第五章 結果與討論
5.2 磷化銦奈米線之電性傳輸特性
圖 5-4 (a)製作完成的磷化銦奈米線元件之電子顯微鏡圖。(b)鈦金電極接上 磷化銦奈米線兩端之電子顯微鏡圖。
5.2 磷化銦奈米線之電性傳輸特性
本實驗雖然製作相同參數(等電極間距、等電極厚度、相同高摻雜硼的矽基 板)的磷化銦奈米元件，而且奈米線是從同一種溶液取出來，但是室溫電阻值卻 不相同，量測到的室溫電阻值落在 107~109 Ω 範圍之間，我們從樣品中分別挑出 107、108及 109 Ω 數量級的典型元件(依序為 S1、S2 及 S3)，並且繪製電流-電壓 關係圖，如圖 5-5 所示。在圖 5-5 中，很明顯可以觀察在固定電流範圍(0.5 nA 至 -0.5 nA 之間)下，相同參數的元件，其室溫電阻值相異且在電流-電壓圖中皆呈線 性行為，而且室溫電阻值分別為 2.9×107 Ω(S1)、2.1×108 Ω(S2)及 1.5×109 Ω(S3)。
因此我們無法單單藉由在室溫下所量測電流-電壓關係圖來了解電性不同的原 因。
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圖 5-5 (a)三組磷化銦奈米元件(室溫電阻值分別約為 2.9×107 Ω(S1)、2.1×108 Ω(S2) 及 1.5×109 Ω(S3)的電流-電壓關係圖。
然而，我們進一步地嘗試將三種元件(電阻值分別落於 107、108及 109 Ω 的 數量級)在變溫環境下量測，結果分別如圖 5-6、圖 5-7 及圖 5-8 所示。在圖 5-6 中，元件 S1 的室溫電阻值約為 2.9×107 Ω，而量測溫度範為在 300 K 至 20 K 之 間，其中環境溫度在 100 K 時的電流-電壓圖開始呈非線性行為，但是全部的電 流-電壓關係圖為對稱圖形。在圖 5-7 及圖 5-8 中，元件 S4 與 S5 的室溫電阻值 分別為 3.4×108 Ω 與 1.4×109 Ω，而電流-電壓關係圖與圖 5-6 皆為對稱圖形，其 中環境溫度分別在 140 K 及 220 K 時，電流-電壓圖也開始呈非線性行為。因此 我們發現隨著室溫電阻越大，發生非線性行為的溫度越高，但是依然無法由電流 -電壓關係圖(在變溫環境下的量測)來了解電性不同的原因。
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圖 5-6 磷化銦奈米元件 S1(電阻值約為 2.9×107 Ω)在變溫環境中的電流-電壓關係 圖。
圖 5-7 磷化銦奈米元件 S4(電阻值約為 3.4×108 Ω)在變溫環境中的電流-電壓關係 圖。
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圖 5-8 磷化銦奈米元件 S5(電阻值約為 1.4×109 Ω)在變溫環境中的電流-電壓關係 圖。
為了繼續探討其電性不同的原因，我們在變溫環境中量測數十個元件，從中 找出三種典型元件(107、108及 109 Ω 數量級)的電流-電壓關係圖，藉由電流-電壓 關係圖中，我們可以計算出零偏壓下的電阻值，並且作電阻對數-溫度倒數圖，
如圖 5-9 所示。在圖 5-9 中，元件 S6、S7 及 S8 的室溫電阻值分別為 1.1×109 Ω、
4.2×108 Ω 及 8.7×107 Ω，其中量測溫度範圍約為 300 K 至 100 K，在電阻對數與 溫度倒數中的高溫部分圖形為線性，隨著量測溫度越來越低，圖形中的斜率會有 逐漸縮小趨勢，而且三個特性曲線的轉折點也會隨著電阻值增加而向高溫部分移 動；然而，就我們目前所學的知識中 [2, 3]，在高溫部分(環境溫度約為 300 K~200 K)，我們推測電性行為是由本質奈米線主導，並且嘗試著使用熱活化傳輸理論 (thermally activated transport theory)去擬合，擬合曲線(實線表示)與數據相互符合，
