4-1 靶材和薄膜結構分析：X-ray 繞射(X-ray diffraction) 的量測結果
1.圖 4-1(a)為靶材的 XRD 圖形。這是在前述的製程中，把燒結 好的靶材刮下一些粉末，再將此粉末用研缽磨後，所做 XRD 的分析。
對照 Masahiro Orita 等人所發表的 InGaZnO4的結構[13][14]，如圖 4-1(b)；可以發現我們的靶材組成和成晶相均和文獻的結果一致。
2.薄膜的 XRD 分析
圖 4-2(a)為在室溫下、20 mtorr 所鍍的薄膜的 XRD 圖形，其 插圖為所用玻璃基板的 XRD 圖形，二者雖然在定性上均顯現出非 晶形材料的基本特徵，即在 2θ~20o-30o之間有一寬廣的波峰；
但在鍍上 InGaZnO4後，波峰的位置則有偏移(或甚至雙峰)的情 形產生。因為在 2θ ~30o時，InGaZnO4有一極強的繞射峰，我們 推論圖 4-2(a)中，在 2θ ≅30o左右出現的波峰，應是未完全結晶 化的 InGaZnO4顆粒所造成。
圖 4-1(b) b 為文獻中 InGaZnO4靶的 XRD 的圖
圖 4-2(b)~(d)則分別顯示基板溫度在 150℃，氧壓分別為 10 mtorr、30 mtorr、50 mtorr 所形成 InGaZnO4薄膜。其特徵和圖 4-2(a) 極為類似。不過在 2θ ≅30o的繞射峰則有略為平緩的趨勢，雖然目前
50 InGaZnO4
room temperature 20 mtorr glass substrate
圖 4-2(a) 室溫下， 氧壓 20 mtorr 成長的 InGaZnO4薄膜的 XRD 圖 而其中的小圖為玻璃基板的 XRD 圖
2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0
圖 4-3 (a)在 300℃ 氧壓 10mtorr 成長的 InGaZnO4 薄膜的 XRD 圖
由圖 4-3 可以看出雖然非晶型繞射峰的角度分佈範圍與基板為 150℃時略似，均和氧壓的改變有些變化，但因改變並非顯著，故除 了可以明確知道所有 InGaZnO4 薄膜均為非晶薄膜之外；造成其他細 微變化的原因，則有待進一步的研究。
4-2 電阻溫度(R-T)量測的結果
一般而言，一半導體材料，其電阻取自然對數和溫度的倒 數作圖；結果會是成一線性關係。主要原因是其載子濃度係受一 單一能隙主宰之故。為了測試我們所製備的 InGaZnO4薄膜是否為 一單純的半導體材料，我們一開始先試著把 R-T 量測的結果，對 電阻率取自然對數，然後和溫度的倒數作圖。結果如圖 4-4 插圖 所示，並沒有呈現線性關係；相反地若我們試著把在室溫下，且 氧壓為 20 mtorr 鍍的薄膜的電阻率取自然對數，和溫度的-0.25 次方作圖，如圖 4-4 所示；或者試著把室溫下，且氧壓為 8 mtorr 鍍的薄膜電阻率取自然對數，和溫度的-0.33 次方作圖，如圖 4-5 所示；
0 . 2 4 0 . 2 5 0 . 2 6 0 . 2 7 0 . 2 8 0 . 2 9 0 . 3 0
0.150 0.155 0.160 0.165 0.170 0.175 0.180 0.185 0.190 0.4
Temperature-1/3(K-1/3) 圖 4-4 電阻率取自然對數對 T−1/ 4次方做圖
右下角小圖則為電阻率取自然對數對溫度的倒 數做圖的結果
0.0020.004 0.006 0.0080.010 0.012 0.0140.016 0.018 -3.7
可以發現二者在一定溫度範圍內(125~290K)，對 20 mtorr 和 8 mtorr 變範圍跳躍(variable range hopping，VRH)；較廣為接受的跳躍理 論是由 Mott,Davis[15]和 Shklovski,Efros[16]提出的；在這兩個理 論中，溫度和電阻的關係式如公式 4-1 所示:
為基本上可由二維至三維的可變範圍跳躍理論所描述而非單純的半 導體行為。這也顯示我們樣品的非晶(Amorphous)特性，且沒有一明 確的半導體能隙存在。
4-3
氧壓對電阻率與載子遷移率的影響
雖然在鍍膜時把溫度視為一個參數，但因為低溫製程是我 們所想要的，所以我們以較低溫的部分為主要的探討條件；我們 總共在鍍膜時改變了三種溫度，各為：室溫、150℃、300℃；然 後在每一個溫度下，而鍍膜時的氧壓為另一調變參數，以探討溫 度 和 氧 壓 對 材 料 的 電 阻 率 (resistivity) 、 載 子 濃 度 (carrier concentration)和遷移率(mobility)的影響。
圖 4-6 是在三種不同的鍍膜溫度下改變鍍膜時的氧壓所得到的電 阻率結果。且電阻率的量測是以前述 van der Pauw 的方法進行。
room temperature 1500C
膜溫度升到 450℃和 600℃，發覺在此溫度下蒸鍍的薄膜，其電阻均
room temperature 1500C
3000C
圖 4-7 改變氧壓對載子濃度影響的圖
的研究結果相同。其原因為當氧壓降低時，InGaZnO4薄膜中的 O 原子 會因為環境中所供給的氧原子減少，導致薄膜中的氧原子含量減少；
