PN 接面(p-n junction)特性

為了形成 PN 接面，我們利用高溫製程來將 Zn 參雜進原本為 n 型半導體的樣品，

並藉以在黃光微影製程中定義的區域形成 p 型半導體區域。利用高溫製程形成 PN 接面，

並分別鍍上相對應的 p 型(Ti/Au)與 n 型(Ni/Ge/Au)電極後，我們在蝕刻製作成捲管之前，

先對樣品作電流電壓特性曲線(I-V Curve)的量測。圖 4.5.1.1 即為鍍完金屬電極後的 PN 接面樣品，以及相對應的 I-V 圖量測結果，我們可以發現兩個樣品皆有測得 PN 接面的 特性，因而可以判定橫向 PN 接面的製程方式是確實可行的。

首先針對樣品 Lm5136，根據參考文獻[25]，我們使用高溫爐管(在 650°C，15 分鐘 的條件下)的方式來使 Zn 原子擴散進入(drive-in)樣品。樣品 Lm5136 的 PN 接面電阻值 約為 5.53kΩ，導通電壓(turn-on voltage)約為 0.8V。而在製作樣品 Lm5161 的 PN 接面時，

我們除了使用高溫爐管的方式以外，也嘗試使用快速熱退火(Rapid thermal anneal, RTA) 的方式來作擴散參雜。同時為了捲管後續製程以及量測的需求，對於樣品 Lm5161 我們 設計了較大面積的金屬電極。圖 4.5.1.1(d) (e)即為在不同的高溫製程條件下所量測的 I-V 圖，高溫爐管同樣是使用 15 分鐘的條件，而快速熱退火在固定高溫停留的時間為 20 秒。

由量測結果我們可發現，在同樣的溫度條件下，利用快速熱退火方式所形成的 PN 接面，

其電阻值較高溫爐管的 PN 接面電阻值為低，而且製程時間也大為縮短。因此我們之後 便採用快速熱退火的方式，作為製作 PN 接面的高溫擴散製程方式。然而，儘管較高溫 度的擴散製程能夠大幅降低 PN 接面的電阻值，但是過度高溫的擴散製程會對樣品薄膜 的品質造成損傷，同時樣品表面所鍍的 SiO₂與樣品(未鍍 ZnO 的 n 型區域)之間的界面 也會因為承受不了高溫所造成的膨脹程度差異而產生龜裂的現象，例如在高溫爐管 750°C 的條件下所測得的 I-V 圖其電阻值就大幅增加。而高溫所造成的樣品薄膜損傷，

也使得在後續的蝕刻製程中，樣品的 p 型區域無法順利的捲曲形成捲管。因此，我們在 降低 PN 接面電阻值以及在不損傷樣品薄膜的前提下，最後使用快速熱退火 600°C、20 秒的條件來作擴散製程，其 I-V 圖如圖 4.5.1.1(e)所示，PN 接面電阻值約為 877Ω，導通 電壓約為 0.6V。

54 樣品薄膜間的歐姆接觸(ohmic contact)不良造成較高的串聯電阻值，而高電阻值則可能 致使我們無法量測到電激發捲管的雷射特性。因此，如何改善金屬與樣品間的歐姆接觸

Lm5161_furnance_700C Lm5161_furnance_750C Lm5161_RTA_700C

Current (A)

Voltage (V)

I-V Curve

R=260

Lm5161_RTA_600C

Current (A)

Voltage (V)

I-V Curve

R=877

Current (A)

Voltage (V)

I-V Curve

R=5.53k

n

p

55

Current (A)

Voltage (V)

I-V Curve

R=1.51M

Current (A)

Voltage (V)

I-V Curve

R=2.49M

Current (A)

Voltage (V)

I-V Curve

圖 4.5.1.3 選擇性蝕刻後完成的電激發捲管元件【樣品 Lm5161】

56

880 900 920 940 960 980 1000 1020 1040 1060 0

PL Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

10uw 33.3uw 66.7uw 113.3uw Lm5136_electrically

pumped device_77K power dependent

FWHM~2.88 Q~343

1000 1050 1100 1150 1200 1250

-0.02

PL Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

5uW

pumped device_RT power dependent

FWHM~3.56