第五章 橫向 P-N 接面的特性模擬
6.2 電性與光性
沒有雜質摻雜就沒有游離的受體或施體原子，也沒有空乏區內的游離電荷直 接定義空乏區長度，且此橫向 P-N 接面又多一本質區域相隔，難以跟理論上二維 或三維 P-N 接面作比較。但是 P 和 N 兩邊的電洞和電子仍會受負偏壓影響而往兩 邊擠，因此定義多數載子濃度衰減至其 e^-1 時為空乏區介面，則空乏區長度隨 偏壓變化如圖 5-5，雖然呈線性變化，可是變化幅度不高，且值得注意的是載子 濃度分佈線的尾巴延伸本質區域內。
II. 整流特性
Vn接地且固定Vin與Vn之間壓差為 3V，掃Vp電壓自-5V至 5V的同時要固定Vip與 Vp之間的壓差為-5V，故Vip要隨Vp變動，其固定壓差目的為保持電洞密度的不變。
結果如圖 5-6，展示其整流特性。圖中右邊縱座標刻度換為 10 之指數，可看出 在順偏壓下電流一開始成指數成長，末段與偏壓呈線性相關乃因電阻的影響，依 據前段曲線求出理想因數(ideality factor)為 1.556。
III. 崩潰電壓
分佈的電場中其峰值與平均電場隨逆偏壓的變化呈線性如圖 5-7，與第二章 所講理論中平均電場與外加電壓無關有所不同，推測應該是受到兩個閘極供應電
場的影響。假設一般GaAs三維P-N接面其N型與P型摻雜濃度皆為 5×1016cm-3 (1011 /20nm,對應所模擬結構中的濃度)的情形下，估計熱平衡下空乏區內的最
長度接面電容值相比之下較小。
V.
cm-2
大電場為 9.47×104 V/cm，這樣的結果與圖 5-7內的最強電場相比，可知橫向P-N 接面內最強電場即使在逆偏壓為 5V時其值仍然很小，且將近小一個數量級，預 期其崩潰電壓會比一般三維P-N接面高。
IV. 接面電容
當偏壓等於零，其單位長度接面電容隨頻率的變化如圖 5-8。頻率為 100Hz，
其單位長度電容值為 12.018 nF/m;頻率 100MHz時，單位長度電容為 4.546 nF/m。
當改變偏壓觀察電容值變化，發現其幾乎維持定值，C-V曲線圖如圖 5-9，電容 值與外加電壓完全無相關的直接原因在於空乏區長度隨偏壓呈線性變化。參考施 子與受子摻雜濃度皆為 5×1016cm-3的GaAs三維P-N接面，假設寬為 100μm，其接面 電容在 0V下約為 43 nF/m，橫向P-N接面的單位
發光性質
圖 5-10顯示在順偏壓 2V 下區域發光強度，由於電子跑的比電洞快，復合發 光最強的區域在本質區域與 P 通道的介面上。
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1
surface density max concentration
Vgs(V)
16 surface density max concentration
Vgs(V)
向方向能帶及載子濃度分布圖 圖 5-3 橫
196 198 200 202 204 206 208 210
-2.0
0 1 2 3 4 5 6 7
linear fit
depletion width(micrometer)
0 1 2 3 4 5 8000
16000 max eletric field average field
2000
field in x direction(V/cm)
reverse bias(V)
圖 5-10 區域發光強度示意圖。
I-Region P-Channel N-Channel
0 1 2 3 4 5
3 4 5 6 9 12 11 13 14
7 8 10
capacitance per uninm)
Reverse bias(V)
ngth(F/
100 Hz
t le
1M Hz 100M Hz
圖 5-9 C-V 曲線圖
第六章 結論
本論文提出新結構的橫向 P-N 介面，特別適合應用於觀察自旋霍爾效應與表 面聲波驅動之單光子源元件中。雖然實驗上元件呈現失效，即表示製程中尚有一 些小瑕疵還未發現，但是本論文仍然提供一個完整製作橫向 P-N 接面的製程給未 來工作者，比如決定 Polyimide 的使用方法和 P 型歐姆接觸 Pd(Au/Zn)的 RTA 條 件測試，且嘗試錯誤的經驗避免重蹈覆轍，另外更有待未來工作者發現其中製程 上未發現的瑕疵。本論文最後用商用套裝軟體模擬預測橫向 P-N 接面的熱平衡下 能帶結構、電性與光性，結果符合摻雜下二維橫向 P-N 介面的理論預測。如果未 來元件順利製作出來，本論文提供的數值模擬結果可以做為輔助以說明橫向 P-N 接面的形成。
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簡歷 (Vita)
姓名：游宏凱( hung-kai, yu ) 性別：男
出生年月日：民國 71 年 08 月 29 日 籍貫：台灣省宜蘭縣
學歷：
國立成功大學物理學系學士(89.9-93.6) 國立交通大學電子研究所碩士班(94.9-96.6) 碩士論文題目：
橫向 P-N 接面的製作與模擬
Lateral P-N Junction of Fabrication and Simulation