第四章 實驗分析與討論
4.1 薄膜特性檢測
4.1.3 薄膜光學分析
4.1.3 薄膜光學分析
實驗中利用光在薄膜造成干涉，如圖 4-4 所示。計算出沈積不同薄膜製作參數 的折射係數，並寫探討熱退火效應。其中，N0 = 1 是空氣的折射係數，N1是 TiO2 薄膜的折射係數，N2是 SiO2薄膜的折射係數，Ns 是 Si 基板的折射係數，而薄膜 的厚度為 d，而 E0是入射光，此雙層膜與基板及入射介質，構成三個界面，因此 有三個向量ρa、ρb、ρc。我們已知 NS>N1>N2>N0，所以ρa、ρc為負向，ρb為正向。
在本實驗中設定 d= SiO2厚度=TiO2厚度=100 Å ，Ns=N10
實驗中使用反射光譜儀為 UV-2101PC(Shimadzu Scanning Spectrophotometer)，
波長範圍為 250nm-900nm。量測不同厚度，不同層數，退火與沒退火之反射光譜。
並經由α-stepper 500 量測出樣品之膜厚。利用反射率干涉的雙最大值或雙最小值，
並利用公式 2-5 計算出其薄膜折射係數。由圖 4-5 與圖 4-6 得知 TiO2之折射率約為 2.1，而 SiO2由圖 4-7 與圖 4-8 得知約為 1.4。
圖 4-4 薄膜干涉示意圖
42
由實驗得知多層膜只是單層膜堆層而成，由模擬與反射率圖皆可看出，其模 擬圖大致上與反射圖相同。我們可以發現，如要達到N2>N1>N0，因TiO2的薄膜反 射率較大，需減少堆疊層厚度，而SiO2的反射率較小，只有增加其薄膜厚度，或者 是將兩堆疊層互換。
圖4-5 TiO2膜厚500 Å 之R(%)
圖4-6 TiO2膜厚750 Å 之R(%)
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圖4-7 SiO2膜厚1400 Å 之R(%)
圖4-8 SiO2膜厚2000 Å 之R(%)
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圖 4-9 SiO2 /TiO2每層 100Å 各 5 層膜厚之 R(%)
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圖4-10 反射光譜儀實照圖
圖4-11 α-step實體圖 4.2電性量測
4.2.1 電流-電壓量測系統
使用HP4145B半導體參數分析儀提供電壓並量測完成的晶片的電流變化，搭 配Labview程式控制讀取HP4145B上的資料。儀器架設如圖4-11。
圖4-12 電壓-電流量測系統
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圖4-13 HP4145B機台外觀
圖 4-14 I-V 量測圖
4.2.2 電流-電壓特性量測
樣品為指尖形狀根據不同的長、寬、間距進行量測如表 4-2
LENGTH/μm WIDTH/μm GAP/μm
元件 1 300 80 50
元件 2 300 80 80
元件 3 200 80 50
元件 4 200 80 80
元件 5 100 80 50
元件 6 100 80 80
表 4-2 圖形的長、寬、間距
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圖 4-15 示意圖
我們經由儀器 HP-4145B 量測其樣品電流電壓特性，並在未經高溫退火的條件 下，進行 I-V 特性量測。因為材料阻抗低以致電流大，我們嘗試在 ITO 電極層，
與矽(p-Si)基板間，分別加入 SiO2層(厚度=100 Å )與 TiO2層(厚度=100 Å )各 5 層，
總計 10 層共 1000 Å 下，由圖 4-15 可知在 10V 下電流仍未有飽和的跡象。電流在 低電壓下，有蓄積遂穿的反應；而 TiO2材料特性為 n-type 半導體與矽(p-type Si) 基板在接觸面形成 P-N 接面，並且為了達到 P-N 接面的平衡，有順向的漏電流的 產生。由於光電流在正偏壓所產生，其原因為絕緣層內部之缺陷與絕緣層與半導
width length
gap
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體之間的介面缺陷所導致，電子經由缺陷之捕捉電子與釋放電子，進而產生光電 流。如圖 4-17 所式。
圖 4-16 元件 1 ITO/ TiO2/SiO2/Si 未退火之電流電壓關係圖
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圖 4-17 光電流產生示意圖
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圖4-19 ITO/ TiO2/SiO2/Si在0～10V的光譜電流圖 圖 4-18 ITO/ TiO2/SiO2/Si 的光譜電流圖
