蕭基二極體元件之 C-V 電性量測

圖 4.4 (a)、(b)、(c)、(d)分別代表著樣品 A 和樣品 B 在 70K、91K、110K 以及 294K 的溫度下，對外接弦波信號頻率為 1 kHz、5 kHz、20 kHz 時之電容-電壓曲線圖。從圖 中可以明顯看出當量測溫度為 70～110 K 之間時，於樣品 A 中所觀察到的電容之起伏，

無論是第一或第二次之起伏都沒有出現在無量子點層的樣品 B 中，因此可以合理地推測 樣品 A 在此量測溫度中，由於準費米能階會因閘極電壓提高，而逐漸靠近量子點內之基 態能階，造成在 C-V 曲線中第一次之電容起伏。而隨著溫度提高，量子點內能階對電荷 捕捉/釋放速率變快，因此能在閘極電壓變高下，同時觀看到量子點層中之基態與激發 態能階所造成的第一次及第二次之電容隨頻率之起伏。圖 4.4 (d)則可以看出樣品 A 在 室溫環境下所觀測到的電容起伏之現象，也可在樣品 B 之室溫量測中觀看到，因此驗証 了室溫環境中的似負微分電容現象，很可能和量子點的電性行為無關。

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

圖 4.5、樣品A 在(a)：70 K、(b)：90 K、(c)：110 K、(d)：294 K、下 C-V 及 I-V 曲線結合圖。

從圖 4.4 中可看出在樣品 A 中，當外接訊號源之測試頻率為 1 kHz 時，能在四個溫 度下，都觀看到顯著的電容效應。因此在圖 4.5 中，只取 1 kHz 下之 C-V 曲線來觀察便 足夠。圖 4.5(a)中可觀察到當溫度於 70 K 時，在元件閘極未導通前就有電容隨電壓之 第一次起伏變化。而當溫度提升到 90 K 以及 110 K 時，電容開始隨電壓之變化出現第 一及第二次之電容起伏，如圖 4.5(b)、(c)所示。而當溫度提昇至 294 K，可以明顯看 到電容隨電壓改變之變化量主要出現在元件導通之後，如圖 4.5(d)所示。

在圖 4.5(d)中，由於所觀測到的電容起伏是當元件閘極導通後所產生。但當元件閘 極導通時，電流途徑會影響到量子點內部的電荷存放，因此在理論上不太可能觀看的到 量子點的效應，另一個認為在 294 K 環境下的起伏不是 NDC 的主要原因就是它並沒有負 斜率的趨勢，反而比較像是在累積某缺陷內的電荷後又往上飆升，所以樣品 A 在室溫環 境下觀察到的似 NDC 的現象比較可能的原因是其它元件內部的缺陷充放電荷所造成的。

合理的推測是有其它元件上的缺陷也在室溫時參與了此電容的反應。簡而言之，到目前 為止已經可以確信能在低溫環境下在樣品 A 中，觀測到量子點層對電荷捕捉與釋放行為 所導致的電容起伏結果。為了更清楚理解這個現象，我們將在 70 K 以至 130 K 之間改 以每 5 K 之溫度變化以及更多的弦波信號頻率去觀看樣品 A 的負微分電容現象，如圖 4.6 所示。

在圖 4.6 中，秀出了在各別在 70、77、82、91、100、110 K 溫度環境，外接信號 源頻率分別為 1、5、10、20、50、100、200、400 kHz 下之蕭基二極體元件電容-電壓 關係圖。為了能更清晰觀看頻率間之電容差異，圖 4.6 中，將在高頻率(600 kHz)弦波 信號下所量測之電容值當作背景雜訊，並將所有不同頻率下所量測之電容值減去高頻下 之背景雜訊後，所得之結果圖。

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

圖 4.6 中可觀察到幾個較特殊的現象，如當溫度在 70 K 時可第一次觀看到由量子 點層所引起，隨著頻率差異所導致較為明顯的電容差異起伏。而到了 77 K 時，則可在 1 kHz 的頻率下觀看到第二次電容起伏之出現。在 82 K 溫度環境時，可分別在 1 kHz 以及 5 kHz 頻率下看到第二次電容起伏，且在 1 kHz 頻率下第一次明顯觀看到元件負微分電 容的現象。當溫度到達 91 K 時，可在 5、10、20 kHz 頻率下都觀看到負微分電容現象。

而當溫度到達 100 K 時，可發現第一次電容之起伏，即便當外接訊號頻率高到 400 kHz 下也未消失。當溫度到達 110 K 時，則可觀察到第二次之電容起伏也似乎不隨頻率增高 而消失。

從圖 4.6 中可以觀察到樣品 A，從 82 K 開始就可於低頻情況下，觀看到負微分電容 的現象，而隨著溫度提昇 NDC 消失的頻率也似乎緩慢地提高了。而在 82 K 到 110 K 這 個溫度區間中，也可以觀察到負微分電容愈來愈明顯。但當溫度高過 110 K 後即便外加 弦波信號的頻率高到了 1 MHz 也消除不了 NDC 的存在，此外由於元件閘極的導通電壓，

會隨溫度提高而降低，因此限縮了觀看元件內部量子點或其它結構之電荷累積行為，所 導致的電容改變，其可以反應之電壓空間，此現象導致第二次電容起伏以及元件導通後 之電容起伏逐漸隨溫度結合在一起。總結到目前為止，根據對樣品 A 以及無量子點層之 樣品 B 在蕭基製程的量測結果比較中，可確信在溫度區間(70～110 K)下所觀察到之電 容起伏都來自於量子點層之影響。

圖 4.6 中，當溫度為 100 K 與 110 K 下，可觀察到第一與第二次電容起伏間之電壓 差距約 0.5 V。為了解釋此現象之成因，使用單量子點層之基態與激發態能階之模型，

