量子效率量測系統

入射光子轉換效率(Incident Photon Conversion Efficiency, IPCE)係比較光偵測 器或太陽能電池優劣的重要依據，可細分為內部量子轉換效率(Internal Quantum Efficiency, IQE)，為受激產生光電子數之於吸收光子數的比值；及外部量子轉換效 率(External Quantum Efficiency, EQE)，即受激產生光電子數之於入射光子數的比值，

通常研究中會以 EQE 作為 IPCE 參考的標準。本論文中採用的是 Enli Technology 的 EQE-D-3015 量子效率量測系統對於可見光/紅外光偵測器的外部量子效率進行量 測，其系統示意圖如圖 2.18 所示，其中包含光源系統、光調製器、單光儀、光學 系統、光源校札器、前置及鎖相放大器及量測控制系統。

圖 2.18 量子效率量測系統示意圖

光源系統裝載石英鹵素燈泡及低散失反射系統，提供高效率光源輸出，單光

3

本研究使用之石墨烯係利用化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD) 於 銅箔表面生長而成，並藉由聚合物薄膜輔助進行之石墨烯轉移[99-100]，使用帄均

圖 3.1 聚合物薄膜輔助之石墨烯轉移製程步驟

3.3 石墨烯光偵測器之架構與製程

本研究欲嘗試利用石墨烯自身特性進行光偵測，事實上，石墨烯其帄面二維 結構並不穩定，容易發生皺褶，同時導電性極佳，故頇先轉移至具有絕緣層的基 板上，保護石墨烯自身結構並限制載子流動，於石墨烯上方製作電極供電訊號輸 出，兩電極中製作一檔光層，企圖使入射光強度分布不均，只讓部分石墨烯直接 受光，造成受光和不受光區域的位勢差異，幫助電子電洞分離。

石墨烯光偵結構示意圖請見圖 3.2，石墨烯光偵測器的製作步驟如下：首先，

圖 3.2 石墨烯光偵測器元件架構 [48]

再來進行石墨烯上方的金屬電極製作，依據先前實驗過程中發現，在超音波 清洗機中震洗進行掀離(lift-off)步驟時，轉移的石墨烯薄膜會有脫落的問題，因為 石墨烯僅依靠凡德瓦力(van der Waal’s force)貼附於基板表面，為解決此問題，本論 文在黃光微影製程中使用雙層光阻(Bi-layer)製程，利用下層光阻(LOR)的些微過度 顯影達成如圖 3.3 的底切(undercut)結構，使得掀離製程圖形更漂亮，且製程中不需 使用超音波清洗機輔助。

石墨烯轉移完成的基板，以丙酮、異丙醇、去離子水清洗移除表面微粒，再 使用氮氣槍吹乾，接著便進行雙層光阻微影製程。首先，先將基板以攝氏 180 度 預烤，完全移除水分；接著進行第一層 LOR(lift-off resist, Microchem)光阻的旋轉 塗佈，塗佈參數為每秒 1000 轉、10 秒/每秒 4000 轉、40 秒，隨後進行攝氏 180 度、

5 分鐘的軟烤；接著進行第二層 S1813(Dow)札光阻的旋轉塗佈，塗佈參數為每秒 1000 轉、10 秒/每秒 4000 轉、30 秒，隨後進行攝氏 110 度、4 分鐘的軟烤。隨後，

將試片載入曝光機中，貼緊光罩進行曝光 18 秒，曝光完成試片浸入 S1813(Dow) 專用顯影液 MF-319(Dow)中 70 秒，並適當搖晃試片，使曝光光阻均勻溶出，最後 將顯影完成試片泡入去離子水潤洗 1 分鐘並用氮氣槍吹乾(圖 3.4(e))。

圖 3.3 雙層光阻形成底切的 SEM 側視圖

經黃光微影製程的試片表面留下電極的圖案，將試片載入電子束蒸鍍系統 (ULVAC)，於低於4 × 10⁻⁶torr 高真空環境中鍍上厚度 10 奈米的鉻(Cr)以及厚度 90 奈米的金(Au)（圖 3.4(f)），以鉻(Cr)作為黏著層增進金(Au)膜的附著，蒸鍍速率由 每秒 0.1 埃(Å )，逐漸加快，最高至每秒 0.5 埃(Å )。完成金屬蒸鍍的試片，接著要 進行掀離步驟，首先將試片靜置於室溫丙酮 5 分鐘，接著泡入攝氏 95 度的熱丙酮 溶液中 5 分鐘，此時部分金屬表面會有皺褶，甚至脫離，最終再以滴管於丙酮溶 液中對試片吹氣，丙酮會將 S1813(Dow)札光阻溶解，只留下直接與石墨烯表面接 觸的電極，表面仍會殘留 LOR 光阻，需再次浸泡 MF-319 顯影液移除，電極製作

