近年來半導體科技日新月異的發展，各種電子元件的尺度也不斷地縮小，隨 著製程技術由次微米跨進了奈米的領域，各式各樣奈米結構應用在工業上有許多 新穎的發展，這種發展也促使半導體奈米線元件越來越受人注目，其製成的電子 和光電元件相較於傳統元件具有較快的元件運算速度和低功率消耗的優點，更讓 半導體奈米線元件成為熱門的研究主題。
半導體材料中三-五族半導體因為大部分為直接能隙(direct bandgap)半導體 [1]，在兩個能帶之間的躍遷不需要改變晶格動量即可發生，經常被用來當作光 電元件的材料。而在三-五族半導體中，磷化銦(InP)具備了較小的電子游離係數，
相對於其他半導體還擁有較高的電子遷移率，電子在通過磷化銦半導體材料速度 快，這意味著磷化銦奈米線可以更有效率的運送電子，在製作奈米等級的光電元 件相當具有潛力。是一項值得被注意的半導體材料。
高結晶的磷化銦半導體奈米線可以成功的經由氣液固成長(vapor-liquid-solid growth)[2]、雷射輔助觸媒成長(laser-assisted catalytic growth)[3]和溶液-液相-固相 成長(solution-liquid-solid growth)[4]等方法合成，再透過電子束微影技術製成電子 元件。如同其他半導體材料，磷化銦奈米線也可以藉由摻雜(doping)而改變為 n 型或是p 型半導體，利用閘極偏壓對其電性行為的影響，即可分辨奈米線的型態，
此外應用這些被摻雜的奈米線除了可以呈現奈米尺度的場效電晶體 [5]效果，也 能形成微小的p-n 接面，展現整流和發光的特性。
除了在電性方面的發展，磷化銦奈米線也有光致發光(photoluminescence)的 特性，從偏振光的量測中顯露出磷化銦奈米線對於垂直或是平行偏振相當靈敏 [6]。這些本質的各向異性可被用來創造成奈米尺度的光感測器，對於整合光電 流、光開關和高解析度偵測器相當有用，此外將磷化銦奈米線埋入一般太陽電池 聚合物層中，也可以大大增加太陽電池的效率。
由於磷化銦奈米線元件相當微小，半導體與電極間的接觸面積也隨之縮小，
這會造成接點電阻對元件的影響逐漸增加，根據實驗室學長的研究[7]，奈米線 元件可以依金屬與半導體接觸的好壞，分為本質奈米線主導電性行為及接點電阻 主導電性行為，其電性傳輸機制可是大不相同，但不論何種為主的奈米線元件都 有其功用存在，值得我們去分析討論。
本次實驗就是針對磷化銦的電性與對光的反應加以研究探討，考慮在變溫環 境下量測磷化銦奈米線的電流電壓曲線，討論其電性傳輸機制與接觸電阻影響的 程度，並且加入閘極電壓使其展現場效電晶體的效果，最後對磷化銦奈米線元件 照射雷射光，觀察光線在接點好壞不同的元件上，對其電流電壓曲線的影響，並 討論其照光之響應率。
參考文獻
[1] D. A. Neamen, Semiconductor Physics and Devices 3th ed.
[2] S.De Franceschi, J. A. van Dam, E. P. A. M. Bakkers, L.F. Feiner, L. Gurevich and L. P. Kouwenhoven, Appl. Phys. Lett. 83, 344 (2003)
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[4] Zahoping Liu, Kia Sun, Wen-Bin Jian, Dan Xu, Yen-Fu Lin, and Jiye Fang, Chem.-Eur. J. 15, 4546 (2009)
[5] X. Duan, Y. Huang, Y. Cui, J. Wang, C. M. Lieber, Nature 409, 66 (2001)
[6] J Wang, Mark S. Gudilsen, X. Duan, Y. Cui, C. M. Lieber, Science 293, 1455 (2001)
[7] 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)
2.1
er diode)、
電半導體材 體(High Elect
發光二極體 材料，其製作 米線生長技術 射輔助觸媒成 sisted growt 制所需溫度較 ndgap)約 1.
