第四章 實驗
4.2 實驗步驟
4.2.2 磷化銦奈米線元件製作及量測
由於實驗室已經研究製作奈米線元件一段時間，本節即簡單描述製作過程，
詳細製作奈米線的流程可以參考學長論文[5]。
a. 稀釋磷化銦奈米線溶液
剛製備好的磷化銦奈米線保存在甲苯溶液裡，此時磷化銦奈米線相當稠密且 互相糾結在一起，溶液顏色為不透明的淡紅色，所以我們必須先從製備好的溶液 裡用滴管取出三滴左右的份量到清洗乾淨的溶液瓶裡，再一直加入甲苯直到溶液 顏色為透明。
b. 散佈磷化銦奈米線至矽基板和定位
我們使用的為高參雜的矽基板，表面鍍有 400nm 的氧化層，使用前先將矽 基板依序泡入丙酮、酒精及去離子水在超音波震盪器各震10 分鐘後再用高壓氮 氣槍吹乾完成清潔程序，然後將矽基板放在溫度180℃的加熱盤上，可讓甲苯快 速揮發不至於在基板上留下水漬，同時將稀釋過的溶液放入超音波震盪器震盪約 20 分鐘，使溶液中奈米線分布均勻，亦使奈米線盡量分離不纏繞在一起，以滴 管吸取上層溶液，滴一滴在矽基板上待溶液揮發完，就算完成將奈米線散佈到矽 基板上。
將散佈好奈米線的矽基板放入場發射式掃描電子顯微鏡中，掃描矽基板上奈 米線的位置並存成圖檔，利用友立公司出版的photoimpact 和 autodesk 公司出版 的autocad 軟體，把奈米線的位置標示出來並描繪所需要的電極，電極間距維持 1μm，最後在存成微影軟體(ECP)接受之檔案，便完成奈米線的定位。
c.
機(spin coa 注意避免有氣
維持15 秒
烤(soft bake 微影時不會流
ting machi 氣泡產生，
e.
~0.5 nm/sec 鍍程序。
g.
致冷
參考文獻：
[1] JEOL 公司 JSM-6380 操作說明書 [2] MICROCHEM 公司資料
[3] CRYO Industries of America, Inc. 使用手冊
[4] Zahoping Liu, Kia Sun, Wen-Bin Jian, Dan Xu, Yen-Fu Lin, and Jiye Fang, Chem.-Eur. J. 15, 4546 (2009)
[5] 邱奕正, “氧化鋅奈米線電子元件之奈米接點電性研究” 國立交通大學電子物 理研究所碩士論文 (2008)
第五章 結果與討論
本章節分為三小節，5.1 節首先觀察實驗用到的磷化銦奈米線結構，以及製 作完成的磷化銦奈米線元件，接著5.2 節討論磷化銦奈米線的電性傳輸特性和施 加閘極偏壓時對其影響，最後5.3 節介紹磷化銦奈米線對光的反應。
5.1 磷化銦奈米線結構與磷化銦奈米線元件之觀察
本實驗所使用的磷化銦奈米線是以溶液-液相-固相(solution-liquid-solid, SLS) 成長法製作而成，製備好的磷化銦奈米線保存在甲苯溶液中，溶液呈現暗紅色，
此時奈米線非常稠密且互相糾結在一起，如圖5.1 所示。統計其直徑的大小分佈 為10~30 nm，以高斯分佈擬合統計結果其平均值為 21.42 nm，標準差為±13.92 nm。
10 20 30 40
0 50 100 150 200
250 Data
Gauss fit
Count (arb.units)
Diameter (nm)
圖5.1 (a)製備好的磷化銦奈米線保存在甲苯中，由高解析度穿透式電子顯微鏡影 像可以看出奈米線互相糾結。(b)統計磷化銦奈米線直徑的分佈圖。
(a)
(b)
利 用 高 解 析 度 穿 透 式 電 子 顯 微 鏡 (high resolution transmission electron microscopy, HRTEM)觀察，如下圖 5.2(a)、(b)可發現奈米線生長方向為<111>，
並且和<-111>之間夾角為 70.5°，此與閃鋅結構一致，同時每一個晶格間距為 0.34 nm 也與閃鋅結構在{111}平面的間距值相符[1]，此外由 HRTEM 的影像可以告訴 我們所使用的磷化銦奈米線幾乎沒有自然缺陷(defect)的存在。
(a) (b)
圖5.2 (a)、(b)為以高解析穿透式電子顯微鏡觀察單根磷化銦奈米線的電顯圖[1]。
將上述磷化銦奈米線溶液先在超音波震盪器中震盪30 分鐘以上，再散佈到 擁有400 nm 氧化層的矽基板上，矽基板上有黃光微影製作的金電極和標記點，
挑選單根的磷化銦奈米線，定位完成後，在利用電子束微影製作電極，將奈米線 兩端壓住，即完成磷化銦奈米線元件，如圖5.3 所示，本實驗所有元件電極間距 均維持1 μm，而組成電極之鈦/金厚度分別為 20/180 nm。
