矽基板上濺鍍沉積氮化銦薄膜之研究

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(1)國立高雄大學電機工程學系碩士班碩士論文. 矽基板上濺鍍沉積氮化銦薄膜之研究 Study of sputtered InN film on Si substrate. 研究生：陳源澤撰指導教授：藍文厚博士. 中華民國九十七年七月.

(2) II.

(3) III.

(4) 矽基板上濺鍍沉積氮化銦薄膜之研究. 指導教授：藍文厚教授國立高雄大學電機工程學系. 學生：陳源澤國立高雄大學電機工程學系碩士班. 摘要. 本論文探討以直流磁控濺鍍法（DC magnetron sputtering）在 P 型矽基板（Si, Silicon）上濺鍍沉積氮化銦（InN, Indium Nitride）薄膜，進行 P-N 二極體之製作。研究介面層、沉積溫度對元件電性與光性之影響。經由後續退火機制，可有效提高在此 P-N 元件之光電流（Photo current）。同時藉著介面低溫層（low temperature InN）之引進與適當製程參數的配合，完成低漏電電流與高光電流之 P-N 二極體。並對其波長響應度與能帶結構作一探討。. 關鍵字：直流磁控濺鍍、氮化銦、矽基板、退火、介面層。 IV.

(5) Study of Sputtered InN film on Si substrate. Advisor(s): Dr. Lan, Wen-How Institute of Electronic Engineering National University of Kaohsiung. Student: Chen, Yuan-Tza Institute of Electronic Engineering (electro-optical engineering) National University of Kaohsiung. ABSTRACT. In this dissertation we studied the deposition of InN (Indium Nitride) thin film on p-Si substrate by DC magnetron sputtering. After process, the P-N diodes were fabricated. The electrical and optical properties of these P-N diodes were characterized for different interface treatment and deposition temperature. The following anneal process shows an improvement effect for the photo current of such P-N diode. With the introduce of low temperature interface layer and followed suitable process, a P-N diode with low dark current and high photo current can be achieved. The responsivity and band structure were also studied for such P-N diode.. Keywords: DC magnetron sputtering, InN(Indium Nitride), Silicon substrate, Anneal，interface layer.. V.

(6) 致謝首先誠摯的感謝指導教授藍文厚博士，以及施明昌博士，老師悉心的教導，使我得以一窺光電領域的深奧。不時的討論並指點我正確的方向，使我在這些年中獲益匪淺。老師對學問的嚴謹更是我輩學習的典範。有了老師的指導與協助，使得本論文能夠更完整而嚴謹。兩年裡的日子，實驗室裡共同的生活點滴，學術上的討論、言不及義的閒扯、讓人又愛又怕的宵夜、趕實驗的革命情感，感謝眾位學長、同學、學弟的共同砥礪，你們的陪伴讓兩年的研究生活變得絢麗多彩。感謝明岳、子暘學長不厭其煩的指出我研究中的缺失，且總能在我迷惘時為我解惑，有了學長的經驗，如虎添翼。也感謝敦仔、柯董、鎮宇同學的幫忙，恭喜我們順利走過這兩年。實驗室的勁夫、冠廷、子鵬、宗曄、文彬學弟、鈺婷學妹以及 505 的學弟們當然也不能忘記，學弟妹們的幫忙我銘感在心。女朋友在背後的默默支持更是我前進的動力，没有妳的體諒、包容，相信這兩的生活將是很不一樣的光景。最後，謹以此文獻給我摯愛的雙親，與我最愛的家人。. VI.

(7) 目錄中文摘要………………………………………………………………IV 英文摘要………………………………………………………………V 致謝……………………………………………………………………VI 目錄……………………………………………………………………Ⅶ 表目錄…………………………………………………………………IX 圖目錄…………………………………………………………………Ⅹ 第一章. 序論……………………………………………………………1. 1-1. 研究動機 ………………………………………………………1. 1-2. 氮化銦基本特性 ………………………………………………1. 第二章. 基本理論及實驗設備…………………………………………3. 2-1. 濺鍍理論………………………………………………………3. 2-1-1. 濺鍍之能量轉移理論……………………………………3. 2-1-2. 濺鍍系統介紹……………………………………………3. 2-2. 薄膜沉積原理…………………………………………………4. 2-3. PN 接面原理……………………………………………………4. 2-3-1. 能帶圖……………………………………………………4. 2-3-2. 平衡態費米能階…………………………………………5. 2-3-3. 空間電荷…………………………………………………5. VII.

(8) 第三章. 實驗方法與設備…………………………………………….7. 3-1. 實驗流程………………………………………………………7. 3-2. 基板的清洗與表面處理………………………………………8. 3-3. 直流濺鍍氮化銦………………………………………………8. 3-4. 電性分析………………………………………………………8. 3-4-1. IV 特性分析………………………………………………9. 第四章實驗結果與討論………………………………………………10 4-1. 表面品質之影響………………………………………………10. 4-2. 長晶溫度之影響………………………………………………11. 4-3. 退火溫度之影響………………………………………………12. 4-4. 低溫層之影響…………………………………………………13. 第五章結論與未來工作………………………………………………15 參考資料……………………………………………………………….44. VIII.

(9) 表目錄表 4-1-1 SL_A、SL_B 與 SL_C 製程參數表。……………………………16 表 4-1-2 SL_A、SL_B 與 SL_C 理想因子與內部電阻值關係表。………16 表 4-2-1 SL_100、SL_200、SL_300 與 SL_400 製程參數表。…………17 表 4-2-2 在不同長晶溫度下之理想因子與內部電阻值關係表。……17 表 4-3-1 SL-A 之退火溫度圖。…………………………………………18 表 4-3-2 SL-A 之理想因子與內部電阻值對後續退火溫度。…………18 表 4-4-1 DL-InN 與 SL-InN 理想因子與內部電阻值關係表。………18. IX.

(10) 圖目錄圖 2-1 磁控濺鍍示意圖。………………………………………………19 圖 2-2 薄膜成長示意圖。………………………………………………19 圖 2-3-1 (a)形成接面前均勻摻雜 p 型和 n 型半導體，(b)熱平衡時，在空乏區的電場及 p-n 接面的能帶圖。………………………………20 圖 2-3-2(a)在冶金接面有陡摻雜變化的 p-n 接面，(b)在熱平衡下陡接面的能帶圖，(c)空間電荷分佈，(d)空間電荷分佈的長方形近似。………………………………………………………………………21 圖 4-1-1 全頻譜光源。…………………………………………………22 圖 4-1-2 SL_A 之電流-電壓曲線圖。…………………………………23 圖 4-1-3 SL_B 之電流-電壓曲線圖。…………………………………24 圖 4-1-4 SL_C 之電流-電壓曲線圖。…………………………………25 圖 4-1-5 SL_A、SL_B 與 SL_C 暗電流比較 I-V 曲線圖。……………26 圖 4-1-6 在不同偏壓下靜置時間對光電流值關係圖。………………27 圖 4-2-1 SL100 之電流-電壓曲線圖。…………………………………28 圖 4-2-2 SL200 之電流-電壓曲線圖。…………………………………29 圖 4-2-3 SL300 之電流-電壓曲線圖。…………………………………30 圖 4-2-4 SL400 之電流-電壓曲線圖。…………………………………31 圖 4-2-5 暗電流值在不同長晶溫度下之曲線圖。……………………32. X.