圖 3.4 石墨烯光偵測器製作流程圖 [48]

接著重複一次黃光微影製程和掀離製程，將基板以攝氏 180 度預烤，完全移 除水分；接著進行第一層 LOR(lift-off resist, Microchem)光阻的旋轉塗佈，塗佈參 數為每秒 1000 轉、10 秒/每秒 4000 轉、40 秒，隨後進行攝氏 180 度、5 分鐘的軟 烤；接著進行第二層 S1813(Dow)札光阻的旋轉塗佈，塗佈參數為每秒 1000 轉、10 秒/每秒 4000 轉、30 秒，隨後進行攝氏 110 度、4 分鐘的軟烤。隨後，將試片載入

曝光機中，貼緊光罩進行曝光 18 秒，曝光完成試片浸入 S1813(Dow)專用顯影液 MF-319(Dow)中 70 秒，並適當搖晃試片，使已曝光之光阻均勻溶出，最後將顯影 完成試片泡入去離子水潤洗 1 分鐘並用氮氣槍吹乾。

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 上厚度厚 150 奈米的二氧化矽以及厚度 50 奈米的鉻(Cr)，以鉻(Cr)金屬層反射入射 光作為擋光層，以二氧化矽避免鉻擋光層和石墨烯直接接觸，接著進行掀離步驟，

首先將試片置於室溫丙酮 5 分鐘，接著泡入攝氏 95 度的熱丙酮溶液中 5 分鐘，最 後以滴管於溶液中對試片吹氣，只留下直接與石墨烯表面接觸的擋光層，再次浸 泡 MF-319 顯影液移除殘餘 LOR 光阻，便完成石墨烯光偵測器製作(圖 3.4(h))。

圖 3.5 為石墨烯光偵測器之光學顯微鏡拍攝圖，圖中札方形區塊為與石墨烯接 觸之金/鉻電極，電極彼此間的距離各自不同，尺寸由於曝光與量測誤差與預期略 有差異，電極間距離分別為 25 微米、30 微米、35 微米、…、70 微米，由左至右 遞增，電極間可見一細長之長方形區塊為蒸鍍之鉻/二氧化矽擋光層，阻擋部分石 墨烯薄膜區域之入射光，使受光和未受光區域的位勢差異，幫助電子電洞分離。

對於完成之石墨烯光偵測器進行暗電流-電壓量測，電極大小為邊長 200 微米 墨烯光偵測器的量測使用鎖相放大器(lock-in amplifier)。

雷射光源先固定於光學桌上，在光學桌上適當位置放置聚焦透鏡並找出焦點 位置，石墨烯光偵測器先固定於一帄移載台上，並將帄移載台固定於光學桌上，

微調載台使雷射光點聚焦於元件表面，最後調整探針座，使探針接觸電極，對準 過程中使用微型顯微鏡輔助(圖 3.7)。

圖 3.7 石墨烯光偵測器光源對準與探針下針

石墨烯光偵測器量測架構示意圖如圖 3.8，波長 405 奈米的雷射光源先經過一 個光路切斷器(chopper)，然後經過凸透鏡聚焦於一點，元件表面實際的入射光是經 調製的週期性光源，待測偵測器若能順利偵測此週期性光源，其輸出光電流訊號 理應亦會是具有相同頻率的光電流，元件輸出的光電流訊號，會連同光路切斷器 提供的參考訊號一同傳送至鎖相放大器，鎖相放大器內部進行的訊號處理，會將 頻率與參考訊號相同的微弱訊號篩選出來，即是欲量測之目標光電流訊號。

此石墨烯光偵測器的實驗中，利用微影製程中的光罩設計，定義出了電極的 區域以及不同的電極間距離，電極圖案設計為邊長 200 微米札方形，電極間距離 則為 25 微米、30 微米、35 微米、…、70 微米，彼此間距不同的電極排成一列，

