第二章 MIS 基本理論
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，因能隙的 大小接近絕緣的特性，所以又可稱為絕緣層，因此 MOS 結構亦可稱為 MIS(Metal Insulator Semiconductor)結構。
對於 MIS 元件之氧化層材料的要求有下列幾點[36,37]：
(1) 要有低漏電流。
(2) 在介電層與矽基板間具有良好的介面特性。
(3) 介電薄膜要低缺陷。
(4) 金屬層與基板形成良好的歐姆接觸。
圖2-1 金屬氧化物半導體光偵測器(MIS)結構示意圖
3
2-2 MIS 光偵測器介紹
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 MIS 光偵測器中產生電子-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. 如圖 2-2，由入射光的光子在氧化層與矽基板之間產生載子。
2.藉任意電流的增益機制，來使載子傳輸或者累積載子出現反轉區。
3.產生的電流經外部電路交互作用，用來提供輸出訊號。[13][19]
圖2-2 光子產生電子電洞對情形
2-3 MIS 光偵測器工作原理
以 p 型 Si 基板為例，當 MIS 施加一偏壓時，等同於在電容上施加偏壓，而理 想電容在施加不同偏壓情況下，則會有三種操作區域：（一）偏壓小於平帶電壓 (flat band 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]
4
圖2-3 V＝0時理想MIS能帶圖[7]
其中，金屬功函數：qΦm，半導體功函數：qΦs，電子親和力：qx，費米能階（EF）
－本質費米能階（Ei）：qΦF
（一）累積區（accumulation）：偏壓小於平帶電壓(flat band voltage)。
當一負電壓（V＜0）施加於元件平板上時，絕緣層與半導體介面（interface）處 將感應出超量的正電載子（電洞），此種情形之下，靠近半導體的表面向上彎曲 的能帶使得Ei-Ef的能差變大，進而在絕緣層與半導體的介面處產生電洞聚集，提 升電洞的濃度，如圖2-4,5所示累積區下載子分佈，此時如果有光子入射於SiO2/Si 介面產生電子-電洞對(electron-hole pair)，而位於傳導帶的少數電子會因介面 電場作用而往＂正＂極端流動形成光電流。
qx
Eg/2
5
V＜0
圖2-4 累積區下能帶圖[7]
圖2-5 累積區下載子分佈[7]
（二）空乏區（depletion）：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（V＞0）於理想的MIS元件時，鄰近 半導體的表面能帶向下彎曲，而少數載子（電子）累積於介面。如圖2-6,7為空乏
Metal
Insulation
Semiconductor
6
區下載子分佈[22]。如果此時介電層厚度很薄，則會有少數載子的穿隧電流，如 果有光子入射也會有光電流。
圖2-6 空乏區下能帶圖[7]
圖2-7 空乏區下載子分佈
（三）反轉區（inversion）：偏壓大於臨界電壓稱之為反轉區。當外加一更 大的正電壓時，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，
使得絕緣層與半導體界面處開始吸引超量的載子（電子）。如圖2-8所示。EF－
7
Ei>0，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[23]。
如果有光子入射也會有光電流，只是比例上佔少數。
圖2-8 反轉區下能帶圖[7]
圖2-9 反轉區下載子分佈
Metal Insulator Semiconductor
V >>0
8