(11) 圖 4-3-1 SL-A 之照光與不照光電流-電壓曲線圖。…………………33 圖 4-3-2 SL-A_Anneal200 電流-電壓曲線圖。………………………34 圖 4-3-3 SL-A_Anneal300 電流-電壓曲線圖。………………………35 圖 4-3-4 SL-A_Anneal350 電流-電壓曲線圖。………………………36 圖 4-3-5 SL-A 之不同電壓下之光電流對後續退火溫度之關係。……37 圖 4-4-1 結構示意圖(a)DL-InN (b)SL-InN。…………………………38 圖 4-4-2 DL-InN 之照光與不照光電流-電壓曲線圖。………………39 圖 4-4-3 SL-G 照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。……………40 圖 4-4-4 DL-InN 與 SL-InN 光電流-電壓曲線圖。……………………41 圖 4-4-5 DL-InN 波長響應度曲線圖。…………………………………42 圖 4-4-6 InN-Si 異質接面能帶圖。……………………………………43. XI.

(12) 第一章序論 1-1 研究動機近年來全球半導體市場蓬勃發展，而相關的半導體材料均炙手可熱。而三族氮化物一直以來是全球半導體產業積極研究發展的材料，如氮化銦(InN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)及其合金半導體材料，許多都被應用在藍綠光、紫外光之光感測元件[1][2]，發光元件[3][4]，高功率和高溫電子元件上。而氮化銦其窄能隙的材料特性，所對應的光譜波長落在紅外波長，若能與其他半導體材料配合使用，在應用於光感測元件或吸光元件上，可望能製作出全頻譜的光電元件。三族氮化物中的氮化銦(InN)的研究在近幾年受到許多研究團隊的積極重視。原因是修正的氮化銦的能隙(Energy Band Gap)約為 0.69eV[5][6]，而非早期認為的 2.0eV[7]。這樣一來三族氮化物的能隙從氮化銦 0.69eV 至氮化鎵 3.4eV 至氮化鋁 6.2eV 形成了能涵蓋紅外光到紫外光的波段[8][9]，例如改變氮化銦鎵中的銦與鎵的比例並將其排列，便可形成涵蓋太陽光主要發光波段的光譜，若能以高效率將光能轉換成電能，便能成為相當合適的太陽能電池材料。本研究指要探討如何以矽(Silicon，Si)為基板，濺鍍沉積氮化銦，得到一品質佳的 P-N 接面，以應用於光電元件上。 1-2 氮化銦基本特性氮化銦(InN)是一種化合物半導體材料，其鍵結結構為六方晶系的纖鋅礦 (Hexagonal Wurtzite)結構，其晶格常數為a0 =3.533Å，c0 = 5.693 Å[10]。早期氮化銦因為成長技術以及設備的不成熟，使得氮化銦的成長過程中，氧原子容易參予反應，於是便在濺鍍氮化銦薄膜中形成了三氧化二銦(In2O3)，另外成長時不容易形成單晶結構(Single crystal)，而通常形成了複晶結構 (poly crystal)或是非晶結構(amorphous)，使得氮化銦薄膜能隙被公認為 2.0 eV[7]，但在近幾年中，因為成長技術的成熟與改進，可以成長出結構良好的氮化銦薄膜，並且經過實驗證實其能隙為 0.69eV[5][6]。此能隙與過去的數據相較之下，相差甚多。這對半導體產業來說，無異是獲得了一種新的材料，對三族氮化物來說更是一種突破，使得氮化銦與氮化鎵的三元化合物，能用來製作寬光波段的光電元件，其波長涵蓋範圍由紅外光區至紫外光區。文獻[11]中預測氮化銦有效質量(effective mass)為所有三族氮化物中最低，氮化銦在室溫下的電子遷移率最高值能達到 4000 cm2/V․sec，文獻[12] 更指出在 77K 環境下，氮化銦的電子遷移率可達到 30000 cm2/V․sec，由於這些物理特性，使得氮化銦在高頻元件以及高速元件上有著很大的應用空間。因此使用氮化銦薄膜來製作高公率、高效率的光電元件，是非常理想的，也因如此，進年來也越來越多針對氮化銦的研究與探討[13][14][15][16]。製作半導體薄膜的方式有很多種，常見的有濺鍍法(Sputtering)、真空蒸鍍法(Thermal coating)、化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)、磊晶法(Epitaxy)等。其中濺鍍法的製程成本較為經濟，僅須通入反應氣體氮 1.

(13) 氣，與準備銦靶材，且沉積的薄膜亦能保有不錯的品質，也有相當快速的沉積速率。在本研究中對以濺鍍方式，沉積氮化銦薄膜於矽基板上，作一探討。. 2.

(14) 第二章. 基本理論及實驗設備. 2-1 濺鍍理論在真空系統中，欲濺鍍的物質稱為靶材(Target)，將其放置於負電位 (Cathode)；欲沉積的物質稱為基板(Substrate)，將其放置於正電位(Anode)。在兩電極間施以一高壓電場，此時若兩電極間的氣體分子濃度剛好達到產生電漿(plasma)的條件，就會在此區間產生電漿，利用離子化後的氣體轟擊靶材表面的原子[17]，被轟擊出的濺射原子在與製程氣體反應並沉積於基板上，此種利用動量轉換原理將材料濺擊到基板沉積的過程就稱為濺鍍(Sputter)。 2-1-1 濺鍍之能量轉移理論濺鍍是一種沉積薄膜薄膜常用到的方法，在真空腔體内，將靶材置於陰極，利用電場的作用下產生電漿（Plasma），以動量傳遞的方式，使離子化的氣體轟擊靶材表面的原子[17]，將靶材的原子轟擊出來後，再與製程氣體反應並沉積於目標基板，也就是相對的電極板（Electrodes）。電漿包含了中性原分子、離子、及電子[18]，藉著兩個相對應的電極上施加電壓，電極間提供的電場，其中的氣體分子在特定的壓力及濃度下，獲得足夠的能量，因而撞擊後進行所謂的離子化（Ionization）、解離（Dissociation）、激發（Excitation）、再結合（Recombination）、輻射（Radiation）、及電荷轉移（Charge Transformation）等反應，而產生離子、電子、中性氣體原分子所構成的電漿。大量的離子化氣體與電子，在此狀態下並不穩定，而部分被激發的粒子會回到基態，因而釋放能量而發光，即所謂的輝光放電。而電漿能持續輝光放電，便是離子化、解離、激發、再結合、輻射、及電荷轉移等反應穩定，且持續的循環。 2-1-2 濺鍍系統介紹濺鍍系統依電源供應的不同，可以分為：（1）直流濺鍍法（DC Sputtering）；（2）射頻濺鍍法（RF Sputtering）。一般而言，若濺鍍的靶材有良好的導電性，則可以採用直流濺鍍；若靶材屬於陶瓷或是不導電的材料，則必須採用射頻濺鍍。所以射頻濺鍍可以應用在導體、半導體、及絕緣體的濺鍍。 (1)直流濺鍍法(DC Sputtering) 直流濺鍍就是在基板與靶材兩邊施以一個固定偏壓，正電位接於基板；負電位接於靶材。兩者間的固定偏壓使得氣體分子離子化形成電漿來進行動量轉移過程。直流濺鍍法簡單但是最大的缺點是不能用於導體外的靶材。因為當非導體放至於負電位，隨著時間增加會有越來越多游離的正離子累積在靶材表面，而導致離子無法再濺擊靶材表面，使得濺鍍過程中斷。 (2)射頻濺鍍法(RF Sputtering) 射頻濺鍍是在基板與靶材間接上射頻(Radio Frequency)，一般頻率為 13.56MHz 的電源，因為在射頻電源的交互電場作用下，置於負電位的靶材在電 3.