(a) (b)
圖5.3 (a)場發射式電子顯微鏡觀察製作完成的磷化銦奈米線電子元件。(b)單根磷 化銦奈米線元件放大圖。
0.34 nm
黃光微影電極 標記點
電子束微影電極
磷化銦奈米線
洩極
源極
1 μm5.2 磷化銦奈米線電性傳輸特性
雖然本次實驗的磷化銦奈米線元件都具有相同電極間距和電極厚度，但是在 其變溫電性量測時，卻有著不同的室溫電阻與電性表現。依據熱活化傳輸理論，
可將奈米線元件分為兩類，一種為本質奈米線主導電子元件以及接點電阻影響其 電性的電子元件。在5.2.1 節我們提出六組磷化銦奈米線的實驗數據，顯示其在 不同溫度下電流電壓曲線的變化。5.2.2 節再討論電阻對溫度的變化曲線擬合熱 活化傳輸理論的結果。最後，5.2.3 節總結磷化銦奈米線元件的傳輸特性。
5.2.1 不同溫度下電流-電壓曲線圖
製作完成的奈米線電子元件置於低溫致冷器中，由室溫 300 K 開始，每隔 20 K 量取電流電壓曲線至 120 K。根據室溫(room temperature, RT)電阻的大小選 取其中六組數據，再由小到大編號為S1~S6，其電流電壓曲線圖如下所示
圖5.4 (a)單根磷化銦奈米線電子元件(S1)在變溫環境中電流電壓關係圖，此元件 室溫電阻值~24 MΩ。
-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 -1.0
-0.5 0.0 0.5 1.0
Current (nA)
Voltage (V)
300 K 280 K 260 K 240 K 220 K 200 K 180 K 160 K 140 K 120 K
RT~24 MΩ
S1
圖5.4 (b)單根磷化銦奈米線電子元件(S2)在變溫環境中電流電壓關係圖，此元件
Current (nA)
Voltage (V)
300 K
Current (nA)
Voltage (V)
300 K
Current (nA)
Voltage (V)
300 K
圖5.4 (e)單根磷化銦奈米線電子元件(S5)在變溫環境中電流電壓關係圖，此元件
Current (A)
Voltage (V)
300 K
Cu rren t (nA)
Voltage (V)
300 K
變少造成電阻增加；反之若是金屬，在低溫時電子傳輸行為受到原子震動的阻礙 變小，因此金屬的電阻會隨著溫度降低而減少，這與我們觀察的結果不符，所以 我們可以確定量測到的電流電壓曲線確實是為半導體的表現。
5.2.2 熱活化傳輸理論之擬合
由於高溫時磷化銦奈米線元件皆是線性關係，無法光由室溫電組判斷量測到 的電阻值，究竟是本質奈米線所主宰還是深受其接點電阻的影響。因此，我們考 慮第三章的熱活化傳輸理論，其電阻與溫度關係如下
R R exp EA
2 T 式 5.1 k 為 波 茲 曼 常 數 (Boltzmann constant) ，R 為物質的電阻常數，EA為 活 化 能 (activation energy)；現在我們對方程式 5.1 做一些變化，將等號兩邊取自然對數，
則式5.1 變為
ln R ln R EA 2
1
T 式 5.2 從式5.2 可發現半導體電阻 R 之對數值會和溫度 T 的倒數成正比，因此我們將樣 品S1~S6 的電阻對數值與溫度倒數做圖，並且根據式 5.1 擬合這六組樣品，其結 果如下
圖 5.5 氧化鋅奈米線元件之電阻對數值對溫度倒數關係圖並且擬合熱活化傳輸 理論。
R R exp EA 2 T
4 6 8 10 12
107 108 109 1010
Res is ta nce ( Ω )
1000/T (1/K)
S1 S2 S3 S4 S5 S6
由圖5.5 我們發現只有電阻較低的磷化銦奈米線元件，其電阻對數值與溫度 倒數呈現線性關係，並可以與熱活化傳輸理論擬合，這結果也暗示著此種電阻較 低之元件，電性行為是由本質奈米線所主宰，而且奈米線兩端與金屬電極的接點 為歐姆接觸。此外，我們也注意到當電阻愈來愈大時，可以與熱活化傳輸理論擬 合的部分愈少，這意味著其電性傳輸特性逐漸的由接點電阻主導。
由式 5.2 也可以發現，半導體電阻對數值與溫度倒數之斜率m EA ，則活 化能可以由奈米線元件與熱活化傳輸擬合之斜率求出，取圖5.5 中前四組電阻較 小並且能與熱活化傳輸理論擬合較佳之元件為例，由其圖5.5 中與熱活化傳輸擬 合之斜率，所求得活化能的值，整理如表5.1
