結果與討論

圖 5.1 (a)三類接點元件擬合 p 值與室溫電阻關係，根據室溫電阻可分為 A、B 與 C 三區；(b)不同接點對應 A、B 與 C 三種區域，接點示意圖 [2]。

由圖 5.1(a)可得知 p 值為 1、2 和大於 3 可分為 A、B 與 C 三個區域，contactⅠ元 件都集中在 A 區，雙邊電極皆為歐姆接觸，符合 p=1 的熱活化傳輸理論；contactⅡ 元件符合 p=2 的一維變程跳躍傳輸理論；contactⅢ元件符合 p =3、4 的二維或三 維變程跳躍傳輸理論；而圖 5.1(b)為三類接觸模型示意圖，由於鈦與氧化鋅功函 數匹配，鈦與氧化鋅功函數相同如表 5.1，接觸後應該為歐姆接觸而呈現 A 區電 性傳輸，然而有許多樣品分佈於 B 區和 C 區 p 值相對較大，由此推測熱蒸鍍電 極時由於真空度影響，使得鈦金電極接面有氧化鈦產生，而我們相信由於此氧化 鈦層夠薄，使得 B 區元件呈現一維變程跳躍傳輸，當氧化層厚度夠厚時，所有 通道混合成二維或三維變程跳躍傳輸如 C 區域。在分析接點主導的元件時發現 有四組 p 值接近 10，分佈在 B 與 C 兩區域，由於熱活化傳輸理論與變程跳躍傳 輸理論並不能合理解釋

p 

4傳輸行為，為了瞭解其中差異，我們將此些元件分 開討論於圖 5.2 所示。

圖 5.2 第三類元件較大 p 值的電阻與溫度關係圖 [3]。

由上圖發現其電阻與溫度呈現冪次關係，即 R

 T

^，而我們也利用此冪次關係 重新擬合其他 p 值介於 1 到 4 的樣品，並不符合此關係；根據先前研究成果指出 [3]，無序程度增強會使得相對應的 p 值增大，所以我們推測此 p 值較大的四組 元件在熱蒸鍍鈦電極時，真空度的影響使得鈦金接面處可能產生氧化鈦，氧化鈦 是一種半導體材料，由於氧化鈦與金的功函數不匹配，如果在接面處產生氧化鈦，

則金與氧化鈦接面會產生蕭特基接觸(理論見 3-3 節)。

由於蕭特基接面處具有一個空乏區 W，空乏區內的電場很有可能會壓縮電 極下方氧化鋅奈米線，使得電子在傳輸過程中受到電場影響呈現特殊的冪次關係，

即 R

 T

^，為了可以更詳細了解此冪次關係起因，在後面我們製作三種不同結 構的元件(元件結構見 5-2 節)，詴圖在電子通道上製造電場，造成奈米線通道被 電場壓縮而影響電性傳輸行為。本論文利用此三種元件研究氧化鋅奈米線本質與 電場壓縮下的電性傳輸差異，在後面章節中將討論電場壓縮奈米線下，電性傳輸 呈現準一維電子系統特性-拉廷格液體。

5-2 氧化鋅奈米線元件觀察

本實驗所用到的氧化鋅奈米線是利用固液氣相機制所成長的氧化鋅奈米線 [4]，其平均線徑約 50 nm，長度約數個微米，本實驗使用 cm cm的高摻雜 p 型矽基東，氧化層採用 400 nm 的氧化矽。

在此將介紹三種類型的元件構造，typeⅠ元件目的是為了量測本質氧化鋅奈 米線的電性傳輸，構造如圖 5.3(c)，由前面 5-1 節討論可發現鈦與氧化鋅鈦金接 點必頇為歐姆接觸才可忽略接點電阻，整體電性為氧化鋅奈線主導。

圖 5.3 氧化鋅奈米元件 typeⅠ (a)SEM 圖； (b) 元件構造俯視示意圖；(c)元件 構造側視示意圖，圖中圓圈標註為歐姆接觸。

由前面 5-1 小節討論知道，由於鈦金電極接點處電場影響使得電阻與溫度呈 現冪次關係，因此我們熱蒸鍍鈦電極時通入氧氣，使得鈦金電極接面處氧化更完 全，此種元件我們稱為 typeⅡ元件，與 typeⅠ構造相同，只有製成步驟些許不同 (製成步驟見 4-2-2 小節)，構造如圖 5.4(c)，利用氧化鈦與金形成蕭特基接觸產生 電場如圖中箭號，壓縮電極底下的奈米線通道，呈現準一維電子系統。