V s)[3]，使 tron Mobili 體(light emi 作單晶基板的 d growth, SL
章 文獻
ity Transisto itting diode) 的技術更是 成熟，高結晶assisted cata 發成長(therm or, HEMT)
)和太陽電池 是目前少數可 晶的III-V 族 alytic growt
mal evapora 米線直徑較大 th, LCG)[4]
ation growt 大，有時無
長出直徑較小的奈米線，而且直接使用較低熔點的金屬如銦或鍺當催化劑，可以 成長出更純更少缺陷的奈米線，隨著目前各種元件尺度逐漸縮小的趨勢，有許多 的研究團隊投入對磷化銦奈米線的研究。
(b) 磷化銦奈米線初期研究
首先在2000 年 Charles M. Lieber 等人[4]使用雷射輔助觸媒成長方式製成磷 化銦奈米線，線寬大約數十奈米，接著2001 年他們使用相同的方法，並在成長 過程中摻雜了六族元素銻(Te)和二族元素鋅(Zn)使磷化銦奈米線成為 n 型和 p 型 半導體，接著他們將磷化銦奈米線散佈在600 nm 厚的氧化層上，以熱蒸鍍法鍍 上鎳/銦/金的金屬電極，先對奈米線做四點量測確保磷化銦奈米線和金屬電極接 面為歐姆接觸，再進行兩點量測同時施加閘極電壓，使其展現場效電晶體的效果，
觀察磷化銦奈米線電流電壓曲線的變化，如下圖所示
圖2.2 與閘極相依的電流電壓關係圖(a)摻雜銻的磷化銦奈米線，其線寬為 47 nm (b)摻雜鋅的磷化銦奈米線，線寬為 45 nm，比例尺為 1μm [5]
由於奈米線的電導(conductance)對於 n 型或是 p 型半導體在施加閘極電壓時 會有完全不同的反應，若V 0對於 n 型半導體會幫助累積電子增加其電導，反
n‐type
p‐type a
b
1 μm
1 μm
之對於p 型半導體會耗盡電洞而減少電導。因此，由圖 2.1 我們可以發現摻雜銻 的奈米線，其電導隨著V 減小而減小；而摻雜鋅的奈米線，其電導卻隨著V 減小 而增加，利用這兩種不同的反應，即可以很明確的指出摻雜銻的磷化銦奈米線為 n 型半導體，而摻雜鋅的磷化銦奈米線則為 p 型半導體。再進一步的討論，當 V 0作用在摻雜銻的磷化銦奈米線時，電子會逐漸耗盡而使電導愈來越小，甚 至當V 20 V，奈米線的電導趨近於零，就好像是從導通(開)的狀態進入絕緣 (關)的狀態，施加不同的閘極電壓竟然造成電導改變 4-5 個數量級左右，他們表 示 這 種 電 導 與 閘 極 電 壓 相 依 的 行 為 就 像 金 屬 氧 化 物 半 導 體 場 效 電 晶 體 (MOSFET)。
之後他們利用電場，將上述已知n 型或是 p 型的磷化銦奈米線交叉排列形成 n-n、p-p 或是 p-n 接面，在鍍上鎳/銦/金的金屬電極，即可量測基本電壓電流特 性，如下圖
圖 2.3 不同型態之奈米線元件和電性(a)由場發射式電子掃描顯微鏡觀察製作交 叉奈米線元件的結構，比例尺為2 μm(b)~(d)分別是 n-n 接面、p-p 接面和 p-n 接 面的電流電壓關係圖[5]
圖2.2(a)為使用電場將兩條奈米線交叉並鍍上電極製程元件的示意圖，若想 2 μm