如圖 4.7 所示，並用結構中不同量子點層與表面閘極之間距去計算。根據樣品 A 之 PL 量測結果，可知基態與激發態之發光波長分別為 1212 nm 與 1158 nm，利用式子(4.3)，

就可計算出基態與激發態之間的能階差∆E ＝0.0477eV。

 

E

m 1 . 24



 μ

圖 4.7、樣品 A 之單量子點層基態與激發態能階模型。

其中假設電場均勻地分佈在整個空乏層寬度655 nm 內，故可計算當閘極與量子點 層之距離分別為53、110、163 nm 下之電場，約佔全部電場強度的 7.97%、16.5%、24.5%。

在此情況之下，如要將準費米能階由基態移至激發態時，所需要外加之電壓差分別為 0.598 V、0.289 V、0.195 V。故可推測圖 4.6 中，所觀測到的第一次與第二次之電容起 伏之現象，是由樣品A 結構中較靠近閘極之量子點層，其內部基態與激發態能階對電荷 之捕捉與釋放行為所造成之結果。至於另外兩層之量子點訊號，在量測資料的計算下，

則可發現，此兩層量子點內之基態能階訊號會和較靠近閘極之量子點基態能階訊號重 疊，而此兩層之激發態能階之訊號則會互相影響抵消，故無法在電容-電壓曲線圖上作 出區分。

既然已經確認了在此次製程樣品 A 中，由量子點所引起的 NDC 現象其出現的區間電 壓和溫度，接下來就是利用式子(2.24)去 fitting 在不同溫度環境，固定電壓的情況下 電容對頻率作圖所得之曲線。並藉由所得之常數 A、B、C 來理解其物理意義和成因。關 於所使用的 fitting 方式將以圖 4.8 來解說。

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Region 1 Region 2 0.15 V Fitting line

C ( F )

Frequency ( kHz ) (b)

A：4.2597E-12 B ：9.89978E-9 Gate bias 0.65 V

Fitting line

A ：1.79766E-11

Region 1 Region 2

0.15 V

Region 1 Region 2

0.15 V

圖 4.8、樣品 A 在 91 K 下(a)電容-電壓圖、(b)0.15 V 下電容-頻率圖、

(c)0.65 V 下電容-頻率圖、(d)參數 A、(e)參數 B、(f)參數 C。

圖 4.8(a)秀出溫度在 91 K 下之 C-V 曲線圖，在圖上標記了閘極電壓為 0.15、0.65 V 下之兩條 fitting 的實線箭頭，以及閘極偏壓為 0～0.35 V 之區間 1 和 0.6～0.75 V 之區間 2。當要取 fitting 參數 A、B、C 時，把定電壓下不同頻率時之電容值取出，作 電容和頻率的關係圖，如圖 4.8(b)、(c)分別表示當閘極電壓為 0.15、0.65 V 下的電容 和頻率之關係圖，利用式子 A+B/(f² +C)去 fitting 曲線，便可得到當下電壓之參數 A、

B、C。最後將同溫度之不同閘極偏壓所得之參數 A、B、C 整合在一起，就可得到圖 4.8(d)、

(e)、(f)。從圖 4.8(d)中觀看到參數 A 有兩次明顯的起伏，分別就在 0～0.35 V 之區間 1 和 0.6～0.75 V 之區間 2，如對應到圖 4.8(a)可發現此起伏和量子點層內之基態與激 發態能階所導致的電容起伏處一致，且由於參數 A 為₀ /W。故最後可推斷參數 A 之起 伏，是由於量子點內基態與激發態能階在累積電荷下，所導致的空乏區寬度縮減之結 果。而從圖 4.8(e)、(f)中，也可發現參數 B、C 之起伏也對應到量子點內之基態與激發 態能階對電荷之行為。最後則是可以利用參數 C 去計算出量子點內能階對電荷之捕捉與 釋放速率 f 。此外在實驗中對參數 A 的 fitting 之誤差約 1%，參數 B、C 的誤差則約 10%。 ₀

以下討論將針對溫度為 70 K、77 K、82 K、91 K、100 K、110 K、120 K 此七個溫 度環境且定電壓為-0.1 V、0.0 V、0.05 V、0.1 V、0.15 V、0.2 V、0.25 V、0.3 V、

0.35 V、0.4 V、0.45 V、0.5 V、0.6 V、0.65 V、0.7 V、0.75 V 等十六個電壓下的電 容隨頻率之變化所形成的曲線去分析。其所得之參數 A、B、C 之結果如圖 4.9 所示。圖 4.9 中分別將不同溫度下之參數 A、參數 B、參數 C 之改變去做比較。由於A＝₀ W所 以從圖 4.9(a)中可看出空乏寬度 W 會隨溫度提高而產生縮減，且縮減之次數也會隨溫度 上升，從一次變為二次，正好對應到量子點層基態與激發態能階充放電荷下，所造成之 空乏寬度之改變，而 W 開始改變之電壓點也隨溫度的提高而向負偏壓移動。圖 4.9(b)、

(c)中則可發現參數 B、C 和電壓相依之曲線會隨著溫度的提升而慢慢從一個起伏變為兩 個起伏，且起伏出現的位置和參數 A 的起伏一樣，也就是由量子點層內之基態與激發態 能階對電荷之行為，所造成空乏層與累積電荷改變之整體影響的結果。

-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

在前面已分析了參數 A、B、C 彼此間的影響和隨溫度之改變情況。但還缺少了 NDC

70 80 90 100 110 120 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

f 0 ( k H z )

Temperature ( K ) First

Second

圖 4.11、溫度和電荷捕捉率 f₀之關係。

在作圖 4.11 時並不是選取固定電壓的情況下去做比較，但仍可以觀察到元件中對