圖 5.4 氧化鋅奈米元件 typeⅡ (a)SEM 圖； (b)元件構造俯視示意圖，圖中圓點 代表氧化鈦；(c)元件構造側視示意圖，箭號為蕭特基接觸所產生電場，圖中圓 圈標註處為準一維通道。

由於接點內無序的影響，在量測 typeⅡ元件時，我們很難區分接點電阻和電 場壓縮奈米線通道的電性傳輸。又因為 typeⅡ元件室溫電阻約為 . GΩ 至 GΩ 分佈，氧化鋅奈米線元件從室溫 300 K 量測至 100 K 電阻值會上升數個數量級，

此外我們的量測系統內建電阻阻抗為 10¹¹ Ω，因此到低溫時很難辨別是系統漏電 還是樣品訊號，僅有少部分樣品可以測量至 100 K。所以我們也利用另外一種方 式來壓縮電子通道稱為 typeⅢ元件如圖 5.5(c)，製成方法是源極與汲極中間蓋上 鉑，鉑電極不通電流只當作覆蓋層，由於鉑與氧化鋅功函數關係(如表 5.1)，接 觸後也會產生蕭特基接觸，又因為鈦與氧化鋅為歐姆接觸，所以量測時可以不用 考慮接點電阻，對於觀察電場壓縮氧化鋅奈米線通道下的傳輸機制相對容易。

圖 5.5 氧化鋅奈米元件 typeⅢ (a)SEM 圖； (b)元件構造俯視示意圖，圖中鉑電 極不通電流，只當作覆蓋層；(c)元件構造側視示意圖，箭號為蕭特基接觸所產 生電場，圖中圓圈標註處為準一維通道。

我們可由 typeⅠ元件量測本質氧化鋅奈米線電性傳輸行為，利用 typeⅡ和

圖 5.6 本質氧化鋅奈米線電性傳輸曲線，p=1 實線為採用熱活化傳輸理論擬合 曲線，p =4 虛線為變程跳躍傳輸 [3]。

上述僅採用熱活化傳輸擬合高溫區，三維變程跳躍傳輸擬合低溫區，如果全 溫區兩種傳輸機制皆考慮下，整體電子傳輸機率可由熱活化傳輸機制機率與三維 變程跳躍傳輸機率相加，如(式 5.5)所示：

3 total thermal D VRH

P  P  P

_

(式 5.5) 由於電子傳輸機率與電流成正比，因此我們可以將此兩種傳輸機制的電導綜合疊 加，使之成為本質氧化鋅奈米線的總電導：

3 total thermal D VRH

G  G  G

_ (式 5.6)

其中 _thermal為熱活化傳輸電導， _3D- 為變程跳躍傳輸電導，利用(式 5.6)擬

合同一組電性數據如圖 5.7 所示，其中

G  R

^1。

圖 5.7 電導疊加模型擬合電性曲線 [3]。

實線表示電導平行疊加擬合曲線，由上圖可知本質氧化鋅奈米線符合平行電 導疊加模型。由此我們推論，在溫度很高時熱活化電導遠大於三維變程跳躍傳輸，

所以整體電性傳輸由熱活化傳輸所主導，隨著溫度下降，三維變程跳躍傳輸顯得 重要，曲線隨著溫度彎曲，到了溫度很低時，整體電性傳輸由三維變程跳躍所主 導。藉由此小節了解本質氧化鋅奈米線的電性傳輸特性，在後面章節我們可以利 用此特性分析氧化鋅奈米線本質與電場壓縮通道的電性傳輸差異。

5-4 電場壓縮下氧化鋅奈米線的電性傳輸特性

此章節分為：電場壓縮氧化鋅奈米線通道的電性傳輸觀察、氧化鋅奈米線本 質與電場壓縮下的電性傳輸差異分析、拉廷格液體特性分析…等，分別探討。

5-4-1 電場壓縮氧化鋅奈米線通道的電性傳輸觀察

此章節將觀察由 typeⅡ與 typeⅢ元件所量測到的電場壓縮氧化鋅奈米線通

為非線性。圖 5.8(b)為典型 typeⅢ元件的電流與電壓關係，室溫電阻為6.27 10



⁶ Ω，溫度 300 K 至 100 K，IV 曲線皆為線性曲線。

圖 5.8 元件電流與電壓量測關係圖(a)typeⅡ元件；(b)typeⅢ元件，中間鉑電極 不通電流與電壓，只當作覆蓋層。

typeⅡ元件溫度至 100 K 時電阻為1.60 10



¹⁰Ω，而量測系統內電阻為10 Ω，¹¹ 所以溫度在 100 K 以下量測到的電性數據很難區分為量測系統漏電還是樣品訊 號，然而 typeⅢ元件室溫電阻較 typeⅡ小數個數量級，量測至 100 K 時電阻為 1.64 10



