第五章 p 型矽基蕭特基能障二極體
5.3 薄膜銅/p 型矽蕭特基能障二極體
5.3.1
元件結構與製備流程
泡 10 分鐘，此清潔步驟可以去除表面髒污粒子和金屬顆粒，同時在矽基板表面形 成一薄膜氧化層，後續以氫氟酸(BHF)溶液中移除，最後以去離子水(DI water)並用 氮氣槍吹乾後便完成清洗步驟。
接著進行金屬層的蒸鍍，將試片載入電子束蒸鍍系統 (ULVAC)，於低於 4 × 10−6torr 的高真空環境中鍍上厚度 150 奈米的鉑(Pt)作為背電極；接著進行矽 基板另一面欲形成蕭特基接面的薄金屬層蒸鍍，於低於4 × 10−6torr 的高真空環境 中先鍍上厚度 10 奈米的薄膜銅(Cu)，使用金屬遮罩鍍上厚度 200 奈米的銅(Cu)，
形成指狀電極，即完成如圖 5.5 結構之元件。
圖 5.5 薄膜銅/p 型矽蕭特基能障二極體之結構圖
5.3.2
元件量測與分析
首先，進行光暗電流-電壓量測確認銅/p 型矽蕭特基能障二極體光偵測特性，
使用 Labview 量測軟體搭配 Keithley 2400 source meter 對元件施加不同的外加篇 壓，於暗箱中量測暗電流-電壓曲線，在 Abet 太陽光模擬器(solar simulator) Sun 2000 光照下量測光照電流-電壓曲線，量測結果如圖 5.6。
在札向偏壓區間，兩電流-電壓曲線差異不明顯；於逆向偏壓區間，光照激發 下產生的電光流會造成逆向電流的增加，相同逆向電壓驅動下，暗電流和光照電 流兩曲線的電流差異極為導出之光電流，逆向偏壓達 0.5 伏特後，兩電流曲線間差 距不再加大，趨於穩定。利用第二章提及之電流-電壓分析方法，計算出實際之銅 /p 型矽蕭特基能障為 0.52eV 左右，較先前 n 型蕭特基二極體達更小的蕭特基能障，
更有機會透過內部光激發吸收機制偵測紅外光訊號。
圖 5.6 奈米薄膜銅/p 型矽蕭特基能障二極體之光暗電流 I-V 圖
本研究中亦曾嘗試使用第二章提及之量子效率分析系統，分析奈米薄膜銅/p 型矽蕭特基能障二極體對於個波長入射光之響應，其量測結果如圖 5.7(a)，但這個
-3 -2 -1 0 1 2 3
0 200 400 600 800
Current (mA)
Voltage (V)
Cu-dark Cu-solar
圖 5.7 (a) 銅/p 型矽/鉑蕭特基能障二極體量子效率量測結果;
(b) 銅/p 型矽/鉑蕭特基能障二極體之量子效率量測系統檢查訊號;
(c) 量子效率量測系統中校札片之檢查訊號
這部分的系統運作不札常推測係元件特性所導致，量子效率量測系統操作零
電流偏移可能嚴重影響逆向偏壓區間光暗電流曲線間的差異判讀。過往的蕭特基 能障量測實驗選擇於冷凍真空腔中進行[122-124]，尤其是蕭特基能障極小之元件 整流特性相較不明顯而具有較大的漏電流，W. S. Wang 等人研究矽化鉑/p 型矽蕭 特基二極體元的電流-電壓-溫度關係[125]，溫度對於電流曲線的影響可見圖 5.9，
圖中可看出在絕對溫度 20 度的差異下，同樣逆向偏壓驅動的電流大小差異達 100 倍左右，隨著溫度升高，逆向電流會明顯提升，根據費米-狄拉克分布(Fermi-Dirac distribution)，溫度升高會導致具高動能的載子數目增加，因而容易受逆向偏壓驅 動越過能障，導致漏電流增加，推測使用冷凍真空腔的主要目的是為了排除電流 熱效應之影響而進行溫度控制，避免電流熱效應改變元件溫度，影響電性量測結 果判讀，故本論文量測上需盡可能縮短通電時間，注意此熱效應之影響。
圖 5.9 PtSi/p 型矽蕭特二極體 I-V-T 量測結果[125]
接下來，為了量測銅/p 型矽蕭特基能障二極體對於紅外光光子的偵測能力，
使用 Labview 量測軟體搭配 Keithley 2400 source meter 對元件施加不同的外加篇 壓，在可調式雷射光源（Agilent HP 8168F）照射下量測光照電流-電壓曲線，波長
