第二章 文獻回顧
2.1 HARP 製程原理
High-gain avalanche multiplication (HARP)具有合適能量的光子入 射 a-Se 薄膜時，可產生電子電洞對，此時若施加在 a-Se 薄膜的逆向 電壓大於崩潰電壓時，電洞會在材料內高速運動，造成碰撞游離 (impact ionization) 作 用 ， 並 會 發 生 雪 崩 崩 潰 式 放 大 行 為 (avalanche multiplication)。圖 2-1 為 HARP 光感應元件之 a-Se 光電疊層結構示意 圖，a-Se 膜層為主要之光電感應區，為了要降低暗電流與提升穩定性，
會在硒薄膜兩端分別沉積電洞阻障層(CeO2 or ZnO)與電子阻障層 (Sb2S3)，這兩層阻障層類似一般 n-i-p 之光電元件結構中之 n 與 p 層，
當光自 ITO 玻璃進入元件，外來電洞與電子將被阻隔在阻障層內，只 有進入 a-Se 膜層內的光子所產生的電子-電洞對，即可將少量的光訊 號轉換為大量的電訊號。
HARP 元件依感光機制可分成：(1)直接式光電轉換(2)間接式光電轉換。
如表 2-1 所示。
(1)直接式光電轉換：直接式光電轉換結構如圖 2-2 所示，由上至 下依序為 CeO2 / a-Se / Sb2S3，當 X 光穿過上透明電極 ITO 及 CeO2後 被 a-Se 吸收產生電子電洞對 ( EHPs )，在高加速電場( > 70 V/μm) 下 載子遷移碰撞原子，發生碰撞游離 ( impact ionization ) ，生成更多載 子，倍增的光載子藉由 a-Se 上層 CeO2 阻隔電洞，傳輸電子；下層 Sb2S3正好相反，阻隔電子，傳輸電洞；高逆偏壓加在 p-i-n 結構上，
將 a-Se 中生成的光載子迅速分離以降低再復合的機會。其優點為空間
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解析度高，缺點為產品壽命短。
(2)間接式光電轉換：其結構類似直接式光電轉換結構如圖 2-3 所 示，其入光面 CeO2層上面多了 CsI:Na 或 CsI:Tl 柱狀膜層；當 X 光經 過此層時先被吸收，再轉換成藍光 450 nm，之後才間接由主要吸光層 (光電轉換層)a-Se 吸收產生電子電洞對，並經高電場分離，轉換成電 流訊號。間接式光電轉換因比直接式光電轉換多了一層 CsI:Na 或 CsI:Tl 柱狀膜層，缺點為空間解析度較低，優點為產品壽命較長。[11]
圖 2-1 a-Se 光電疊層結構示意圖[12]
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圖 2-2 直接式光電轉換 ( Direct convert ) [13]
圖 2-3 間接式光電轉換 ( Indirect detection ) [14]
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直接式 間接式
X 光穿過上透明電極 ITO 及 CeO2 (ZnO)後被 a-Se 吸收產生
電子電洞對
X 光經過 CsI 層時先被吸收，再 轉換成藍光 450 nm，之後才間接 由主 a-Se 層吸收產生電子電洞對
優點：空間解析度高 缺點：空間解析度低
缺點：產品壽命短 優點：產品壽命長
表 2-1 HARP 感光機制分類
Sb2S3
a-Se
CeO2 CsI
X-ray Blue
light ITO glass Al
Sb2S3
a-Se
CeO2
X-ray ITO glass Al
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2.1.2 雪崩效應
當光照射在 a-Se 時，在高電場下，光產生電子-電洞對會分別漂 移至正極與負極，此時高速移動的電洞會碰撞材料內的 Se 原子，導 致碰撞游離(impact ionization)發生，產生了更多的電子-電洞對，如圖 2-4 所示。當電場高到某一臨界值時，即出現所謂的雪崩式倍增
(avalanche multiplication)效應，大幅增加了 a-Se 材料內的電流。第一 篇研究 a-Se 碰撞游離的文獻發現，在電場高於約 80 V/m 下，a-Se 的 有效量子效率可遠大於 1[2]。這種崩潰式倍增效應乃歸因於在高電場 漂移的熱電洞向負極移動時，不斷造成碰撞游離所導致。電子在 a-Se 內的漂移率小於電洞 30 倍，對雪崩倍增效應無法發揮貢獻。載子在 一般非晶半導體的平均自由徑很短，很難累積足夠能量發生持續性的 碰撞游離，因此即使雪崩倍增效應已有明確的實驗證據，但是長久以 來卻缺乏傳統理論的解釋。不過近期有一個 “幸運漂移”（luck drift,
LD）模式被用來說明這雪崩倍增 機制[3]，此 LD 模式認為載子在非 晶半導體內漂移時，會發生肇因不 規則(disordered)晶格位能的彈性散 射與光學聲子引致的非彈性散射，
彈性散射機率遠高於非彈性散射，
於是載子在很高的電場下漂移時，
可以獲得足夠能量，便可不斷產生 碰撞游離，當電場足夠大時，便可 形成崩潰倍增效應。
圖 2-4 雪崩式倍增碰撞游離機制示意圖
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