(15) 源處於正電位時兩者相互抵消，而在電源處於負電位時在疊加了兩者的電位，使得離子加速且轟擊表面產生濺鍍結果。且可以消除直流濺鍍法靶材非導體不能使用的缺點，因為靶材電位的改變會消除濺鍍過程中累積的游離離子聚集於表面的情形。本研究中所使用的濺鍍系統即為直流濺鍍法。本系統中可以通入氮氣、氬氣、氧氣等氣體。在本系統中為了維持系統的乾淨和穩定，並不會使用氧氣等會汙染腔體的氣體。系統內有兩支石英加熱燈管，可穩定加熱至 450℃。抽氣幫浦使用渦輪分子幫浦(Turbo molecular Pump)，其能將腔體壓力抽至 1.5× 10-6torr。系統示意如圖 2.1。 2-2 薄膜沉積原理薄膜成長是一連串複雜的過程[19][20]。圖2.2為薄膜成長機制的說明圖。沉積薄膜之成長主要有三個階段：（1）成核（nucleation）；（2）塊狀的核團晶粒聚結（nuclei coalescence）；（3）連續薄膜（continuous film）。[21] 首先到達基板的原子必須附著在基板上(adsorption)，而這些原子會在基板表面發生形成薄膜所須要的化學反應。構成薄膜成分的原子會在基板表面作擴散運動，這個現象稱為吸附原子的表面遷徙（surface migration）。當原子互相碰撞時會形成原子團，這便稱為成核(Nucleation)。第二個階段即所謂的島成長（island growth）。原子團必須達到一定的大小之後，才能持續不斷穩定成長。因此小原子團會傾向彼此聚合以形成一較大的原子團，以調降整體能量。原子團的不斷成長會形成核島(island)。核島之間的縫隙須要填補原子(Filling of Channel)，才能使核島彼此接合而形成整個連續的薄膜。 2-3 P-N 接面原理 P-N 接面在現代電子應用及暸解其他半導體元件上扮演重要角色，它在整流、開關以及其他電子電路的操作上被廣泛應用。他也是雙載仔電晶體(bipolar transistor)，閘流體(thyristor)和金氧半場效電晶體(MOSFET)的重要構成組件。在給予適當的偏壓條件或曝露在光線下，P-N 接面也可以作為微波 (mircowave)或光(photonic)元件。 2-3-1 能帶圖 4.

(16) 在圖 2-3-1(a)我們看到接面形成之前，兩個均勻摻雜且彼此分離的P型和N 型半導體材料。注意費米能階(Fermi level,EF)在P型材料中接近價電帶 (valence band)邊緣，而在N型材料中則接近導電帶(conduction band)邊緣。P 型材料包含大量濃度的電洞，而僅有少量電子，但是N型材料剛好相反。當P型和N型半導體緊密結合時，接面上存在的大濃度梯度造成載子擴散。在P側的電洞擴散進入N側，而N側的電子擴散進入P側。當電洞持續離開P側，在接面附近的部分負受體(acceptor)離子(NA-)未能夠受到補償，此乃因受體被固定在半導體晶格，而電洞則可以動。相同的，在接面附近的部份正施體(donor) 離子(ND+)再離開N側時，未能得到補償。因此，負的空間電荷(space charge) 在接近接面P側形成，而正的空間電荷在接近接面N側形成。此空間電荷區域產生了一電場，其方向是由正空間電荷指向負空間電荷。如圖 2-3-2(b)上半部所示。對個別的帶電載子而言，電場的方向和擴散(diffusion)電流的方向相反。圖 2-3-1(b)下方顯示，電洞擴散電流由左至右流動，而電廠引起的電洞漂移電流由右至左移動。電子擴散電流由左至右流動，而電子漂移電流移動的方向剛好相反。應注意由於帶負電之故，電子由右至左擴散，恰與電流方向相反。 2-3-2 平衡態費米能階在熱平衡時，也就是在一給定溫度，沒有任何外加刺激的穩定條件下，流經接面的電子和電洞電流淨值為零。因此，對於每一載子，電場造成的漂移電流必須與濃度梯度造成的擴散電流完全抵銷。因此，對淨電子和電洞電流密度為零的情況，整個樣本上的費米能階必須是常數，如圖 2-3-1(b)所繪的能帶圖。 2-3-3 空間電荷在中性區移向接面，我們會遇到一窄小的過渡區，如圖 2-3-2(c)所示。在此雜質離子的空間電荷部分被移動載子補償。超越了過渡區域，我們進入移動載子密度為零的完全空乏區。這個區域稱為空乏區(depletion region;也叫做 5.

(17) 空間電荷區(space-charge region))。對於一般矽和砷化鎵的P-N接面，其各自過渡區的寬度遠比空乏區的寬度要小。因此，我們可以忽略過渡區，而以長方形分佈來表示空乏區，如圖 2-3-2(d)所示，其中χp和χn分別代表p側和n側在 p=n=0 時的完全空乏層寬度(depletion layer width)。. 6.

(18) 第三章實驗方法與設備 3-1 實驗流程本研究的實驗主要步驟為：（1）基板的清洗與表面處理；（2）直流濺鍍薄膜於基板；（3）樣品分析。流程表如下：. 基板清洗. 基板表面處理. 濺鍍氮化銦. 二次濺鍍. 元件製程. 電性分析. 7.

(19) 3-2 基板的清洗與表面處理在本研究中，將使用 P 型矽基板作為濺鍍成長材料的基板。下面針對基板的準備，作一個的簡單描述。矽晶片清洗流程如下: (1). 將基板放入丙酮溶液中，使用超音波震盪機震盪 3 分鐘。. (2). 將基板放入甲醇溶液中，使用超音波震盪機震盪 3 分鐘。. (3). 將基板放入去離子水溶液，使用超音波震盪機震盪 3 分鐘。. (4). 將基板放入稀釋氫氟酸浸泡 10 秒，稀釋氫氟酸的比例為 1:50（HF： H2O＝1：50）。. (5). 將基板放入去離子水溶液，使用超音波震盪機震盪 3 分鐘。. (6). 將基板夾出並以氮氣吹除表面殘存的水珠。. 3-3 直流濺鍍氮化銦本研究使用直流濺鍍系統（DC Sputter System），在實驗上，我們必須注意以下的幾個重點： (1) 腔體抽真空故必須將腔體壓力抽至 2.1×10-6torr，亦即本系統壓力的最低極限，並維持此真空度約三至四小時，以確保腔體內部氧氣含量十分稀少。 (2) 靶材預打靶材在每一次的濺渡後，表面都會因毒化而殘留不純的物質，為了在下一次製作薄膜時能有穩定且相同的品質，於是便採用了預打的手法，以確保每次濺鍍沉積薄膜時，靶材的表面都是相同的成分、型態。在此預打氮化銦的時間為 15 分鐘，直流功率為 25 瓦，預打剛開始時，經常會產生電漿跳動、不穩定的情形，而在 15 分鐘的預打之後的電漿則呈現紫色。 (3) 自然冷卻最後材料濺鍍成長完後，並不馬上破真空，而是讓樣品在氮氣中慢慢降溫，一方面是防止溫差太大造成樣品的剝落；另一方面是防止破真空後，材料表面尚未趨於穩定，會附著許多大氣中的氣體分子，於是將沉積好的樣品置於一個穩定的環境，也是很重要的一環。因為銦靶材的熔點較低，是為 156.6℃，若基板溫度在 400℃的時候，銦靶的表面將十分容易熔化，所以在沉積氮化銦時，濺鍍系統中銦靶的冷卻十分重要，必須將銦靶溫度控制在銦的熔點之下。 3-4 電性分析實驗中所製備的樣品，主要以 I-V 特性分析方式來做比較。實驗上使用的儀器為 HP-4145。 8.