樣品 室溫電阻(MΩ) 電阻率(Ω-cm) 活化能(meV)
S1 22.4 3.0 97
S2 65 4.6 131
S3 87 11 122
S4 312 19.6 132
表5.1 磷化銦奈米線電子元件室溫電阻、電阻率與活化能大小。
統計了一系列的元件，我們可以推估本次實驗使用的磷化銦奈米線其活化能大約 是120 meV，其值與文獻[2-3]相比略小，但具有相同數量級。
5.2.3 奈米線傳輸特性
利用表 5.1 可以更進一步估計磷化銦奈米線的載子濃度，由本質奈米線主導 電性行為，且金半接面為歐姆接觸的樣品中(S1~S4)可推算其電阻率約為 10 Ω-cm，
根據電阻的公式
R ρL A
1 σ
L
A 式 5.3 A 為截面積( πr , r 為奈米線半徑)，L 為電阻長度，σ 為導電率(conductivity)，
若完全解離則，對n 型半導體而言導電率可以簡化如下
σ eμ n 式 5.4 其中μ 為電子漂移率，n 為電子濃度。現在我們假設在室溫中電子漂移率為 1000
㎝2/V，帶回式 5.4 中，即可推算出電子濃度為10 cm ，這可以呼應第一節由 高解析度穿透式電子顯微鏡觀察的結果，我們使用 SLS 方法生長出的磷化銦奈 米線確實是具較低載子濃度，自然缺陷少的半導體材料。
在製造磷化銦奈米線電子元件時，金屬與半導體的接點會有歐姆接觸和非歐 姆接觸的差別。若只是靠室溫電阻和電壓電流的曲線，是無法區別出本質奈米線 或接點電阻主導之電子元件。但透過與溫度相依之電阻變化行為，並且擬合熱活 化傳輸理論，即可確切的分辨所量測的奈米線電子元件，電阻和其電性行為是由 本質奈米線所主導，接點為歐姆接觸；抑或是接點為非歐姆接觸，接點電阻影響 其電性行為兩種類型。
此外，我們可以由電阻對數值和溫度倒數的關係，推算出本次實驗磷化銦奈 米線的熱活化能大約為120 meV，以及利用本質奈米線所表現出的電阻率推算載 子濃度為10 cm ，驗證出所使用磷化銦奈米線如同我們穿透式電子顯微鏡所 觀察的一樣為缺陷較少半導體材料。
5.3 閘極電壓對磷化銦奈米線的影響
透過閘極電壓對電壓電流曲線的影響，我們可以更進一步了解樣品的遷移率 及載子濃度，因此我們挑選幾組樣品以鎢鋼筆或是砂紙的方法刮去氧化層，採用 背部閘極[4-5]的方法，對奈米線元件施加不同的閘極電壓，使其產生場效電晶體 的效果，並觀察奈米線元件電性行為的變化。
圖5.6 (a)閘極偏壓對磷化銦奈米線元件(S1)之電流電壓曲線的影響。
圖5.6 (b)閘極偏壓對磷化銦奈米線元件(S3)之電流電壓曲線的影響。
0.005 0.010 0.015 0.020 0.2
0.4 0.6 0.8
Current (nA)
Voltage (V)
40 V 20 V 10 V 0 V -10 V -20 V -40 V
S1
0.0 0.1 0.2
0.0 0.5 1.0
Current (nA)
Voltage (V)
100 V 60 V 30 V 0 V -60 V -100 V
S3
圖 5.6 (c)閘極偏壓對磷化銦奈米線元件(S4)之電流電壓曲線的影響。
圖5.6 (d)閘極偏壓對磷化銦奈米線元件(S6)之電流電壓曲線的影響。
由圖 5.6(a)~(d)可以清楚觀察到一個明顯的趨勢，當我們閘極偏壓逐漸減少 時，磷化銦奈米線電壓電流曲線的斜率會愈來愈平坦，意味著奈米線的電阻逐漸 變大，即電導愈來愈小；反之，當閘極施加愈大的偏壓，電阻會跟著變小，也就 是電導變大。根據這種現象配合第三章場效電晶體的理論，我們推論當閘極為負 偏壓時，會在奈米線底下的氧化層下方累積負電荷，產生一個往下的電場，若奈
0.00 0.05 0.10
0.0 0.2 0.4
Current (nA)
Voltage (V)
15 V 10 V 8 V 5 V 2 V 0 V -5 V
S4
0.0 0.1 0.2 0.3
0.2 0.4
Current (nA)
Voltage (V)
15 V 10 V 5 V 1 V 0 V -1 V -5 V -10 V
S5
米線是p 型半導體，則此電場會幫助累積多數載子電洞，使得電阻變小，這與我 們觀察到的現象不合。因此，我們判斷所使用的磷化銦奈米線為n 型半導體材料，
米線是p 型半導體，則此電場會幫助累積多數載子電洞，使得電阻變小，這與我 們觀察到的現象不合。因此，我們判斷所使用的磷化銦奈米線為n 型半導體材料，