8Ω，為了比較本質氧化鋅奈米線(typeⅠ元件)與電場壓縮下氧化鋅奈米線 (typeⅡ與 typeⅢ元件)液氦溫區電性傳差異，所以將 typeⅢ元件量測至液氦溫區。

圖 5.9 為 typeⅢ元件於液氦溫區 IV 曲線量測圖，由圖可知當溫度降至 60 K 時，

曲線由線性變為非線性。

圖 5.9 typeⅢ元件元件電流與電壓量測關係圖。

我們從每個溫度的 IV 曲線圖取出零偏壓下所對應的電阻值，再將電阻與溫 度關係作圖。圖 5.10(a)是由 IV 曲線取出零偏壓下的電阻，室溫電阻為1.36 10



⁸Ω，

隨著溫度下將電阻逐漸上升，量測至 100 K 時電阻為1.60 10



¹⁰Ω。而圖 5.10(b) 是由 IV 曲線取出零偏壓下電阻，室溫電阻為6.27 10



⁶Ω，隨著溫度下降電阻逐 漸上升，量測至 100 K 時電阻為1.64 10



⁸Ω，量測至 35 K 時電阻為1.75 10



¹⁰Ω 如圖 5.10 內嵌圖所示。

圖 5.10 元件電阻與溫度關係(a) typeⅡ元件；(b) typeⅢ元件。

在 5-4-2 節中，我們將利用本質氧化鋅的電導疊加模型探討上述電性傳輸關係。

5-4-2 氧化鋅奈米線本質與電場壓縮下的電性傳輸差異分析

在本小節中將探討本質與電場壓縮下氧化鋅奈米線電性傳輸差異，由 5-4-1 節知 道電場壓縮奈米線通道元件的電阻與溫度關係圖，我們把三類元件的電阻與溫度 作圖並討論如下。

圖 5.11 電阻與溫度關係圖，實線為電導疊加模型擬合曲線，右上角插圖為 log R 與 logT 關係圖(a) typeⅠ元件；(b) typeⅡ元件；(c) typeⅢ元件。

由 5-3 節討論中知道本質氧化鋅奈米線符合電導疊加模型，因此我們詴圖由電導 疊加模型擬合來判別三種元件電性傳輸差別，由圖 5.11 發現三類元件利用電導 疊加模型擬合很難從中分辨其中差別。我們將三類元件的 RT 曲線換成 log R 與 logT 關係觀察，由圖 5.11 右上插圖可看出氧化鋅本質與電場壓縮通道的傳輸差 異，typeⅠ元件在 log R 與 logT 關係下，電阻以溫度接近 80 K 可分為兩段線性區，

高溫區斜率較低溫區大，兩段線性區交點在曲線正上方，觀察多組 typeⅠ元件，

皆呈現此種關係；typeⅡ元件由於室溫電阻過高以及量測系統內電阻接近 100 K 電阻值，導致無法分辨樣品或系統訊號，所以無法得知液氦溫區量測數據，而液 氮溫區內電阻與溫度呈現冪次關係，即 R

 T

^；typeⅢ元件溫度以接近 90 K 分 為兩段線性區，但與 typeⅠ不同的是高溫區斜率較低溫區小，而兩段線性區交點 則是在曲線正下方，觀察多組 typeⅢ元件都可以發現此現象。我們相信由於蕭特 基接觸影響，空乏區內所產生的電場壓縮奈米線通道，使電性傳輸別於本質氧化 鋅奈米線，呈現準一維電子系統特性，在特定溫區下電阻與溫度呈現特殊冪次關 係，因此推測此系統為為準一維電子系統-拉廷格液體；而 5-4-3 節將進一步利用 拉廷格液體的特性分析氧化鋅奈米線電場壓縮通道的電性傳輸，並利用拉廷格液 體特性比較本質與電場壓縮下氧化鋅奈米線間的差異。

5-4-3 拉廷格液體特性分析

由於蕭特基接觸關係，空乏區內所產生的電場可能壓縮奈米線通道，因此我

由於蕭特基接觸關係，空乏區內所產生的電場可能壓縮奈米線通道，因此我

在文檔中 探索準一維氧化鋅奈米線電性傳輸 (頁 54-76)