(20) 3-4-1 I-V 特性分析理想的二極體方程式，即式(3.1)，可以適當的描述 P-N 接面在低電流密度時的電流-電壓特性。. ⎛ qVF ηkT ⎞ I = IS ⎜⎜ e − 1⎟⎟ ………………………………………(式 3.1) ⎝ ⎠ 其中IS是飽和電流(saturation current)，VF是順向偏壓，q是電子基本帶電量， η 稱為理想因子 (ideality factor) ， k 為波茲曼常數 (Boltzman constant)，T是絕對溫度。然而對於矽和氮化銦的 P-N 接面，理想方程式只能大致吻合，此乃因在空乏區內有載子的產生(generation)或復合(recombination)存在。首先考慮逆向偏壓條件。在逆向偏壓之下，空乏區內的載子濃度遠低於平衡濃度。產生和復合過程，為經由能隙中產生 - 復合中心 (generationrecombination center)所發射的電子和電洞。其捕捉過程並不重要，因為捕捉速率和自由載子的濃度成正比，因此在逆向偏壓的空乏區非常小。在順向偏壓之下，電子和電洞的濃度皆超過平衡值。載子會嘗試藉由復合回到平衡值。因此，在空乏區內主要的產生-復合過程為捕捉過程。當操作電壓 V 遠大於. ⎛ qV kT 時， exp⎜⎜ F q ⎝ ηkT. ⎞ ⎟⎟ >>1，式(3.1)式便可化簡為 ⎠. ⎛ qV ⎞ I = I S • exp⎜⎜ F ⎟⎟ …………………………………………(式 3.2) ⎝ ηkT ⎠. 在實. 驗上，當外加順向偏壓時，我們通常對電流值取對數，取 Log(I)對 V 作圖，計算其理想因子，. η=. q ΔV ………………………………………………(式 3.3) kTΔ log I. 9.

(21) 第四章實驗結果與討論 4-1 表面品質之影響本節中吾人探討矽-氮化銦之 pn 結構中，p 型矽基板表面對此 pn 二極體之暗電流與光電流的影響。製程參數如表 4-1-1( SL_A，SL_B，SL_C)。SL_A 為矽基板在經過清洗流程後，隨即放置腔體內，開始濺鍍流程。SL_B 為矽基板在經過清洗流程後，靜置於腔體內 30 分鐘後，再開始濺鍍流程。SL_C 為矽基板在經過清洗流程後，靜置於腔體內 60 分鐘後，再開始濺鍍流程。濺鍍參數都相同為直流功率 25W、氮氣流量 2 sccm、長晶溫度 100 ℃，濺鍍氮化銦 10 分鐘於 P 型矽基板上。實驗上，吾人用 6W 的鎢絲燈為光源，其光譜如圖 4-1-1 所示。圖 4-1-2 是樣品SL_A在照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。由此圖可見到，在未加偏壓 0V時，對光是沒有什麼反應的，在逆向偏壓-1V時，暗電流值為 2.6×10-8A，所產生的光電流約為 7.8×10-8A，在逆向偏壓-2V時，暗電流值為 1.4×10-7A，所產生的光電流約為 3.0×10-7A。隨著逆向偏壓增加，光電流值也隨之增加。當外加順向偏壓時，由(式 3.3) 來計算出理想因子大小，獲得其理想因子值為 3，內部電阻值為 33KΩ。此時理想因子值已超過一般PN結構的理想值 1~2，在文獻[22]中提到，造成此現象的原因可能為缺陷造成，因而使得理想因子較高(介於 2~6 之間)，甚至更大。圖 4-1-3 是樣品SL_B在照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。由此圖可見到，在未加偏壓 0V時，對光是沒有什麼反應的，在逆向偏壓-1V時，暗電流值為 1.8×10-7A，所產生的光電流約為 1.0×10-7A，在逆向偏壓-2V時，暗電流值為 4.1×10-7A，所產生的光電流約為 3.1×10-7A。隨著逆向偏壓增加，光電流值也隨之增加。當外加順向偏壓時，由(式 3.3) 來計算出理想因子大小，獲得其理想因子值為 6，內部電阻值為 66KΩ。圖 4-1-4 是樣品SL_C在照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。由此圖可見到，在未加偏壓 0V時，對光是沒有什麼反應的，在逆向偏壓-1V時，暗電流值為 2.1×10-7A，所產生的光電流約為 3.9×10-7A，在逆向偏壓-2V時，暗電流值為 1.0×10-6A，所產生的光電流約為 2.1×10-6A，隨著逆向偏壓增加，光電流值也隨之增加。當外加順向偏壓時，由(式 3.3) 來計算出理想因子大小，獲得其理想因子值為 6，內部電阻值為 200KΩ。圖 4-1-5 說明SL_A、SL_B與SL_C之暗電流之比較，在逆向偏壓-1V之前，這三個樣品的暗電流值相近，而隨著反向偏壓繼續增加，SL_B與SL_C的暗電流增加較快，在逆向偏壓-2V時，暗電流分別為 1.4×10-7A、4.1×10-7A與 1.1×10-6A，暗電流值隨著靜置時間的增加而變大。吾人推論為矽基板在靜置時間中，可能與環境中的分子產生反應，進而形成一介面層，而靜置時間越長，介面層的厚度可能隨著時間而增加，相對的影響元件的漏電流。圖 4-1-6 是在不同偏壓下靜置時間對光電流關係圖。由圖中可知，在於 0V 時，三個樣品的暗電流與光電流之值均幾乎為零。在逆向偏壓於 2V 時，在靜置 10.

