蹈覆轍，另外更有待未來工作者發現其中製程 上未發現的瑕疵。本論文最後用商用套裝軟體模擬預測橫向 P-N 接面的熱平衡下

本論文提出新結構的橫向 P-N 介面，特別適合應用於觀察自旋霍爾效應與表 面聲波驅動之單光子源元件中。雖然實驗上元件呈現失效，即表示製程中尚有一 些小瑕疵還未發現，但是本論文仍然提供一個完整製作橫向 P-N 接面的製程給未 來工作者，比如決定 Polyimide 的使用方法和 P 型歐姆接觸 Pd(Au/Zn)的 RTA 條 件測試，且嘗試錯誤的經驗避免重蹈覆轍，另外更有待未來工作者發現其中製程 上未發現的瑕疵。本論文最後用商用套裝軟體模擬預測橫向 P-N 接面的熱平衡下