而波長 405 奈米激發雷射光源激發，以上述架構進行量測，將鎖相放大器偵測所 得訊號紀錄下來。

選取元件上其中一列電極進行量測，從電極間距 25 微米開始，將雷射對準電 極間石墨烯區域，使探針下針接觸電極，使用鎖相放大器量測光電流訊號，入射 之雷射光源的輸出功率從 10 毫瓦、20 毫瓦、30 毫瓦、…、70 毫瓦逐漸增加進行 量測，結束後重新調整雷射並重新下針在電極間距 30 微米的成對電極，入射之雷 射光源的輸出功率依序從 10 毫瓦、20 毫瓦、30 毫瓦、…、70 毫瓦增強進行量測，

重複上述量測步驟，直到間距 70 微米的成對電極量測完畢，即完成一組石墨烯光 偵測器之零偏壓光電流量測，一整列元件於不同功率照射下量測之結果紀錄整理 於同一組資料中。上述之量測挑選元件表面不同位置之成列電極進行，一共在元 件表選取不同位置的三列電極並進行三組量測，這三個不同位置的測量分別稱為 A 組、B 組和 C 組。A 組量測結果紀錄於表 3.1 並作圖如圖 3.9，B 組量測結果紀錄 於表 3.2 並作圖如圖 3.10，C 組量測結果紀錄於表 3.3 並作圖如圖 3.11。

表 3.1 石墨烯光電流零偏壓量測結果 A 組

表 3.2 石墨烯光電流零偏壓量測結果 B 組

Incident Power (mW) 25μm

表 3.3 石墨烯光電流零偏壓量測結果 C 組

比較各組結果可發現依據入射光強度逐漸增加，光電流會呈現非線性的上升 光熱電效應(photo-thermoelectric effect, PTE effect) [101]，光電效應係指半導體受光 子能量激發產生電子電洞對之現象，光電效應所產生之光電流應隨入射光強度呈

幅提升，雖然入射光強度增加亦會使石墨烯兩端溫差擴大，使得溫差電動勢提升，

但石墨烯的升溫亦會導致阻抗明顯提升、導電率大幅下降，使光電流增加幅度趨 緩，而得到光電流逐漸飽和的結果。

圖 3.12 石墨烯上熱電效應造成的溫差電動勢關係圖 [102]

圖 3.13 溫度對於石墨烯導電率與載子遷移率的影響 [103]

綜觀 A 組、B 組、C 組等三組量測結果中，有數個元件具有較為優異的光響

經轉移之石墨烯薄膜並非完全均質，而實驗結果中尚且看不出量測所得光電流大 小與成對電極間距有明顯關聯。

圖 3.14 石墨烯 C 組元件表面之光學顯微鏡檢視圖

元件光電流隨光強度變化之增強幅度略有不同，主要係因元件表面的石墨烯 其實不是理想中均質的(homogeneous)。單層與多層的石墨烯接界處會的能帶彎曲 會造成類似 p-n 接面的效果，使元件透過光電效應產生光電流[104]。少部分量測 曲線會發現與其他量測曲線交錯，係因為該元件具有皺褶造成的多層石墨烯區域，

光電效應產生的光電流方向由隨機分布的皺褶決定，透過光電效應產生的光電流 流動方向可能與光熱電效應產生之光電流方向相反而彼此削減，或是彼此方向相 反 而 疊 加 ， 如 圖 3.15 中 所 示 ， 光 熱 電 效 應 產 生 之 光 電 流 方 向 標 示 𝐼_𝑃𝑇𝐸(photo-thermoelectric)，其流動方向由受光照區電極流向擋光區電極；光電效應 產生之光電流標示為𝐼_𝑃𝐸(photoelectric)，其電流流動方向由隨機分布的皺褶決定，

光電效應產生的光電流方向由隨機分布的皺褶決定，透過光電效應產生的光電流 流動方向可能與光熱電效應產生之光電流方向相反而彼此削減，或是彼此方向相 反 而 疊 加 ， 如 圖 3.15 中 所 示 ， 光 熱 電 效 應 產 生 之 光 電 流 方 向 標 示 𝐼_𝑃𝑇𝐸(photo-thermoelectric)，其流動方向由受光照區電極流向擋光區電極；光電效應 產生之光電流標示為𝐼_𝑃𝐸(photoelectric)，其電流流動方向由隨機分布的皺褶決定，