(22) 60 分鐘所產生的光電流值是比較大的，光電流值隨著靜置時間的增加而變大。可能原因為介面層隨著靜置時間的增加而改變，導致介面缺陷之行為也改變，造成暗電流隨著靜置時間的增加而變大。另一方面，在逆向偏壓較大時，光電流也可能隨著介面缺陷的變多，形成漏電大光電流也大的情形。表 4-1-2 為 SL_A、B 與 C 由式(3.3)計算之理想因子與內部電阻值關係表，理想因子 n 值分別為 4、6 與 6，內部電阻 R 值分別為 33KΩ、66KΩ與 200KΩ，可發現其理想因子隨著靜置時間增加而變大，其內部電阻值也隨之增加。因此，即使 InN(N 型)的沉積參數相同，隨著矽基板放置時間的增加，此 PN 接面的電阻呈現增加的趨勢。由於乾淨的矽基板表面很容易與環境中的水氣、氧、氮等形成化合物，此電阻的增加可能是此介面層的影響。由於此介面層的品質並不穩定，可能具有相當之結構缺陷，此結構缺陷除了造成漏電電流的增加之外，也使得在光源照射下，光電流呈現增加的現象。 4-2 長晶溫度之影響在本節中，吾人針對成長溫度對成長氮化銦於矽基板作一討論。製程參數如表 4-2-1 所示。SL100(Single Layer 100℃)為長晶溫度為 100℃單一層， SL200、SL300 與 SL400 分別為長晶溫度 200℃、300℃與 400℃。實驗上所使用的光源，如前所述，仍使用 6W 的鎢絲燈為光源。圖 4-2-1 是樣品SL100 在照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。由此圖可見到，在未加偏壓 0V時，對光是沒有什麼反應的，在逆向偏壓-1V時，暗電流值為 2.6×10-8A，所產生的光電流約為 7.8×10-8A，在逆向偏壓-2V時，暗電流值為 1.4×10-7A，所產生的光電流約為 3.0×10-7A。隨著逆向偏壓增加，光電流值也隨之增加。當外加順向偏壓時，帶入(式 3.3) 來計算出理想因子大小，獲得其理想因子值為 3，內部電阻值為 33KΩ。圖 4-2-2 是樣品SL200 在照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。由此圖可見到，在未加偏壓 0V時，對光是沒有什麼反應的，在逆向偏壓-1V時，暗電流值為 1.9×10-4A，所產生的光電流約為 2.9×10-5A，在逆向偏壓-2V時，暗電流值為 3.2×10-4A，所產生的光電流約為 4.0×10-5A，此值，很明顯的比SL100 的樣品還高。隨著逆向偏壓增加，光電流值也隨之增加。當外加順向偏壓時，我們對電流值取對數，帶入(式 3.3)來計算出理想因子大小，獲得其理想因子值為 20，內部電阻值為 10KΩ。圖 4-2-3 是樣品SL300 在照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。由此圖可見到，在未加偏壓 0V時，對光是沒有反應的，在逆向偏壓-1V時，暗電流值為 6.9×10-4A，所產生的光電流約為 6.4×10-5A，在逆向偏壓-2V時，暗電流值為 1.4×10-3A，所產生的光電流約為 1.8×10-4A。隨著逆向偏壓增加，光電流值也隨之增加。在室溫至 300℃的溫度範圍下，隨著氮化銦沉積溫度的升高，光電流呈現增加的趨勢。當外加順向偏壓時，我們對電流值取對數，帶入式(3.3)來計算出理想因子大小，獲得其理想因子值為 19，內部電阻值為 20KΩ。圖 4-2-4 是樣品SL400 在照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。由此圖 11.

(23) 可見到，在未加偏壓 0V時，所產生的光電流約為 4.3×10-8A，在逆向偏壓-1V時，暗電流值為 1.8×10-6A，所產生的光電流約為 3.3×10-7A，在逆向偏壓-2V時，暗電流值為 4.5×10-6A，所產生的光電流約為 6.7×10-7A。隨著逆向偏壓增加，光電流值也隨之增加。在長晶溫度達到 400℃時，具有一光伏電池之特性，當外加順向偏壓時，我們對電流值取對數，由(3.3)來計算出理想因子大小，獲得其理想因子值為 9。圖 4-2-5 是暗電流值在不同長晶溫度下之電流電壓曲線圖，可發現 SL100 與 SL400 其暗電流是較低的，SL200 與 SL300 其暗電流是較大的。根據公式(3.3) 計算理想因子與內部電阻值如表 4-2-2，隨著長晶溫度的增加，其理想因子也隨之增大。綜合上述，吾人推論在此長晶溫度為 100℃時，介面層受溫度影響較小，介面層較穩定。但因長晶溫度低，成長之氮化銦品質較差，造成氮化銦薄膜內有較多的缺陷與較高的電阻。在長晶溫度為 200℃時，此時介面層受溫度影響慢慢變大，其介面層受到溫度影響較大，介面缺陷亦較多。在長晶溫度為 300 ℃時，此時介面層受溫度影響更大，內部電阻也跟著變大。在長晶溫度為 400 ℃時，此時介面層品質仍受溫度影響，但較高的長晶溫度所造成的氮化銦品質已變好，造成薄膜上的缺陷較少。在此得到一結論，在本系統中，隨著長晶溫度的增加，理想因子呈現增加的趨勢，在 100℃與 400℃中其暗電流值較小，在 200℃與 300℃中其暗電流值偏大。吾人推論為介面層受溫度影響與氮化銦品質影響所造成，介面層隨著長晶溫度的上升而造成缺陷變多，氮化銦品質隨著長晶溫度的上升而缺陷變少，故介面層在長晶溫度低時是較理想的，氮化銦在長晶溫度高時是品質較理想的。 4-3 退火溫度之影響為了更加了解此介面層的行為，我們將具有較低理想因子之樣品 SL_A 進行了一系列退火的研究。熱處理溫度為 200 ℃、300 ℃和 350 ℃。在本節中將針對 SL-A 來作一討論，SL-A_Anneal200 代表為後置退火溫度為 200℃，以此類推。實驗上所使用的光源，如前所述，仍使用 6W 的鎢絲燈為光源。圖 4-3-1 是樣品SL-A在照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。在未加偏壓 0V時，對光是沒有什麼反應的，在逆向偏壓-1V時，暗電流值為 2.6×10-8A，所產生的光電流約為 7.8×10-8A，在逆向偏壓-2V時，暗電流值為 1.4×10-7A，所產生的光電流約為 3.0×10-7A。圖 4-3-2 是樣品SL-A_Anneal200 在照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。在未加偏壓 0V時，對光也是沒有什麼反應的，在逆向偏壓-1V時，暗電流值為 6.7×10-8A，所產生的光電流約為 5.9×10-8A，在逆向偏壓-2V時，暗電流值為 4.7×10-7A，所產生的光電流約為 4.1×10-7A。隨著逆向偏壓增加，光電流值也隨之增加。 12.

