2-1 MIS 元件介紹
所謂的 MIS 薄膜元件，是指組成元件的三種基本材料：金屬層、氧化層、半 導體，如圖 2-1 所示為 MOS 的橫截面示意圖。其中電晶體內的氧化層，因絕緣特 性又可稱之為絕緣層，因此 MOS 結構亦可稱為 MIS(Metal Insulator Semiconductor) 結構。
在 80 年代早期，Maserijian 和 Zamani 首先發表在低電場應力下，超薄氧化層 元件(氧化層厚度小於 5nm)之漏電流會受到高電場應力而增加。一般而言，對於 MIS 元件之氧化層材料的要求有下列幾點：
(1) 要有低漏電流。
(2) 在介電層與矽基板間的應力要小。
(3) 熱穩定性要佳，也就是說在製程上不能有微結構上之缺陷。
(4) 高介電崩潰強度。
目前為了解決元件微縮後帶來短通道效應及量子穿隧效應等問題，許多文獻 利用高介電係數材料來取代原來的 SiO2絕緣層，由公式 2-1 得知，若高介電常數 氧化層欲擁有與 SiO2相同之電容值條件，則高介電常數氧化層可容許比 SiO2更大 的厚度。而更厚的氧化層能避免直接穿隧效應，有效減少漏電流。
(公式 2-1) 其中 C 為電容、d 為薄膜厚度、ε 為介電常數、A 為薄膜面積
3
圖2-1 金屬氧化物半導體(MOS)的結構示意圖[41]
2-2 MIS 光偵測原理介紹
光偵測器(Photodetector)是一種利用光子和半導體內的電子之間的交互作用，
當光子被吸收之後，會在元件中產生電子-電洞對，接著電子-電洞對會被電場分離，
而在電極之間產生光電流之流動，便能夠將光訊號轉換為電訊號的半導體元件，
而光偵測器的原理包括三個步驟：
1.由入射光的光子產生載子。
2.藉著任何可行的電流增益機制，來使載子傳輸或者累增載子。
3.產生的電流經外部電路交互作用，用來提供輸出訊號。
光子和半導體內的電子之間主要有三種交互作用：吸收(absorption)、自發放射 (spontaneous emission )、受激放射(stimulated emission )。如果其光子能量 hν 大於 半導體能帶寬度 Eg，則光子被半導體吸收且激發同時產生一電子電洞對，如圖 2-2。
如果外加一負偏壓下，產生的電場將半導體界面的基板之多數載子電洞吸引過來，
使得能帶向上彎曲。如圖 2-3 所示，E1 與 E2 分冸表示基態(ground state)與激態 (excited state)，則在此兩能階產生的光子頻率為 ν12，其 hν12＝E2-E1。一般情況下 原子多處於基態，假如有一道光蘊含能量為 hν12 的光子衝擊此基態系統，則電子 會獲得能量並躍遷至激態，此過程即稱吸收如圖 2-3(a) ，光子被半導體吸收後，
會在半導體與絕緣層介面出開始產生電子電洞對，隨著光照強度增加，電子可流
向半導體基底端電極造成光電流的電子電洞對數目增加了，因此在固定偏壓下光
5
光偵測器在所工作的波長範圍中必頇具有高靈敏度、高響應速度及低雜訊，
通常配合絕緣層材料的選擇，及控制絕緣層材料的厚度，可達到控制光響應的效 果，並偵測特定波長的光偵測效果，設計偵測不同波長(Wavelength)的光，其光偵 測器可偵測波長可由紅外光－可見光－紫外光、紅外光波段、紫外光波段…等，
依使用需求設計偵測範圍，此外，光偵測器必頇盡量微小化、使用低電壓、或低 電流、並在運作條件下具有高可靠度。[14][19]圖 2-4 為 MIS 元件之結構圖。圖 2-5 為 MIS 元件之俯視圖。
圖2-4 MIS元件之結構圖
圖2-5 MIS元件之俯視圖
2-3 MIS 元件原理
當 MIS 施加一偏壓時，會有三種操作區域：（一）偏壓小於平帶電壓(flatband voltage)稱之為累積區，（二）偏壓介於平帶電壓與臨界電壓之間(threshold voltage) 稱之為空乏區，（三）偏壓大於臨界電壓稱之為反轉區。[20-21]
MIS 元件於零偏壓時，如圖 2-6 所示能帶圖，金屬介面功函數 qΦm與半導體 介面功函數qΦs的能差為零，即功函數差qΦms為零。
圖2-6 V＝0時理想MIS能帶圖[7]
金屬功函數：qΦm
半導體功函數：qΦs 電子親和力：qx
本質費米能階（Ei）－費米能階（EF）：qΦF
（一）累積區（accumulation）如圖2-7所示：偏壓小於平帶電壓(flatband voltage)。
當一負電壓（V＜0）施加於元件電極金屬端時，絕緣層與半導體介面（interface）
處將感應出超量的正載子（電洞），在此情形下，接近半導體表面的能帶向上彎 曲。半導體表面向上彎曲的能帶使得Ei-Ef的能差變大，進而提昇電洞的濃度，而 在絕緣層與半導體的介面處產生電洞聚集。其中Qs為半導體中每單位面積之正電 荷量，Qm為金屬中每單位面積之負電荷量。此時MIS元件將像一個平行板電容器，
7
由C-V特性曲線我們可了解此時的電容為最大值，且呈現一平坦飽和狀態。此時，
CLF=CHF=CFN。
圖2-7 累積區下能帶圖與電荷分佈[7]
圖2-8 累積區下載子分佈
(公式2-2) 其中，VFB：平帶電壓，CLF：低頻電容，CHF：高頻電容，CIN：絕緣層電容
（二）空乏區（depletion）如圖2-9所示：偏壓介於平帶電壓與臨界電壓之間 (threshold voltage)稱之為空乏區。當外加一小量正電壓（ΔV＞0）於MIS元件時，
靠近半導體表面能帶將向下彎曲，形成空乏區。半導體中單位面積之空間電荷Qsc 的值為-qNAW，其中W為表面空乏區（depletion region）的寬度。圖2-11為空乏區
V＜0
Metal
Insulation
Semiconductor
下載子分佈。[22]
圖2-9 空乏區下能帶圖與電荷分佈[7]
圖2-10 空乏區下載子分佈
(公式2-3) 其中，Xd：空乏寬度，VT：臨界電壓
（三）反轉區（inversion）如圖2-11所示：偏壓大於臨界電壓稱之為反轉區。
當外加正電壓(V>VT)時，能帶向下彎曲更嚴重，使得表面的本質能階Ei越過費米能 階EF(Ei－EF >0)，使得絕緣層與半導體界面處開始吸引超量的載子（電子）。因此 介面上電子（少數載子）數目大於電洞（多數載子）時，呈現反轉，且由C-V特性 曲線可得知，電容會隨著偏壓的上升而增加，直到等於絕緣層電容，但在低頻時
9
少數載子能跟得上頻率的變化，而在高頻時，少數載子跟不上頻率變化。[23]
圖2-11 反轉區下能帶圖與電荷分佈[7]
圖2-12 反轉區下載子分佈
(公式2-4)
其中，Xdmax：空乏最大寬度，
s：介電係數Metal Insulator Semiconductor
V
Metal Insulation
Semiconductor