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圖4-20 ITO/ TiO2/SiO2/Si在-10～0V的光譜電流圖
4.2.3 光響應度特性量測
本實驗量測光響應度時，使用光功率計(EO Laser Checker)量測，各光頻譜下 的光功率(Intensity)，圖 4-20 光功率計儀器圖，圖 4-21 為光功率與光波長關係圖。
圖4-21 光功率計儀器圖
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圖4-22 光功率與光波長關係圖
圖4-23 CM-110單光儀儀器圖
利用光源透過單色分光儀，將不同的光波長照射在元件上，再量測元件的對光電 流值，分析光對元件的響應度。我們利用式 4-1 來計算光響應度。
R =𝑃𝐼 (式 4-1) R :光響應度，I :元件電流，P:入射光功率
觀察 ITO/ TiO2/SiO2/Si 的光響應測量結果，圖 4-24(元件 1，length=300μm、
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width=80μm、gap=50μm)、圖 4-25(元件 2，length=300μm、width=80μm、gap=80μm)，
在不同波長的照射下，其光電流分布不同的電流值，發現在紅外光波段有不錯的 光響應度。
圖4-24元件1 ITO/ TiO2/SiO2/Si的光響應圖
圖4-25元件2 ITO/ TiO2/SiO2/Si的光響應圖
re sp on si vit y(A W )
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圖4-26是將元件固定在10V下並以固定寬度(width=80μm)固定間隙 (gap=80μm，元件圖形上下部分的間距)分別為不同長度I=100μm、I=200μm、
I=300μm進行測量。
圖4-26 各元件在相同width，gap固定在80μm，不同length下光響應比較圖
圖4-27是將元件固定在10V下並以固定寬度(width=80μm)固定間隙(gap=50μm，元 件圖形上下部分的間距)分別為不同長度I=100μm、I=200μm、I=300μm進行測量。
re sp on si vit y(A W )
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圖4-27 各元件在相同width，gap固定在50μm，不同length下光響應比較圖
圖4-28 (圖4-26和4-27)的10V光響應比較圖
圖4-29是將元件在固定波長950nm的光照下，分別以gap=50μm、gap=80μm和光照 面積三分之一去做元件長度對光響應的對照圖。
re sp on si vit y(A W ) re sp on si vit y(A W )
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圖4-29 固定波長下,length和gap對光響應的影響比較
由以上得知元件的length越長、gap越短光響應越強，gap對光響應的影響遠大於 length對光響應的影響。
g=gap
onethird=1/3 個元件
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第五章 結論與展望
本論文研究利用電子束蒸鍍法蒸鍍氧化銦錫(ITO)、鋁(Al)、二氧化矽(SiO2)、
二氧化鈦(TiO2)薄膜於 p-type Si (100)基板上，同時完成MIS元件之光偵測器製作。
藉由光照下電流-電壓之特性、不同波長的光照下電流-電壓之特性、光響應度…等 光電特性量測，以下歸納幾點結論：
1. 此偵測器可有效降低可見光波段之響應度。並可以發現最高峰位在波長 900nm 與 1000nm 且在紅外波段有較好之響應度。900nm 與紅外波段造成 原因為介電層內部、界電層與半導體介面缺陷激發所造成。1000nm 為矽 本身之能隙所造成。 [38]
2. 元件尺寸太小使得接觸面積阻抗低，為了抵擋漏電流只能提高薄膜厚度；
但是薄膜厚度太大，元件對光反應會產生遲緩，光電性質會不明顯。
3. 可改變退火溫度為參數來觀察熱退火後的薄膜之特性，與電流-電壓、電 容-電壓、光響應度之特性。也可製作更多層更多不同材料之薄膜來探討 其光電性質。
4. 可製作更多不同形狀的光罩，探討其形狀對光電性質的影響
5. 未來可換其他電子束蒸鍍方式，例如：準分子雷射濺鍍。因準分子脈衝 雷射濺鍍系統可以方便在較低的溫度下製備高熔點材料的薄膜，可對於 多種高介電材料進行鍍膜。在製作方式不同時可探討，薄膜之性質與電 性研究。
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