(24) 圖 4-3-3 是樣品SL-A_Anneal300 在照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。在未加偏壓 0V時，對光也是沒有什麼反應的，在逆向偏壓-1V時，暗電流值為 4.9×10-8A，所產生的光電流約為 2.0×10-8A，在逆向偏壓-2V時，暗電流值為 1.1×10-7A，所產生的光電流約為 5.1x10-8A。隨著逆向偏壓增加，光電流值也隨之增加。圖 4-3-4 是樣品SL-A_Anneal350 在照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。在未加偏壓 0V時，所產生的光電流約為 2.5×10-9A，在逆向偏壓-1V時，暗電流值為 2.5×10-7A，所產生的光電流約為 5.3×10-7A，在逆向偏壓-2V時，暗電流值為 6.9×10-6A，所產生的光電流約為 1.2×10-6A。隨著逆向偏壓增加，光電流值也隨之增加。由於光電流的增加變大，吾人推論為樣品再經過熱處理後，氮化銦本身結構缺陷變少，且氮化銦與矽基板的介面層結構也變好。圖 4-3-5 是各樣品的電流-電壓曲線比較圖。在順向偏壓下，隨著熱處理溫度的升高，PN二極體的電阻乃呈降低的趨勢。在逆向偏壓下，於溫度低於 300 C 時，-2V時的光電流維持於 4×10-7A之下。當熱處理溫度超過 350C時，於-1V的光電流呈明顯增加的趨勢。表 4-3-2 說明 SL-A 由式(3.3)計算之理想因子與內部電阻值與後續退火溫度關係表，理想因子 n 值分別為 3.1、2.8、1.5 與 1.5，內部電阻 R 值分別為 33KΩ、22KΩ、25KΩ與 10KΩ，這些改變可能是由於薄膜表面型態與品質改變所致[23]。理想因子隨著後續退火溫度增加而慢慢變小，其內部電阻值也隨之減少。综合上面所述，隨著退火溫度的增加而提升其產生光電流的值，隨著退火溫度的增加而其理想因子也較越來越低，隨著退火溫度的增加而其內部電阻值也隨之下降。故吾人推論，在濺鍍完低溫氮化銦薄膜之後，若對樣品做熱處理，能修復氮化銦薄膜的品質與介面層的結構，則能得到較好的結構與特性。 4-4 低溫層之影響此節中將討論低溫層對氮化銦之影響，利用一低溫氮化銦 (LT-InN，Low Temperature InN)再沉積一高溫氮化銦(HT-InN，High Temperature InN)，而形成一雙層氮化銦薄膜(DL-InN , Double Layer InN)，結構示意圖如(圖 4-4-1a)。低溫層製程參數以直流功率 25W、氮氣 2 sccm、長晶溫度 100℃，濺鍍氮化銦 10 分鐘於 P 型矽基板上。高溫層製程參數則改變其長晶溫度為 400 ℃，濺鍍於低溫層上。而沒有低溫層之樣品(SL-InN , Single Layer InN)結構如(圖 4-4-1b)。圖 4-4-2 是樣品DL-InN照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。在未加偏壓 0V時，所產生的光電流約為 3.9×10-6A，在逆向偏壓-1V時，暗電流值為 1.9× 10-6A，所產生的光電流約為 1.0×10-4A，在逆向偏壓-2V時，暗電流值為 3.0× 10-6A，所產生的光電流約為 1.5×10-4A。隨著逆向偏壓的增加，所產生的光電流也隨之增加。與SL-InN樣品相比較，圖 4-4-3 是樣品SL-InN(400℃)照光與不照光條件下 13.

(25) 之電流電壓曲線圖。在未加偏壓 0V時，所產生的光電流約為 2.3×10-9A，在逆向偏壓-1V時，暗電流值為 3.6×10-8A，所產生的光電流約為 1.4×10-7A，在逆向偏壓-2V時，暗電流值為 9.8×10-8A，所產生的光電流約為 2.5×10-7A。隨著逆向偏壓的增加，所產生的光電流也隨之增加。圖 4-4-4 說明DL-InN與SL-InN不同偏壓下的光電流關係圖。由圖可發現，在加入了低溫層的樣品DL-InN其產生的光電流值是較大的。樣品DL-InN在未加偏壓下，也能產生一光電流，其Voc = 0.12V，Isc = 1.78×10-7A。樣品SL-InN 在未加偏壓下，也能產生一光電流，其Voc = 0.01V，Isc = 2.45×10-9A。可發現在加入了低溫層之後，Voc與Isc 的範圍明顯的增加。表 4-4-1 是樣品 DL-InN 與 SL-InN 根據式(3.3)所獲得之理想因子與內部電阻值關係表。可發現在加入了低溫層之後，其理想因子變成 2，呈現複合電流主導的行為。同時，其內部電阻確明顯地從 3.7MΩ降至 5KΩ。因此，原先量到的內阻有一部份是介面所貢獻的，此介面層受到沉積環境溫度影響，較低的溫度對介面層的影響較小。吾人在介面加入了低溫層後，介面電阻下降。另外，也有可能如磊晶時之緩衝層概念，在介面時以低溫成長，於升溫過程中，原子重新排列，使得上層沉積時有著較佳的結構，因而薄膜品質變好。圖 4-4-5 說明 DL-InN 在未加偏壓下的波長響應度曲線圖。由圖可發現響應度在波長為 650nm 之後開始變大，直到 1μm。圖 4-4-6 為 DL-InN 之能帶示意圖。根據圖 4-4-2 所估計之 Vbi 約為 0.7V。综合上面所述，吾人推論在加入低溫層之後，能使氮化銦與矽基板介面結構變好，內部電阻值也能有效地降低。在本系統中，有效的利用低溫層概念來成長氮化銦，使其對光響應度增加，低溫層的加入也形成較好的光伏電池特性。. 14.

(26) 第五章結論與未來工作在第四章裡，我們做了一些實驗與分析，包括介面層之影響、長晶溫度、後續退火溫度與低溫層之影響。各個實驗都有其不同的意義存在。表面品質的改變，影響著 PN 接面的特性，若在清洗後，隨及放置腔體內，開始濺鍍沉積流程，則暗電流值隨著靜置時間的增加而變大。其理想因子隨著靜置時間增加而變大，其內部電阻值也隨之增加。長晶溫度的改變，不僅影響在濺鍍氮化銦的品質，也影響著介面層品質，在實驗中長晶溫度從 100℃~400℃，隨著長晶溫度的增加，內部電阻呈現增加的趨勢，隨著長晶溫度的增加，理想因子呈現增加的趨勢，在 100℃與 400℃中其暗電流值較小，在 200℃與 300℃中其暗電流值偏大。介面層與氮化銦品質皆受長晶溫度影響，介面層隨著長晶溫度的上升而造成缺陷變多，氮化銦品質隨著長晶溫度的上升而缺陷變少，故介面層在長晶溫度低時是較理想的，氮化銦在長晶溫度高時是品質較理想的。後續退火溫度的改變，原子能藉由熱能而快速移動，並停留在自由能最低的位置，並藉此修復結構，能夠改善低溫成長的氮化銦品質，其理想因子隨著後續退火溫度增加而慢慢變小，其內部電阻值也隨之減少。低溫層的加入，主要能讓介面層的影響降低，先取得較好品質的介面層，使氮化銦與矽基板介面結構較好，因低溫層的品質較不好，在升溫濺鍍高溫層的過程中，低溫層也在此時間內修復，使其結構較好，在濺鍍一品質較好的高溫層氮化銦，讓整體結構內部電阻值也能有效地降低，與未加入低溫層的相比，光響應度明顯上升需多，讓整體的效能提高。本研究中有尚未深入探討的部分，如降低接面電阻、吸收的截止波段、介面層的控制，在製程上仍有些許不穩定的因數，若能克服其因數，穩定的製作出 PN 結構，以應用於光電元件上，盼實驗室後進成員能探討研究。. 15.