考量內部光激發吸收(internal photoemission absorption)機制產生之光電流訊號 較微弱，量測結果可能受到半導體通電的電流熱效應影響，為確保量測結果札確 可信，紅外光激發之光暗電流-電壓量測分做兩次，第一組先進行暗電流量測，而 後進行紅外光激發光電流量測，第二組則量測順序對調。
量測架構如圖 5.10 所示，鉑電極使用銅膠帶固定導線連接，探針接觸入光面 之銅指狀電極，連接電源供應器 Keithley 2400 source meter 構成迴路，再將紅外光 源輸出之 FC 接頭對準元件。量測結果紀錄如圖 5.11 至圖 5.16，圖 5.11 和圖 5.14 分別為前後兩組結果的光暗電流-電壓圖，圖 5.12 和圖 5.13 為第一組量測逆向偏壓 區間細部結果，圖 5.15 和圖 5.16 為第二組量測逆向偏壓區間細部結果。
圖 5.10 波長 1550 奈米雷射激發量測架設
圖 5.11 第一組-1550 奈米雷射激發之光暗電流 I-V 圖
-2.00 -1.98 -1.96 -1.94 -1.92 -1.90 -1.88 -1.86 -1.84 -1.82 -1.80 -3.80
圖 5.13 第一組-逆向偏壓 1.0 伏特至 0.8 伏特區間
-1.00 -0.98 -0.96 -0.94 -0.92 -0.90 -0.88 -0.86 -0.84 -0.82 -0.80 -3.20
圖 5.15 第二組-逆向偏壓 2.0 伏特至 1.8 伏特區間
圖 5.16 第二組-逆向偏壓 1.0 伏特至 0.8 伏特區間
-2.00 -1.98 -1.96 -1.94 -1.92 -1.90 -1.88 -1.86 -1.84 -1.82 -1.80 -3.80
-1.00 -0.98 -0.96 -0.94 -0.92 -0.90 -0.88 -0.86 -0.84 -0.82 -0.80 -3.24
觀察前後兩組量測結果，觀察逆向偏壓區間，可看出受波長 1550 奈米雷射照 射的電流曲線，其電流都較暗電流曲線來得大，但差異不明顯，兩曲線間有 4 微 安培的固定差值，應為內部光激發吸收(internal photoemission absorption)產生之光 電流，因為此波長光子即不易被矽基板所吸收，其響應率(Responsivity)估算如下：
Responsivity =𝑀𝑒𝑎𝑠𝑢𝑟𝑒𝑑 𝑃ℎ𝑜𝑡𝑜𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡
𝐼𝑛𝑝𝑢𝑡 𝐿𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟 (5.4 式) Responsivity = 4𝜇𝐴
2𝑚 = 2mA/W
此銅/p 型矽/鉑蕭特基能障二極體元件其響應率達 2mA/W，由於能確實偵測光子能 量小於矽能隙之波長 1550 奈米雷射訊號，應為透過內部光激發吸收(internal photoemission absorption)產生的光電流訊號。
蕭特基能障二極體製作之光偵測器，近期仍有陸續被發表，其中部分同樣入 射光以垂直方向入射蕭特基接面，M. A. Nazirzadeh 等人的研究以熱退火使奈米厚 度 的 金 薄 膜 團 聚 成 顆 粒 ， 利 用 局 部 表 面 電 漿 共 振 (localized surface plasmon resonance, LSPR)強化光吸收，對於波長 1550nm 光激發響應達 0.6mA/W[118]；K-T.
Lin 等人的研究則是在矽基板製作深溝槽，強化表面電漿極化(surface plasmon polarization, SPR)機制，1550nm 光激發響應達 0.18mA/W[119]。
另一部分研究則是將蕭特基接面製作於矽基傳導結構上作為光偵測器使用，I.
Goykhman 等人研究中以金(Au)電極與製作之矽波導形成蕭特基接面，進行光通訊 波段訊號偵測，對於 1550 奈米訊號響應率達 0.16mA/W[120] Y. P. Huang 和 L. A.
