6-1 量測系統簡介
6-1-1 電流-電壓量測系統
將製備完成的晶片架設在探針座上，並使用HP4145B半導體參數分析儀提供 電壓並量測電流變化，搭配Labview程式控制讀取HP4145B上的資料。儀器架設如 圖6-1。
圖6-1 電壓-電流量測系統
圖6-2 HP4145B機台外觀
圖6-3 量測平台與探針座
圖6-4 I-V量測圖
6-2 光響應量測
6-2-1 電流-電壓特性量測系統介紹
為在矽基板上直接以電子束蒸鍍一層 ITO 層(厚度=200nm)，並在未經高溫退 火的條件下，進行 I-V 特性量測如圖 6-5，因材料本身的阻抗較低，以致電流較強，
甚至到了 10V 仍未有飽和趨勢。之後，我們嘗試在 ITO 電極層，與矽(p-Si)基板間，
分冸加入 SiO2層(厚度=100nm)，與 TiO2層(厚度=130nm)，觀察個冸的電流電壓關
係，圖 6-6 與圖 6-7，在加入 SiO2層後，電流在低電壓下，有蓄積遂穿的反應々而 TiO2材料特性為 n-type 半導體，與矽(p-type Si)基板在接觸面形成 P-N 接面，並且 為了達到 P-N 接面的平衡，有順向的漏電流的產生。
圖6-5 ITO/Si未退火之電流電壓關係圖
圖6-6 ITO/SiO2/Si未退火之電流電壓關係圖
圖6-7 ITO/TiO2/Si未退火之電流電壓關係圖
接續上述的實驗結果，持續堆疊一層材料，觀察其電流電壓關係，並找出有 效的反應區域。
ITO/ TiO2/SiO2/Si 堆層，藉由電子能階的不連續性，導致 TiO2的漏電流電壓，
被有效的阻隔了，而光照下電荷庫倫堵塞，形成量子隧穿效應電流隨電壓上升，
曲線上的鋸齒狀，便是此現象的成照，圖 6-8。
圖6-8 ITO/ TiO2/SiO2/Si未退火之電流電壓關係圖
藉由能階示意圖 6-9 輔助說明，在兩材料間因不同電子能階下，Si 的電子由高
電位游離到低電位的過程中，受到 SiO2層的阻隔，因此在 SiO2與 Si 的界面產生 電荷庫倫堵塞產生高電位，又 TiO2與 SiO2間的能隙較低，並且與 ITO 電極端直接 接觸，致使自身電子濃度降低產生低電位，於是在介層間形成電場
圖6-9 ITO/ TiO2/SiO2/Si能階示意圖
而在照光的情形下，如圖 6-10、圖 6-11、圖 6-12，光電流穿透 SiO2層，到達 Si 的界面上，過程中 TiO2受到照光反應，將其 Ec 能階趨近 Ef 的能階，生成電子 位能空乏區，此時光電流擁有更多的空間，激發 Si 電位的蓄積區，直接向 TiO2的 空乏區射出電子，造成間接隧穿 SiO2層，而伴隨著照光時間的增加，蓄積區的電 位與空乏區會持續增加。
圖6-10 ITO/ TiO2/SiO2/Si的光譜電流圖
圖6-11 ITO/ TiO2/SiO2/Si在0～10V的光譜電流圖
圖6-12 ITO/ TiO2/SiO2/Si在-10～0V的光譜電流圖
ITO/SiO2/TiO2/Si 堆層，圖 6-13，我們知道 TiO2為 n-type 半導體，當疊層於 p-type Si 基板上時，產生 P-N 接面的半導體效應，所以在暗電流上，有明顯的電 流輸出反應，而在光照下，因光電流的影響，使電流伴隨電壓上升，且曲線較為 平順。
圖6-13 ITO/SiO2/TiO2/Si未退火之電流電壓關係圖
