磷化銦奈米線對光的反應

磷化銦為直接能隙半導體材料，經常被使用在光電元件上，為了更進一步了 解所製備的磷化銦奈米線元件的光電特性，我們在室溫中將磷化銦奈米線電子元 件照射波長532 nm 的綠光雷射(Intensity = 0.5 W/cm²)，觀察其照光前、後的改變。

首先，對我們的奈米線元件通過固定電流，接著打開雷射光源照射一分鐘後再關 閉，靜至一分鐘後再打開光源，重複上述步驟五分鐘，觀察磷化銦奈米線元件電 壓的變化

0 100 200 300

1 2

Time (sec)

S6

0 100 200 300

0.125 0.130

Voltage (V)

S3

圖5.8 通過固定電流，奈米線元件電壓與照光時間關係圖。

由圖5.8 可以看出無論是本質奈米線主導或是接點電阻主導的奈米線元件，

照射雷射光時電壓皆會比沒照光時小，這暗示我們在照光時量測，會產生更多的 載子通過奈米線元件而導致電阻下降。同時，比較這兩種不同因素主導電阻的奈 米線元件，在照光時期電流電壓曲線的關係圖，

on off

圖5.9 本質奈米線主導電性之奈米線元件(S3)與接點電阻主導電性之奈米線元件 (S6)照光時電流電壓曲線關係圖。

由上圖我們發現無論是何種主導電性的奈米線元件，照光前後電流電壓曲線 仍然維持線性關係，而且照光時的電流電壓曲線皆比沒有照光時還要陡峭，這代 表照光時電阻會比沒有照光時還要小。考慮是否因為照光使奈米線溫度上升，進 而影響到奈米線電阻的表現，因此我們計算了照射雷射光照射奈米線五分鐘時所 產生的焦耳熱為Joule=I_irr⋅

(

)

考慮磷化銦塊材的參數比熱為45.4 (J mol⋅ ⁻¹⋅K )⁻¹ 、密度4.81 (g/cm ) ，莫耳質量³ 為145.792 (g/mol) ，對我們的磷化銦奈米線而言，總質量約為1.511 10 (g)× ⁻⁷ ，莫

耳質量為1.036 10 (mol)× ⁻⁹ [8]，再根據比熱的公式推算奈米線溫度的變化

× Δ × =

C T mol Joule (式 5.6)

8 9

3 10 0.637

45.4 (1.036 10 )

−

−

Δ = × =

× ×

T K (式 5.7) 同時由高溫時奈米線元件電阻與熱活化傳輸理論擬合的關係圖，推算出元件電阻

0 20

0.0 0.5 1.0

0.0 0.4

Dark Laser

2 1 2 1

Ra tio (a rb. units)

Voltage (V)

Current (nA)

S3

Dark Laser S6

與溫度的關係式，對電阻較小本質奈米線主導的元件S3，溫度上升 0.637 K，其 電阻的變化率約 0.55%，而對電阻較大接點電阻主導的元件 S6，電阻變化率約 0.48%。這結果與圖 5.9 我們觀察到的變化率相差許多，因此我們不去考慮照光 時，產生的溫度變化進而影響奈米線電性行為的改變。此外，我們也注意到，在 電壓1 V 時，由本質奈米線主導的元件(如 S3)，照光前後變化率大約是 20％，

但是接點電阻主導的元件(如 S6)，變化率卻高達 100％，能產生如此大的反應也 顯示，接點電阻所主導的電子元件將比本質奈米線主導的電子元件更適合應用在 光偵測器上。

10¹ 10² 10³ 10⁴

1 2

R atio (a rb. units)

RT Resistance (M

)

  圖5.10 不同電阻照光時在電壓 1 伏時的變化率。

我們統計了一系列電阻大小不同的樣品，皆可發現電阻較大的元件照光的變 化率較明顯，這種現象是令我們所驚訝的，我們期待本質奈米線主導電性的元件，

會因為照光而產生較多光電流，因此我們由第三章響應率理論來考慮產生光電流 大小對入射光功率的比，即響應率R(responsivity)。根據文獻[9]，光電流可以定 義 為I I I ， 而 入 射 光 功 率P I A ， I 為 入 射 光 的 輻 照 度 (irradiance)，A 是有效的元件面積，響應率的公式可以改寫成

R I P

I I

I A 式 5.7 由圖5.9 觀察在 V=1 (V)時，以本質奈米線為主的元件 S3 其I 1 10 A ， 而有效面積近似為奈米線表面積A 2πrL 6.28 10 cm ，雷射光的輻照

度I 0.5 W cm 代回式 5.7，可得響應率R 3.18 A W 。同理計算以接點 電阻主導的奈米線元件S6，在 V=1 (V)時I 2 10 ，入射光輻照度與有效 截面積皆相同，可得響應率R 0.32 A W ，比起本質奈米線主導的電子元件還 小許多，這可說明照射相同光源時，本質奈米線主導的電子元件還是能產生較大 的光電流。由這結果我們推測，本質奈米線主導的元件雖然能產生較大的光電流，