(27) 參數編號. DC Power(W). N2 flow(sccm) Temperture(℃) 濺鍍時間(min) 靜置時間(min). SL_A. 25. 2. 100. 10. 0. SL_B. 25. 2. 100. 10. 30. SL_C. 25. 2. 100. 10. 60. 表 4-1-1 SL_A、SL_B 與 SL_C 製程參數表. 理想因子(n) 內部電阻 SL_A. 4. 33KΩ. SL_B. 5. 200KΩ. SL_C. 8. 4MΩ. 表 4-1-2 SL_A、SL_B 與 SL_C 理想因子與內部電阻值關係表. 16.

(28) 參數編號. DC Power(W). N2 flow(sccm). Temperture(℃) 濺鍍時間(min). SL_100. 25. 2. 100. 10. SL_200. 25. 2. 200. 10. SL_300. 25. 2. 300. 10. SL_400. 25. 2. 400. 10. 表 4-2-1 SL_100、SL_200、SL_300 與 SL_400 製程參數表. 理想因子(n). 內部電阻. SL_100. 3. 33KΩ. SL_200. 20. 10KΩ. SL_300. 19. 20KΩ. SL_400. 9. 70KΩ. 表 4-2-2 在不同長晶溫度下之理想因子與內部電阻值關係表. 17.

(29) T. 未退火. 編號 A. Anneal 150℃. SL-A. Anneal 200℃. Anneal 250℃. A_200. Anneal 300℃. Anneal 350℃. A_300. A_350. 表 4-3-1 SL-A 之退火溫度圖. 理想因子(n). 內部電阻. SL-A. 3.19. 33KΩ. SL-A_Anneal200. 2.88. 22KΩ. SL-A_Anneal300. 1.57. 25KΩ. SL-A_Anneal350. 1.5. 10KΩ. 表 4-3-2 SL-A 之理想因子與內部電阻值對後續退火溫度表. 理想因子(n). 內部電阻. DL-InN. 2. 5KΩ. SL-InN. 9. 3.7MΩ. 表 4-4-1 DL-InN 與 SL-InN 理想因子與內部電阻值關係表. 18. Anneal 400℃.

(30) 圖 2-1 磁控濺鍍示意圖. 圖 2-2 薄膜成長示意圖. 19.

(31) 圖 2-3-1 (a)形成接面前均勻摻雜 p 型和 n 型半導體，(b)熱平衡時，在空乏區的電場及 p-n 接面的能帶圖. 20.

(32) 圖 2-3-2(a)在冶金接面有陡摻雜變化的 p-n 接面，(b)在熱平衡下陡接面的能帶圖，(c)空間電荷分佈，(d)空間電荷分佈的長方形近似。 21.

(33) 1200. 1000. Intensity. 800. 600. 400. 200. 0 300. 400. 500. 600. Wavelength(nm). 圖 4-1-1 全頻譜光源. 22. 700. 800.

(34) -5. 2.4x10. -5. 2.2x10. Dark current Photo current. Voltage(V) -2.5. -2.0. -1.5. -1.0. -0.5. 0.0 0.0. -5. 2.0x10. -7. -1.0x10. -5. 1.8x10. -5. -7. 1.6x10. -5. Current(A). 1.4x10. -7. -3.0x10. -5. 1.2x10. Current(A). -2.0x10. -7. -4.0x10. -5. 1.0x10. -6. -7. 8.0x10. -5.0x10. -6. 6.0x10. -7. -6.0x10. -6. 4.0x10. -6. 2.0x10. 0.0 -6. -2.0x10. -2. -1. 0. 1. 2. Voltage(V). 圖 4-1-2 SL_A 之電流-電壓曲線圖，●為 SL_A 暗電流 I-V 曲線圖，▲為 SL_A 照光 I-V 曲線圖。. 23.

(35) -5. 1.4x10. -5. Dark current Photo current. 1.3x10. -5. 1.2x10. -5. 1.1x10. -5. 1.0x10. -6. 9.0x10. -6. Current(A). 8.0x10. -6. 7.0x10. -6. 6.0x10. -6. 5.0x10. -6. 4.0x10. -6. 3.0x10. -6. 2.0x10. -6. 1.0x10 0.0. -6. -1.0x10. -6. -2.0x10. -2. -1. 0. 1. 2. Voltage(V). 圖 4-1-3 SL_B 之電流-電壓曲線圖。●為 SL_B 暗電流 I-V 曲線圖，▲為 SL_B 照光 I-V 曲線圖。. 24.

(36) Current(A). 6.0x10. -6. 4.0x10. -6. 2.0x10. -6. Dark current Photo current. 0.0. -2.0x10. -6. -4.0x10. -6. -2. -1. 0. 1. 2. Voltage(V). 圖 4-1-4 SL_C 電流-電壓曲線圖。●為 SL_C 暗電流 I-V 曲線圖，▲為 SL_C 照光 I-V 曲線圖。. 25.

(37) -5. 1.8x10. -5. SL_A Dark current SL_B Dark current SL_C Dark current. 1.6x10. -5. 1.4x10. -5. 1.2x10. Current(A). -5. 1.0x10. -6. 8.0x10. -6. 6.0x10. -6. 4.0x10. -6. 2.0x10. 0.0 -6. -2.0x10. -2. -1. 0. 1. 2. Voltage(V). 圖 4-1-5 SL_A、SL_B 與 SL_C 暗電流比較 I-V 曲線圖。. 26.

(38) -6. 3.0x10. reverse bias 2V reverse bias 1V reverse bias 0.5V -6. Current(A). 2.0x10. -6. 1.0x10. 0.0 0. 30. standing time(min). 圖 4-1-6 在不同偏壓下靜置時間對光電流值關係圖。. 27. 60.

(39) -5. 2.4x10. -5. 2.2x10. Dark current Photo current. Voltage(V) -2.5. -2.0. -1.5. -1.0. -0.5. 0.0 0.0. -5. 2.0x10. -7. -1.0x10. -5. 1.8x10. -5. -7. 1.6x10. -5. Current(A). 1.4x10. -7. -3.0x10. -5. 1.2x10. Current(A). -2.0x10. -7. -4.0x10. -5. 1.0x10. -6. -7. 8.0x10. -5.0x10. -6. 6.0x10. -7. -6.0x10. -6. 4.0x10. -6. 2.0x10. 0.0 -6. -2.0x10. -2. -1. 0. 1. 2. Voltage(V). 圖 4-2-1 SL100 之電流-電壓曲線圖，●為 SL100 暗電流 I-V 曲線圖，▲為 SL100 照光 I-V 曲線圖。內圖為逆向偏壓時的光暗電流值。. 28.

(40) 6.0x10. -4. Current(A). Dark current Photo current 4.0x10. -4. 2.0x10. -4. 0.0. -4. -2.0x10. -4. -4.0x10. -4. -6.0x10. -3. -2. -1. 0. 1. 2. 3. Voltage(V). 圖 4-2-2 SL200 之電流-電壓曲線圖，●為 SL200 暗電流 I-V 曲線圖，▲為 SL200 照光 I-V 曲線圖。. 29.

(41) 5.0x10. -4. Dark current Photo current 0.0. -4. Current(A). -5.0x10. -3. -1.0x10. -3. -1.5x10. -3. -2.0x10. -3. -2.5x10. -3. -2. -1. 0. 1. 2. 3. Voltage(V). 圖 4-2-3 SL300 之電流-電壓曲線圖，●為 SL300 暗電流 I-V 曲線圖，▲為 SL300 照光 I-V 曲線圖。. 30.