藉由能階示意圖 6-14 輔助說明，我們知道在 TiO2與 Si 之間，因為 P-N 接面 的關係，在其界面上就有一個內電場生成，還有因電洞遷移的關係，在 ITO 與 TiO2 有一個外電場。
圖6-14 ITO/SiO2/TiO2/Si能階示意圖
觀察圖 6-15、圖 6-16、圖 6-17，TiO2與 ITO 之間的電洞遷移，吸引電子跟隨 電洞，由 TiO2到達 ITO 電極端而導通，並且在照光的情形下，TiO2層的 Ec 能階 會下降趨近 Ef 的能階，生成空乏區，此時光電流容易被捕抓在這空乏區間中，形 成電位積蓄，直接在 ITO 與 TiO2間形成一個外電場，兩電場相互作用下使得元件，
伴隨照受光時間增加，輸出電流上升。
圖6-15 ITO/SiO2/TiO2/Si的光譜電流圖
圖6-16 ITO/SiO2/TiO2/Si在0～10V的光譜電流圖
圖6-17 ITO/SiO2/TiO2/Si在-10～0V的光譜電流圖
材料性質 材料性質對 MOSFET 效能的影響
介電常數 k↑
介電層電容 Cdi↑々汲極電流 ID↑々 臨界電壓 VT↓々轉移電導 gm↑々 通道電導 gD↑
介電層能隙 Eg↓ 界面電子位障高度∅𝐵↓々
介電層漏電流密度 Jg↑々 等效氧化層厚度(EOT)↑
介電層電子親和力χ↑
等效穿隧質量 mt↓
陽離子配位數 CN↑ 介面缺陷密度 Dit↑々介電層缺陷密度
Dbt↑々氧空缺密度 Vo↑々通道遷移率𝜇𝑐ℎ
↓々臨界電壓 VT↑々介電層可靠度↓々 汲極電流 ID↓々轉移電導 gm↓々通道電 導 gD↓
混成鏈結離子性 I↑
內部離子距離不匹配∆d𝑐−𝑎↑
電負度差異∆EN↑
表6-1 高介電常數材料之性質對MOSFET元件的影響[27]
6-2-2 光響應度特性量測
本實驗量測光響應度時，使用光功率計(EO Laser Checker)量測，各光頻譜下 的光功率(Intensity)，圖 6-12 光功率計儀器圖，圖 6-13 為光功率與光波長關係圖。
圖6-18 光功率計儀器圖
圖6-19 光功率與光波長關係圖
圖6-20 CM-110單光儀儀器圖
利用光源透過單色分光儀，將不同的光波長照射在元件上，再量測元件的對光電 流值，分析光對元件的響應度。我們利用式 6-1 來計算光響應度
R = 𝐼 (公式 6-1) R :光響應度，I :元件電流，P:入射光功率
觀察 ITO/ TiO2/SiO2/Si 的光響應測量結果，圖 6-21，我們發現元件受光響應後 的電流輸出，在 0V 的時候，幾乎沒有太大的響應，要持續加電壓，才有更好的反 應，代表這個元件屬於高響應元件。
圖6-21 ITO/ TiO2/SiO2/Si的光響應圖
觀察 ITO/SiO2/TiO2/Si 的光響應測量結果，圖 6-22，該元件因受到 TiO2層的
電洞遷移的影響，導致在 0V 的時候，就有電流產生，另外還有 P-N 接面的內電場 效應，使得電子可以由 Si 擴散到 TiO2，再加上光電子填補 TiO2受光後，因 Ec位 能下降而生成之空乏區域，導致 TiO2層蓄積電子電位，當持續照光下，TiO2會有 崩潰反應，使得電流持續增強。此元件在低壓的環境下，就有對光的響應表現，
為低響應的元件。
圖6-22 ITO/SiO2/TiO2/Si的光響應圖
藉由圖 6-23，我們比較兩元件的光響應，在 6V 的時候的光響應結果，高響應 元件與低響應元件的比較。
圖6-23 兩元件的6V光響應比較圖