得到n-n 接面則 AC 端和 BD 端皆使用摻雜銻的 n 型奈米線，同樣若要 p-p 接面 則使用摻雜鋅之p 型奈米線，而在這次的實驗中所使用的奈米線直徑分佈大約是 20~75 nm 之間，圖(b)和(c)分別是量測兩條 n 型奈米線和 p 型奈米線交叉所形成 的 n-n 和 p-p 接面，其中綠色和藍色的曲線表示量測此奈米線元件 AC 端和 BD 端，由圖可以發現電壓電流的變化為直線或是趨近於直線，這表示奈米線和金屬 電極接點為歐姆或是近似歐姆接觸，接點電阻不會影響對電流電壓的量測，同時 也暗示這兩條奈米線之間存在的氧化層，並不會產生有影響性的穿隧障壁，若氧 化層有影響的話，會因為有一個較大的位能障壁，使得電壓電流曲線變化為非線 性。此外，量測相鄰兩端點(AB、AD、CB 和 CD)的電流電壓曲線以紅色曲線表 示，會發現這些曲線皆有類似的電性行為，而且電阻比起量測單根奈米線都來的 大 ， 由 這 些 結 果 可 以 推 論 ， 儘 管 兩 條 奈 米 線 交 叉 的 接 觸 面 積 很 微 小 (10−12~ 10 cm−10 −3)，但接面確實主導了相鄰兩端點的電性行為。
在確定接面會影響奈米線電性行為後，以同樣的方法交叉兩條不同型態的磷 化銦奈米線形成p-n 接面，圖 2.2(d)即量測 p-n 接面的電壓電流曲線圖，單獨量 測此元件AC 端和 BD 端就如同量測純 n 型或是 p 型的奈米線，其線性的行為可 以暗示奈米線與金屬的接點為歐姆接觸，而其餘相鄰電極兩兩量測則會如同一般 p-n 接面半導體展現出整流的特性[3]，在反向偏壓只存在少許的電流，而在順向 偏壓超過某個電壓時會允許大量電流流過。以一個標準的p-n 接面來說，整流的 效果是由於p 型和 n 型半導體之間的位能障壁所引起，而對於交叉兩種型態奈米 線元件也能產生如此的行為，Charles M. Lieber 以兩條奈米線接面存在微小的氧 化層來解釋，因為奈米線和金屬的接點為歐姆接觸，所以整流效應就不考慮是由 金半接面蕭特基二極體(Schottky diodes)所引起的，而且由圖 2.2(b)、(c)可知量測 相鄰電極時，兩條奈米線的接面確實會影響其電性行為，因此當不同型態的接面 為順向偏壓時，這氧化層的障壁會減小而相對較多的電流會流過接面；另一方面，
當接面為反向偏壓時這層障壁會變得更大而使得只有少部分的電流能通過。
過量
harles M. Li 0~50 nm 不
由原子力顯微鏡觀察確定每根奈米線都是獨立分開的，接著在室溫對奈米線照射 波長514 nm 的光線(強度約1.0 kW cm⁄ )，並且利用二分之一波長的偏振板，改 變入射光的偏振方向，觀察光致發光的效應，可以發現磷化銦奈米線對於垂直偏 振和平行偏振有明顯不一樣的反應，其實驗結果如下
圖2.5 (a)原子力顯微鏡下單根獨立的奈米線 (b)(c)照射平行和垂直偏振光時光致 發光的影像圖[7]
圖2.5(b)、(c)是入射偏振光照射在一根直徑 20 nm 的磷化銦奈米線上，可以看出 光致發光的影像隨著偏振角度由平行變成垂直而由亮變為暗，而且這種現象在其 他數十根奈米線上也可以發現到，統計其平行和垂直偏振下產生的光強度大小比 例ρ I I ⁄ I I 0.91 0.07，其中I 和I 為平行和垂直偏振時產生的 光強度，大多數的奈米線偏振比例為0.96，可以說明這偏振比例與奈米線的直徑 無關，縱使他們所使用的奈米線直徑10~50 nm 都有。
為了解釋這種現象，考慮到入射光的波長比奈米線直徑大的多，他們將奈米 線視為無限長的介電圓柱，當入射平行偏振光通過這圓柱時，其強度將不會減少；
但是當垂直偏振光通過圓柱時，根據馬克斯方程式[8]
E 2ε
ε ε E 2.1 式 其中E 是圓柱內的電場強度，E 是圓柱外激發的電場強度，ε和ε 分別是圓柱和