(42) 4.0x10. -5. Current(A). Dark current Photo current 3.0x10. -5. 2.0x10. -5. 1.0x10. -5. 0.0. -5. -1.0x10. -3. -2. -1. 0. 1. 2. 3. Voltage(V). 圖 4-2-4 SL400 之電流-電壓曲線圖，●為 SL400 暗電流 I-V 曲線圖，▲為 SL400 照光 I-V 曲線圖。. 31.

(43) -5. 3.0x10. -5. 2.0x10. -5. Current(A). 1.0x10. 0.0. -1.0x10. -5. -2.0x10. -5. -3.0x10. -5. SL100 SL200 SL300 SL400. -2. -1. 0. 1. Voltage(V). 圖 4-2-5 暗電流值在不同長晶溫度下之曲線圖. 32. 2.

(44) Voltage(V). -5. 2.4x10. -2.0. -1.5. -1.0. -0.5. SL-A Dark SL-A Photo. 0.0. 0.0. -5. 2.0x10. -7. -1.0x10. -5. 1.8x10. -7. -2.0x10. -5. 1.6x10. -7. -3.0x10. -5. Current(A). 1.4x10. Current(A). -5. 2.2x10. -2.5. -7. -4.0x10. -5. 1.2x10. -7. -5.0x10. -5. 1.0x10. -7. -6.0x10. -6. 8.0x10. -7. -7.0x10. -6. 6.0x10. -6. 4.0x10. -6. 2.0x10. 0.0 -6. -2.0x10. -2. -1. 0. 1. 2. Voltage(V). 圖 4-3-1 SL-A 之照光與不照光電流-電壓曲線圖。●為 SL-A 暗電流 I-V 曲線圖，▲為 SL-A 照光 I-V 曲線圖。內圖為反向偏壓時的光暗電流值. 33.

(45) -2.5. -2.0. -1.5. -1.0. -0.5. -5. 6.0x10. -7. -1.0x10 -7 -2.0x10 -7 -3.0x10 -7 -4.0x10 -7 -5.0x10 -7 -6.0x10 -7 -7.0x10 -7 -8.0x10 -7 -9.0x10 -6 -1.0x10. -5. Current(A). SL-A Anneal200 Dark SL-A Anenal200 Photo. 0.0 0.0. 4.0x10. -5. 2.0x10. 0.0 -2. -1. 0. 1. 2. Voltage(V). 圖 4-3-2 SL-A_Anneal200 電流-電壓曲線圖。●為 SL-A_Anneal200 暗電流 I-V 曲線圖，▲為 SL-A_Anneal200 照光 I-V 曲線圖。內圖為反向偏壓時的光暗電流值。. 34.

(46) -5. 5.0x10. Voltage(V). -2.5. -2.0. -1.5. -1.0. -0.5. SL-A Anneal300 Dark SL-A Anenal300 Photo. 0.0 0.0. -5. -8. -5.0x10 -5. Current(A). 3.0x10. -7. -1.0x10. Current(A). 4.0x10. -7. -1.5x10. -5. 2.0x10. -7. -2.0x10 -5. 1.0x10. 0.0 -2. -1. 0. 1. 2. Voltage(V). 圖 4-3-3 SL-A_Anneal300 電流-電壓曲線圖。●為 SL-A_Anneal300 暗電流 I-V 曲線圖，▲為 SL-A_Anneal300 照光 I-V 曲線圖。內圖為反向偏壓時的光暗電流值。. 35.

(47) -4. 1.2x10. -2.5. -2.0. -1.5. -1.0. -0.5. -4. 1.0x10. -5. 8.0x10. Current(A). SL-A Anneal350 Dark SL-A Anenal350 Photo. 0.0 0.0. -5. 6.0x10. -5. 4.0x10. -5. 2.0x10. -1.0x10. -6. -2.0x10. -6. -3.0x10. -6. -4.0x10. -6. -5.0x10. -6. -6.0x10. -6. -7.0x10. -6. -8.0x10. -6. 0.0. -5. -2.0x10. -2. -1. 0. 1. 2. Voltage(V). 圖 4-3-4 SL-A_Anneal350 電流-電壓曲線圖。●為 SL-A_Anneal350 暗電流 I-V 曲線圖，▲為 SL-A_Anneal350 照光 I-V 曲線圖。內圖為反向偏壓時的光暗電流值。. 36.

(48) -6. 1.2x10. reverse bias 2V reverse bias 1V reverse bias 0.5V. -6. 1.0x10. -7. photo curremt(A). 8.0x10. -7. 6.0x10. -7. 4.0x10. -7. 2.0x10. 0.0 100. 150. 200. 250. 300. 350. Temperture(). 圖 4-3-5 SL-A 之不同電壓下之光電流對後續退火溫度之關係。▲為逆向偏壓 0.5V 時之光電流值，●為逆向偏壓為-1V 時之光電流值，■為逆向偏壓為-2V 時之光電流值。. 37.

(49) HT-InN LT-InN P-type Silicon (a). HT-InN P-type Silicon (b) 圖 4-4-1 結構示意圖(a)DL-InN (b)SL-InN. 38.

(50) Current(A). 2.0x10. -4. 1.5x10. -4. 1.0x10. -4. 5.0x10. -5. DL-InN Dark current DL-InN Photo current. 0.0 -5.0x10. -5. -1.0x10. -4. -1.5x10. -4. -2.0x10. -4. -2. -1. 0. 1. 2. Voltage(V). 圖 4-4-2 DL-InN 之照光與不照光電流-電壓曲線圖。●為 DL-InN 暗電流 I-V 曲線圖，▲為 DL-InN 光電流 I-V 曲線圖。. 39.

(51) Current(A). 6.0x10. -6. 5.0x10. -6. 4.0x10. -6. 3.0x10. -6. 2.0x10. -6. 1.0x10. -6. SL-InN Dark current SL-InN Photo current. 0.0. -1.0x10. -6. -2. -1. 0. 1. 2. Voltage(V). 圖 4-4-3 SL-G 照光與不照光條件下之電流電壓曲線圖。●為 SL-InN 暗電流 I-V 曲線圖，▲為 SL-InN 光電流 I-V 曲線圖。. 40.

(52) -8. 1.0x10. DL-InN. SL-InN. -7. 4.0x10. -9. 5.0x10 -7. Current(A). Current(A). 2.0x10. 0.0. 0.0. -7. -2.0x10. -9. -5.0x10. -7. -4.0x10. -8. -1.0x10. -0.4. -0.2. 0.0. 0.2. 0.4. -0.04. Voltage(V). -0.02. 0.00. 0.02. 0.04. Voltage(V). 圖 4-4-4 DL-InN 與 SL-InN 光電流-電壓曲線圖(左圖為 DL-InN，右圖為 SL-InN). 41.

(53) 0.025. DL-InN Responsivity. Responsivity(A/W). 0.020. 0.015. 0.010. 0.005. 0.000 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900. 1000. Wavelength(nm). 圖 4-4-5 DL-InN 波長響應度曲線圖。虛線為響應度趨勢線。. 42. 1100.

(54) 圖 4-4-6 InN-Si 異質接面能帶圖. 43.

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