SiO 2
(a)
ZnO
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圖 4-7. 添加矽油，大氣退火 500°C 兩小時形成之氧化鋅薄膜，大尺度下觀察傾斜試片 之形貌
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4-3 光學性質分析 4-3-1 薄膜光穿透率分析
圖 4-8 為熱蒸鍍 ZnO 薄膜於石英基材在日光燈下之影像，利用肉眼可以明顯判斷退 火前後氧化鋅之透明度增加。
進一步利用紫外光/可見光光譜儀(UV-VIS)以穿透方式量測樣品，同時扣除石英基 板的背景值，而得到氧化鋅薄膜材料單純的穿透率，本研究量測的波長範圍從 200 nm~900 nm。分析圖 4-8 所提及之四種試片，分析結果如圖 4-9，可得知經過退火處理後，
不論加入矽油(紅色線)或未加入矽油(黑色線)薄膜的穿透率在可見光(400~700 nm)範圍 內皆大於 85%。由圖 4-9 的穿透光譜可以進一步轉換成吸收光譜推算出圖 4-10 的光學能 隙圖。吸收係數α (Absorption coefficient)可由 Beer-Lambert law[59] 式(3)計算而得
T = (1 − 𝑅)2exp(−𝛼𝑑) 式(3)
圖 4-8. 熱蒸鍍 ZnO 薄膜於石英基材在日光燈下之影像，未加入矽油所沉積之氧化鋅奈米 薄膜(a)未經過退火(b)經過退火；加入矽油所沉積之氧化鋅奈米薄膜(c)未經過退火(d)經過 退火
(b)
(c) (d)
(a)
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其中 T 為薄膜的穿透率，R 為薄膜的反射率，d 為膜厚。其中 T 為薄膜的穿透率，R 為薄 膜的反射率，d 為膜厚。薄膜的能隙可由 Tauc formula[60]式(4)推得
𝛼ℎ𝑣 = 𝐴(ℎ𝑣 − 𝐸𝑔
)
𝑛 式(4)hv 為光子能量，A 為常數，𝐸𝑔為能隙大小。氧化鋅為直接能隙，n 為 1/2。
由吸收光譜取最大切線斜率，此切線在(αhv)2 = 0時利用外插法可得氧化鋅薄膜的 能隙。薄膜厚度 d 利用 FESEM 分析其截面約 200 nm，由由圖 4-10 的結果可得知經過 退火處理後，未添加矽油的 ZnO 薄膜其光學能隙約在 3.17 eV、而添加矽油者約在 3.20 eV。
圖 4-10. 500°C 2h 大氣退火後 ZnO 薄膜能隙圖 圖 4-9. UV-Visible 分析薄膜穿透率圖
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4-3-2 PL 氧化鋅能隙發光與缺陷發光量測
本研究採用波長為 266 nm 雷射激發光源，在室溫下量測加入矽油與未加入矽油所 沉積形成之氧化鋅薄膜，與經過大氣退火 500°C 兩小時後形成之氧化鋅薄膜的能隙發光 與缺陷發光。本研究結果發現利用熱蒸鍍方法所形成的氧化鋅奈米顆粒缺陷非常多，因 為可見光放射波峰 (~550 nm)強度大於紫外光放射波峰 (~385 nm)。圖 4-11(a)未經過退 火處理且未加入矽油之氧化鋅薄膜其能隙發光峰值非常弱，經過 500°C 持溫兩小時退火 處理後，圖 4-11(b)能隙發光峰值出現，此結果與 XRD 分析結果互相驗證，證明經過退 火處理的方式鋅會轉變成氧化鋅之結構。然而從圖 4-12(a)可以明顯發現蒸鍍於矽油所形 的氧化鋅奈米顆粒薄膜，僅在加熱板加熱 180°C 二十分鐘將矽油揮發，不須經過退火處 理即可觀察到明顯的紫外光放射峰值，此原因仍近一步需要透過 XPS 分析矽油與氧化 鋅之間是否產生鍵結關係。經過退火處理後，圖 4-12(b)紫外光放射峰值愈趨明顯。
圖 4-11. 未加入矽油所沉積之氧化鋅奈米薄膜 (a)未經過退火 (b) 經過退火
圖 4-12. 加入矽油所沉積之氧化鋅奈米薄膜 (a)未經過退火 (b) 經過退火
(a) (b)
(b)
(a)
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圖 4-13 在相同之 PL 量測條件下，綜合比較 ZnO 能隙發光與缺陷發光在退火前後 之峰值強度變化，可以證實氧化鋅熱蒸鍍矽油內經過退火處理後，所形成之氧化鋅 nanograined 奈米結構，具有較佳的紫外光發射強度。圖 4-14 呈現實際量測 PL 試片與 紫外光感測器元件。
圖 4-14. 實際量測 PL 試片與紫外光感測器元件
圖 4-13. 綜合比較 ZnO 能隙發光與缺陷發光在退火前後之峰值強度變化
Without Oil as-deposited
Without Oil after annealing
With Oil as-deposited (remove of oil)
With Oil after annealing
41 極之間相互導通無法量測，需進一步經過退火處理(Without Oil after annealing)，如圖 4-15，
照射 UV 光源才有光電流、暗電流變化的特性，在施以 5V 偏壓下、利用 Arduino 程式 控制 UV 光源亮暗各十秒，量測紫外光感測器響應時間，電流增益約為 0.5 個數量級(暗 電流為 1.31 x 10-5 、光電流為 6.51x 10-5 A)。此結果與 XRD 分析數據相互驗證，經 500
°C 兩小時大氣退火處理後，金屬鋅會轉變成半導體氧化鋅的結構。
圖 4-16 添加矽油未經退火處理的元件(With Oil as-deposited)即有明顯的光暗電流變 化，圖 4-17 經過退火處理後(With Oil after annealing)，光感測特性更佳，在+5 V 時有較 大的電流增益接近 3 個數量級(暗電流為 4.31x 10-7 A、光電流為 2.45x 10-4 A)。圖 4-18