但是通過歐姆接觸金半接面之載子並沒有明顯增加，而以接點電阻主導的奈米線 元件照光同樣產生光電流，會因為載子濃度增加使得金半接面障壁縮小或變形，

能通過接面的載子就增加了，這也使變化率會較明顯。

綜合以上可以推論，本質奈米線主導的電子元件確實能在照射雷射光時能產 生較大的光電流，但與不照光時電流相比變化不明顯，做為感測器會較不靈敏。

文獻中也由第二章C. M. Lieber 等人對磷化銦奈米線照射偏振光觀察其光致發光 的實驗裡[10]，推估其奈米線元件在低電壓時的響應率為R 0.35 mA W ，與 本次實驗的結果相比，不管是何種為主導的磷化銦奈米線電子元件，對光的反應 都有較佳的響應率，而且愈是以接點電阻所主導電性行為的奈米線元件，照光時 的變化率愈明顯。

參考文獻：

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[8] Lide, David R., Handbook of Chemistry and Physics 84th ed. (2003)

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Mater. 18, 2379-2383 (2006)

[10] J Wang, Mark S. Gudilsen, X. Duan, Y. Cui, C. M. Lieber, Science 293, 1455 (2001)

第六章 結論

奈米線電子元件隨著半導體科技進步，逐漸受到重視。本實驗使用三五族直 接能隙材料的磷化銦奈米線，散佈在有400 nm 氧化層的矽基板上，並且利用電 子束微影的方式製成多組磷化銦奈米線元件，除了將其置於變溫環境中進行電性 量測，也對磷化銦奈米線元件施加背部閘極偏壓及照射雷射光，觀察電流電壓特 性的變化。

製成磷化銦奈米線元件時，半導體奈米線與金屬電極的接觸面積縮小，進而 使非歐姆接觸的接點會影響其電性行為的表現。本實驗所製成的奈米線元件在室 溫時電阻雖然有高低，但電壓電流曲線皆呈現線性，無法光由電阻值判斷奈米線 電子元件電性為何種因素主導。然而在變溫環境中，將其電阻對數值與溫度之倒 數做圖，並擬合熱活化傳輸理論，即可以明確的區分出電阻愈低之奈米線元件，

是由本質奈米線主導其電性行為，而電阻愈高之奈米線元件，其電性行為是由接 點電阻所主導。接著由與熱活化傳輸理論擬合的斜率，估計出我們使用的磷化銦 奈米線活化能為120 meV。而且更進一步由本質奈米線主導之元件的電阻率，反 推驗證所使用的磷化銦奈米線如同高解析度穿透式電子顯微鏡下觀察的一樣，為 較低載子濃度、自然缺陷少的材料。

本實驗也對多組磷化銦奈米線元件施加背部閘極電壓，觀察電流電壓曲線的 變化可發現，施加愈大的正偏壓，量測到的電阻會逐漸變小，反之施加負偏壓，

電阻會逐漸變大，展現出奈米線場效電晶體的效果，並且由這特性可以判斷本次 實驗所用的磷化銦奈米線為n 型半導體材料。此外，由閘極偏壓對電流電壓的曲 線的影響，我們一直無法觀察到臨限電壓的現象，因此為了驗證本次實驗的正確 性，我們使用n 型的氧化鋅奈米線，利用電子束微影製成奈米元件，以同樣的方 式施加閘極偏壓，觀察其電流電壓曲線的變化，也清楚的指出氧化鋅奈米線為n 型半導體，但可惜仍無法觀察到臨限電壓的現象。檢視整個實驗流程並推估可能 的原因，應該是本次實驗所使用的奈米線載子濃度太低，空間電荷區占去奈米線

大部分長度，使得奈米線對閘極偏壓的反應不明顯；另一個原因也有可能是矽基 板氧化層太厚，閘極偏壓產生的電場大部分無法作用奈米線元件上，因此無法做 定量的分析，但定性的結果是可以令人相信的。

磷化銦經常被使用在光電材料上，而本實驗將其奈米線元件照射波長 532 nm 的綠光雷射，並通過固定電流，可以發現元件電阻會隨著照射雷射光而變小。

分析其照光時溫度變化對電阻的影響，比起我們觀察到電流電壓曲線的變化率顯 得相當不明顯。此外，我們也發現在電壓1 伏內，接點電阻主導的奈米線元件 變化率甚至可達100 ％，如此明顯的變化較適合做為光偵測器。同時本實驗也 仔細去分析奈米線元件照光時的響應率，以本質奈米線主導的元件響應率比接點 電阻主導的元件響應率還大上許多，這也說明雖然接點電阻主導之元件雖然對光 反應比較明顯，但照光產生的光電流還是本質奈米線較多。而且與文獻中的響應 率相互比較，本次實驗的磷化銦奈米線對光線的反應都比較顯著。

透過本次實驗，可以提供奈米線電子元件對於分辨微小接點之好壞，一種非 破壞式的檢測方法，並且針對磷化銦奈米線的電性行為與照光反應，有更進一步 的研究討論。如今奈米科技的蓬勃發展下，預期磷化銦奈米線在日後各式電子與 光電元件中會扮演相當具有潛力的角色。