第五章 結果與討論
5.3 閘極電壓對磷化銦奈米線的影響
透過閘極電壓對電壓電流曲線的影響，我們可以更進一步了解樣品的遷移率 及載子濃度，因此我們挑選幾組樣品以鎢鋼筆或是砂紙的方法刮去氧化層，採用 背部閘極[4-5]的方法，對奈米線元件施加不同的閘極電壓，使其產生場效電晶體 的效果，並觀察奈米線元件電性行為的變化。
圖5.6 (a)閘極偏壓對磷化銦奈米線元件(S1)之電流電壓曲線的影響。
圖5.6 (b)閘極偏壓對磷化銦奈米線元件(S3)之電流電壓曲線的影響。
0.005 0.010 0.015 0.020 0.2
0.4 0.6 0.8
Current (nA)
Voltage (V)
40 V 20 V 10 V 0 V -10 V -20 V -40 V
S1
0.0 0.1 0.2
0.0 0.5 1.0
Current (nA)
Voltage (V)
100 V 60 V 30 V 0 V -60 V -100 V
S3
圖 5.6 (c)閘極偏壓對磷化銦奈米線元件(S4)之電流電壓曲線的影響。
圖5.6 (d)閘極偏壓對磷化銦奈米線元件(S6)之電流電壓曲線的影響。
由圖 5.6(a)~(d)可以清楚觀察到一個明顯的趨勢，當我們閘極偏壓逐漸減少 時，磷化銦奈米線電壓電流曲線的斜率會愈來愈平坦，意味著奈米線的電阻逐漸 變大，即電導愈來愈小；反之，當閘極施加愈大的偏壓，電阻會跟著變小，也就 是電導變大。根據這種現象配合第三章場效電晶體的理論，我們推論當閘極為負 偏壓時，會在奈米線底下的氧化層下方累積負電荷，產生一個往下的電場，若奈
0.00 0.05 0.10
0.0 0.2 0.4
Current (nA)
Voltage (V)
15 V 10 V 8 V 5 V 2 V 0 V -5 V
S4
0.0 0.1 0.2 0.3
0.2 0.4
Current (nA)
Voltage (V)
15 V 10 V 5 V 1 V 0 V -1 V -5 V -10 V
S5
米線是p 型半導體，則此電場會幫助累積多數載子電洞，使得電阻變小，這與我 們觀察到的現象不合。因此，我們判斷所使用的磷化銦奈米線為n 型半導體材料，
此電場則會消耗多數載子電子，使得電阻變大，這現象也與Charles M. Lieber 等 人的實驗結果相符[6]。此外，我們觀察圖 5.6 可以發現，施加大的負閘極電壓時，
電壓電流曲線雖然有變化，但是變化範圍不明顯，而且一直無法觀察到臨限電壓 (threshold voltage)的現象，即達到電荷反轉點所需要外加的閘極電壓。
為了驗證我們實驗的正確性，我們使用清大吳忠益學長以 VLS(vapor liquid solid)成長機制製備而成的氧化鋅(ZnO)奈米線進行相同的實驗，由於氧化鋅奈米 線其生長過程會造成鋅多氧少的情況，這種晶體中存在氧缺陷的材料，使得氧化 鋅奈米線為一種n 型半導體材料。我們將氧化鋅奈米線經由相同的製程步驟製成 奈米元件，在施加背部閘極電壓，觀察其電流電壓曲線可得下圖
圖5.7 閘極偏壓對氧化鋅奈米線元件電流電壓曲線的影響。
由上圖可以很清楚的發現，當我們施加負的閘極偏壓時，氧化鋅奈米線元件的電 阻也會愈來愈大，證明氧化鋅奈米線是一種n 型半導體材料，與我們預期的相符，
不過很可惜還是無法觀察到臨限電壓的現象。
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Current (nA)
Voltage (V)
0 V -10 V -40 V -60 V
ZnO NWs
本次實驗利用背部閘極電壓對奈米線元件電流電壓曲線的影響，推斷所使用 的奈米線為n 型的半導體材料，不過只能定性的觀察出奈米線的型態而無法定量 分析。我們討論了幾種可能造成此問題的因素，首先是我們使用的磷化銦奈米線 載子濃度，由上一節估計約為10 (cm ) ，這值與一般摻雜的半導體材料相比都15 -3 還來的小，根據金半接面空間電荷區寬度(W)的公式[7]，如下
2 (ε ) 1/2
⎡ + ⎤
= ⎢ ⎥
⎣ ⎦
s bi R
d
V V
W eN (式 5.5)
其中εs為半導體的介電值，V 為內建位勢障礙，bi V 為外加逆向偏壓的大小，而R Nd 為載子濃度，其根號值會與空間電荷區寬度成反比，若考慮在零外加偏壓下且鈦 的功函數約4.3 (V)，而磷化銦功函數約 4.4 (V)[7]，因此令Vbi ≈0.1 (V)代入式5.5，
可得
1/2 14 1/2
5 6
19 15
2 2(12.9)(8.85 10 )(0.1)
3.78 10 ( ) 0.378 10 ( ) (1.6 10 )(10 )
s bi d
W V cm m
eN
ε − − −
−
⎡ ⎤ ⎡ × ⎤
=⎢⎣ ⎥⎦ =⎢⎣ × ⎥⎦ = × = ×
而我們元件的電極間距皆保持1 mμ ，元件兩邊金半接面的空間電荷區將會占去 奈米線大部分的空間，使奈米線幾乎是在空乏的狀態下，所以當我們施加閘極偏 壓時奈米線反應並不明顯，因此我們無法觀察到臨限電壓的現象。再者，另一種 原因推測是由於奈米線元件閘極氧化層太厚(~400 nm)，以至於閘極電壓產生的 電場僅有小部分作用在奈米線上，造成奈米線對於閘極電壓的變化不明顯。
為了改善這種情況，最直接的辦法就是使用載子濃度更高的樣品，能有效的 縮短金半接面的空間電荷區寬度，若無法取得新的樣品，將磷化銦奈米線元件在 照光的情況下施加閘極電壓進行量測，利用照光時產生的額外載子，也是提高載 子濃度的一種辦法，此外我們重新設計所使用的矽基板，降低氧化層的厚度，期 待日後有更進一步的突破。