其中在電阻對數-溫度倒數關係圖中，斜率是相同地，這也表示元件在高溫部分 有相同的活化能(activation energy)；另一方面，我們推測在低溫部分的電性行為 是由接點電阻主導，並且使用變程跳躍傳輸理論(variable hopping transport theory)
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去擬合，擬合曲線(虛線表示)也相互符合，其中元件 S6、S7 及 S8 的擬合參數 p 分別為 4、2.4 與 4。由過去的文獻 [4]了解到隨著元件電阻值的增加，無序程度 也會增加，則變程跳躍傳輸理論的參數 p 也隨之增加，這代表元件的電性行為是 由接點電阻所貢獻。
圖 5-9 磷化銦奈米元件 S6、S7 及 S8 的電阻對數-溫度倒數關係圖，並且用熱活 化傳輸理論(擬合曲線為實線)與變程跳躍傳輸理論(擬合曲線為虛線)擬合。
如果只觀察元件 S6 與 S7 的參數 p，接點電阻的貢獻性質就會顯露出來。然 而，元件 S8 的參數 p 為 4，其沒有隨著電阻值增加而參數 p 增大的趨勢，因此 我們嘗試將落在元件 S8 數量級的樣品(元件 S9)來單獨探討，並且量測溫度降至 20 K，實驗結果如圖 5-10 所示。在圖 5-10 中，在高溫部分，我們使用熱活化傳 輸理論(thermally activated transport theory)擬合(擬合曲線為用實線表示)，低溫部 分使用變程跳躍傳輸理論(variable hopping transport theory)擬合(擬合曲線為用實 線表示)，其中擬合結果的參數 p 也是 4。由文獻中 [5]我們可以瞭解本質奈米線 主導電性的元件在高溫部分是用熱活化傳輸理論(thermally activated transport theory)去擬合，在低溫部分用變程跳躍傳輸理論(variable hopping transport theory)
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擬合，主要是由於在高溫部分時，環境提供足夠能量給電子，使電子能夠從雜質 能階(donor level)躍遷至傳導帶(conduction band)；在低溫部分，由於環境無法提 供電子從雜質能階(donor level)躍遷至傳導帶(conduction band)的能量，則電子選 擇跳躍至鄰近能階的位置來傳遞，除此之外，我們也觀察在一系列的元件中，元 件 S8 與 S9 具有最低電阻數量級，因此我們推測 S8 及 S9(107 Ω 數量級)在全溫 度範圍是由本質奈米線主導電性。然而，由於在圖 5-10 中的高溫部分可以使用 熱活化傳輸理論(thermally activated transport theory)去擬合，故我們可以計算元件 S9 的活化能(activation energy)，其值為 51 meV；另一方面，若假設電子漂移率 為(mobility)為 1000 cm2/V-s，我們也可以利用本質奈米線電阻率公式求出元件 S9 的電阻率及載子濃度，其分別為1.49 Ω-cm 及 4.2×1015 cm-3。因此藉由晶格結構 排序整齊(由 5.1 章節得知)與電子濃度大小，我們推測磷化銦奈米線的缺陷少且 具較低載子濃度。
圖 5-10 磷化銦奈米元件 S9 的電阻-溫度導數關係圖，並且用熱活化傳輸理論(擬 合曲線為實線)與變程跳躍傳輸理論(擬合曲線為虛線)擬合。
由以上探討及分析，我們可以推測具有兩點電極的磷化銦奈米元件，其電性
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行為可能是由本質奈米線及接點電阻所共同影響，也就是說電性行為是兩者在彼 此競爭，如果本質奈米線影響較多，則本質奈米線主導電性，電阻值較小，但如 果是接點電阻影響較多，則接點電阻主導電性，電阻值較大，最後我們也推測本 實驗使用的磷化銦奈米線缺陷少且具有低載子濃度。