Wang 研究於矽核光纖表面度上金(Au)電極，形成蕭特基接面作為光偵測器使用，
對於 1550 奈米訊號響應率達 0.226mA/W[121]。本論文中製作之銅/p 型矽/鉑蕭特 基能障二極體元件其響應率達 2mA/W，相較之下並不遜色。
5.4 結論
本章嘗試以 p 型矽基板製作蕭特基能障二極體元件，作為光偵測元件，從基 礎半導體理論討論開始，找出合適的金屬與 p 型矽形成能障更小的蕭特基能障二 極體元件，並透過量測驗證其能力。
接下來著手進行蕭特基能障二極體元件製作，使用銅(Cu)作為蕭特基接觸金屬，
以奈米厚度銅(Cu)奈米層於矽基板受光面形成蕭特基接面，以鉑(Pt)作為歐姆接觸 電極，光暗電流-電壓量測中，驗證薄膜銅/p 型矽蕭特基能障二極體元仍保有有光 偵測器特性，受太陽光照射下逆向偏壓區間有明顯電流增加，波長 1550 奈米雷射 照射下逆向偏壓區間亦有微弱電流增加，估算元件對於波長 1550 奈米激發響應率 約為 2mA/W。相較於前一章的 n 型矽蕭特基能障二極體元件，本章的 p 型矽蕭特 基能障二極體元件，藉由蕭特基能障的縮小，成功量測到了光子能量低於矽能隙 的光訊號，拓展矽基光偵測器的偵測頻段。
6
第六章量測，發現可吸收波長 800 奈米到 1100 奈米的光子並產生光電流；其二係以薄膜 透光金(Au)奈米層於矽基板受光面形成蕭特基接面，發現電流-電壓量測中的光電 流訊號明顯增強，依據量子效率量測結果得知，其光偵測波段包含可見光與部分 近紅外光，其截止波長約在波長 1150 奈米，主要應為矽半導體能隙之光子吸收。
第五章為了製作能障更小的蕭特基能障二極體元件，嘗試以 p 型矽基板製作 蕭特基能障二極體元件，找出合適的金屬與 p 型矽形成能障更小的蕭特基接面，
以求得內部光激發吸收(internal photoemission absorption)更明顯之元件，蕭特基能 障二極體元件製作中，使用銅(Cu)作為蕭特基接觸金屬，以奈米厚度銅(Cu)奈米層 於矽基板受光面形成蕭特基接面，以鉑(Pt)作為歐姆接觸電極，光暗電流-電壓量測 中，驗證薄膜銅/p 型矽蕭特基能障二極體元仍保有有光偵測器特性，受太陽光照 射下逆向偏壓區間有明顯電流增加，波長 1550 奈米雷射照射下逆向偏壓區間亦有 微弱電流增加，估算元件對於波長 1550 奈米激發響應率約為 2mA/W。相較於前 一章的 n 型矽蕭特基能障二極體元件，本章的 p 型矽蕭特基能障二極體元件，藉 由蕭特基能障的縮小，成功量測到了光子能量低於矽能隙的光訊號，拓展矽基光 偵測器的偵測頻段。
6.2 未來展望
本論文主旨為利用石墨烯薄膜與矽基蕭特基接面製作可見光/紅外光偵測器，
且希望未來這些光偵測器模組可與其他光學元件整合，製作微型光譜儀，但為了 微型光譜儀達高解析度，目前研究之元件光偵測響應率仍有待提升。
石墨烯光偵測器原型經測試，可以確實偵測可見光波段光子，但似乎無法偵 測波長 1550 奈米光子訊號，推測可能是製程中使用之有機物殘餘[105]，抑或是石 墨烯轉移造成的皺褶[106]或缺陷，影響石墨烯能帶或費米能階之改變，進而影響 其偵測波段，因此要從製程步驟著手優化，使偵測波段趨近理論，而與波導、共 振腔等光學元件整合應該會有助於提升其元件響應率。
矽基蕭特基能障二極體的研究中顯示，透過銅/p 型矽形成之蕭特基接面，已 可利用內部光激發吸收(internal photoemission absorption)機制確實偵測光通訊波段 雷射之訊號，但響應率仍不夠好，未來可嘗試於蕭特基接面上製作奈米結構，以 局部表面電漿共振(localized surface plasmon resonance, LSPR)強化蕭特基能障二極 體之光偵測能力。
參考文獻
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[7] G. Holst, J.H. de Boer, M.C. Teves, and C.F. Veenemans, ―Foto−electrische cel en inrichting waarmede uit een primair, door directe lichtstralen gevormd beeld een geheel ofnagenoeg geheel conform secundair optisch beeld kan,‖ Dutch
[7] G. Holst, J.H. de Boer, M.C. Teves, and C.F. Veenemans, ―Foto−electrische cel en inrichting waarmede uit een primair, door directe lichtstralen gevormd beeld een geheel ofnagenoeg geheel conform secundair optisch beeld kan,‖ Dutch