而缺氧在 ZnO 相關的半導體中，一般被認為是造成其 n-型自摻雜 (self-doping)的主要原因，我們相信，在 InGaZnO4中，類似的情形 也可能發生。
room temperature 1500C
3000C
ρ(Ω -cm)
concentration(1019cm-3)
圖 4-8 載子濃度和對阻率的關係
可以發現除了在 300℃成長的薄膜顯示電阻率和載子濃度
room temperature 1500C
之外，氧壓對載子遷移率的影響不大。更令人驚訝的是，我們製
room temperature 1500C
3000C mobility(cm2 V-1 s-1 )
concentration(1019cm-3)
圖 4-10 載子濃度對 mobility 的影響
4-4 PL(photoluminescence)量測
為了對本實驗所製備的的 InGaZnO4薄膜作進一步的瞭解，所以 也進行了光激發光(photoluminescence，PL)的量測；圖 4-11 為典型 的 PL 光譜結果(圖中顯示的是室溫 20 mtorr 下蒸鍍薄膜的結果)。
可以明顯看到，這些薄膜並未顯現典型的半導體 PL 行為；亦即沒有 特定發光譜峰，但是我們注意到這樣的行為和 Jeong 等人的實驗結果 類似[17]，在他們的實驗中，InGaZnO4中的 In 離子變比例的被 Ga 離子取代；他們發覺當薄膜中的 In 離子，100％被 Ga 取代時，會有 一個非常明顯的發光譜峰，而且這種行為是可逆的；亦即把 Ga 的比 例逐漸減少時，該發光譜峰的強度逐漸變小。完全又變回 InGaZnO4 時，該譜峰便幾乎消失不見。一般而言，沒有明顯的發光譜峰，可能 是材料間接能隙，或者是樣品中有太多的缺陷，會使被激發的載子陷 入其中，而大幅衰減了再結合的效率。由於我們的 InGaZnO4是非晶 薄膜，前述的兩種可能均有可能產生，也無法觀測到 PL 譜峰。
4-5 穿透率量測的結果
我們實際觀察到薄膜的顏色，會隨著氧壓改變而變化；就觀察到 的結果而言 8 mtorr 和 9 mtorr 即 10 mtorr 其薄膜的顏色是黃色到 黃褐色的；即表示在此氧壓下藍色光的波段是被吸收的；另外由薄膜 的穿透率量測，發現薄膜在較低氧壓時，其穿透率會在 400nm 左右
350 400 450 500 550 600 650
0
我們實際觀察到的結果相符合；圖 4-12(a)-(c)顯示，不同溫度不同
400 500 600 700 800 900 1000 1100
0.50
400 500 600 700 800 900 1000 1100
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0.50
4-6 SEM 和 AFM 量測結果 4-6-1 SEM 量測
我們發覺表面的形貌看不出有什麼明顯的變化，推測原因可 是因為薄膜的導電度並不是很好，所以在掃 SEM 之前會先鍍上一層薄 薄的金箔；但假如我們表面的起伏本來就不大，再鍍上這層金箔之 後，整個表面的形貌會就會看不清楚了，所以我們還需用 AFM 來看我 們的薄膜表面形貌；而圖 4-12(a)(b)(c)(d)(e)是我們在相同氧壓 下，改變鍍膜溫度的 SEM 圖，
圖 4-13(b)100℃下鍍膜的 SEM 圖
圖 4-13(c) 150℃下鍍膜的 SEM 圖
圖 4-13(d) 225℃下鍍膜的 SEM 圖 圖 4-13(a) 室溫下鍍膜的 SEM 圖
圖 4-13(e) 300℃下鍍膜的 SEM 圖
4-6-2 AFM 量測
由原子力顯微鏡的觀測，薄膜的表面有稀稀疏疏的突起；可以 得知在同一個溫度下，氧壓越大，原本稀疏的突起物增加了；氧壓越 低時，薄膜的表面平整度也跟著變好了，幾乎看不到這些突起物；而 所量測到的 AFM 圖形如圖 4-13（a）（b）（c）（d）（e）（f）。
圖 4-14(a) 室溫下、20 mtorr 薄膜 的 AFM 圖
圖 4-14(b) 室溫下、1 mtorr 薄膜 的 AFM 圖
圖 4-14(c) 150℃、10 mtorr 薄膜 的 AFM 圖
圖 4-14(d) 150℃、40 mtorr 薄膜 的 AFM 圖
圖 4-14(e) 300℃、10 mtorr 薄膜 的 AFM 圖
圖 4-14(f) 300℃、30 mtorr 薄膜 的 AFM 圖
4-7 元件電性的量測
由電子學知一電晶體的電流-電壓的公式為：
1. 非飽和區，又稱三極區(triode region)；理想的電流-電壓 公式為：
2. 飽和區，又稱夾止區(pinch-off region)；理想的電流-電壓 公式為：
我們元件的各層薄膜條件為
VDS(voltage)
由上面結果可以發現，我們所做的元件並沒有很明顯的VT；推測 原因可能為實驗室的潔淨度並不是很好，有顆粒掉在元件上，而導致 元件不能正常工作。另外IDS會隨著VGS增加而增大，可能的原因為：
1.我們所選用的Y O2 3薄膜，膜上有形成孔洞，所測到的電流有 可能是由閘極端經過絕緣層流到源極的電流。
2.其實通道是有存在的，電流會隨著VGS加大而增大；唯在我 們量測的區間內還看不到飽和區(pinch-off)；即 VT太大，
在我們可以量測的範圍之外。