第一章 緒論
1.1 研究動機
目前積體電路製程工業裡,最重要的材料就是矽。矽材料穩定度高、成本低廉以及
矽製程的良率高，使得它成為 IC 市場裡最重要的主角。但是傳統上矽半導體為非直
接能隙，故很難製作出高量子效率之發光元件。而化合物半導體不但擁有直接能隙可
用來作成高效率發光元件如雷射LED 等，還擁有極高的電子移動率，可用來製造高速
電晶體元件如HEMT、HBT 等。目前的發光元件皆以三五族化合物材料為主，為了要
解決晶片內部傳輸問題，必須將三五族半導體製程與矽製程相結合，但其相容性不高，
且增加製程的困難度與製作的成本。而且化合物半導體和矽的晶格常數不同，故所做 成之發光元件，不能整合於矽晶片上。而最近這十幾年來發現[1-9]，矽化物如矽化鉻 (CrxSiy)、矽化錳(MnxSiy)、矽化鐵(FexSiy)等，除了具有高熔點、良好的熱穩定性及低 電阻和具有高的蕭基能障(Schottky barrier height )外，還擁有直接能隙，這將使得利用 金屬矽化物研製高量子效率之直接能隙發光元件成為可能。在這些具有直接能隙的矽
化物之中，矽化鐵為地球上元素含量最多，其中以 β 相矽化鐵(β-FeSi2)具有半導體性
質，而能隙約0.85 eV 左右，而發光波長屬長波長，約為 1.5 μm 左右，正好屬於光纖 通訊用波段。另一個優勢是可以和現有成熟的矽半導體製程整合，直接在矽基板上製 造出發光元件，大大的降低了開發成本及生產成本，故未來利用之潛力可觀。
當矽材料製作成 low-dimension 時，因量子侷限效應，可直接發光[10-13]；或在 Si 晶格中加入雜質(如 Er)[14]或加入新相(ß-FeSi2)[15-17]，也可觀察到發光現象，數種 矽基發光二極體也研製出來[18-20]。截至目前為止，國內外學者對矽化鐵的研究，主 要注重在薄膜之各種性質，如材料的物性、光學性質、電學性質上之探討，以找出最 佳之薄膜條件[15-17]。而研製出之矽基發光二極體，其外部量子效率皆極低(約 0.01
%)[18-20]。
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1.2 研究方法及論文架構
因此本論文將設計並分析運用 β 相矽化鐵為主動層(Active layer)之矽基雙異質結 構(p-Si/β-FeSi2/n-Si)發光二極體(Double-Heterojunction LED)，在主動層方面，我們利 用矽基(p-Si/β-FeSi2/n-Si)雙異質結構當作主動層[21]，這種結構兩邊材料的能隙高於中 間者，因而可以非常有效地將雙邊之載子注入到主動層，且將這些載子完全困在這一 範圍內，使得再結合機率增加而產生非常高的光電轉換效能。當雙異質接面結構的主
動層厚度逐漸縮小到數 10 埃(Å)時，電子或電洞即產生量子效應，而可大幅提升光電
轉換之效果。而根據目前的文獻研究，由於 Si 跟 β-FeSi2晶格不匹配(~5%)[22]，如果 β-FeSi2的厚度太厚，與Si 之間的應力會變大，會造成 β-FeSi2由直接能隙變成間接能 隙而不發光，所以 β-FeSi2的厚度對內部量子效率之影響非常重要，而 β-FeSi2摻雜濃
度也是影響內部量子效率非常重要的因素，若 β-FeSi2 摻雜濃度高於兩邊侷限層的濃
度，會造成電子電洞的流失，使得再結合的機率降低，所以本論文將以半導體理論計 算其電場、電位與電子電洞的分佈，再利用速率方程式來計算其內部量子效率，以達 成高內部發光效率設計，有助於將來製作實際元件。
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1.3 文獻回顧
由 M.C. BOST[32]發表了 β-FeSi2 其發光波長為將近1.5um，而此波長將會在光纖 內造成全反射，發現到很適合用來做光通訊元件。故許多研究團隊及對此相當感興趣 並嘗試許多種的製程方法[1-9]。
而在 electroluminescence(EL)量測上，D. Leong 等人[39]是第一個以 Fe+ ion beam synthesis(IBS)法將 β-FeSi2長在矽的P-N 接面中而形成了 p-Si/β-FeSi2/n-Si 發光元件的 原始雛型。但由於初期的研究受制於缺陷中的非輻射中心，而造成其電性欠佳。
隨著後人不斷對製程上的方法做改善[33-38]，終於在 Mitsushi Suzuno 等人的研究團隊 製作出第一個以p-Si/β-FeSi2/n-Si 為結構的雙異質接面發光二極體[6]，並且其團隊不僅 將Photoluminescence(PL)與 electroluminescence(EL)的數據完整呈現，再進一步以 Time-Resolved PL (TR-PL)的方法分離出來自於輻射中心與非輻射中心的載子衰減時 間，而得知上述兩者的比值大小對於Photoluminescence(PL)強度的關係。更重要的是 將元件的外部量子效率量測計算出來，對於吾人的模擬數據即可產生對比而有了製程 上的佐證。