氧化鋅薄膜半導體的持續性光電導特性之研究 林宏昇、范榮權
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摘 要
本實驗是在不同腔體溫度的條件下，測量氧化鋅的穿透率及吸收係數，以及於不同氮氣分壓的條件下，量測氧化鋅的穿透 率與光激發螢光效應。其中，由穿透率可觀察到，不同腔體溫度的吸收率皆達到75%以上，其中3500C、3750C的光穿透 率曲線最接近氧化鋅的特性；而吸收係數也以3500C、3750C的能隙值3.2eV最接近氧化鋅。不同氮氣分壓的製程條件下，
光穿透率都達到80%以上，薄膜在可見光區都具有較高的光吸收性，紫外光區則呈現光吸收端。不同氮氣分壓下的光激發 螢光效應，隨氮氣分壓逐漸下降而氧分壓逐漸上升，發光中心逐漸由3.06eV向3.17eV往高能量移動，且能量有往下降的傾 向。而持續性光電導效應則隨溫度上升而有增加的趨勢，在175k、200k、250k、300k時增加的最為明顯。 關鍵字：氧化鋅
、光激發螢光效應、持續光電導效應、吸收係數
關鍵詞 : 氧化鋅、光激發螢光效應、持續光電導效應、吸收係數 目錄
封面內頁 簽名頁 中文摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．iii 英文摘要．．．．．．．．．．．．
．．．．．．．．．．．．iv 誌謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．v 目錄．．．．．．．．．
．．．．．．．．．．．．．．．．．vi 圖目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．viii 表目錄．．
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．ix 第一章 緒言 1.1氧化鋅薄膜介紹．．．．．．．．．．．．．．
．1 1.2 能帶理論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 第二章 實驗量測原理 2.1光電導原理．．．．．．．．．
．．．．．．．．．5 2.2 光激發螢光效應原理．．．．．．．．．．．．．．7 2.3 光穿透率量測．．．．．．．．．．
．．．．．．．9 2.4 霍爾量測原理．．．．．．．．．．．．．．．．．10 2.5 Van der pauw量測原理．．．．．．．．
．．．．．14 2.6 熱激發電流量測原理．．．．．．．．．．．．．17 2.7 X-Ray之繞射研究．．．．．．．．．．．．．
．．19 2.8 X射線能量散佈分析儀．．．．．．．．．．．．．21 2.9 原子力顯微鏡(AFM)圖像之分析．．．．．．．．
．22 第三章 實驗儀器與實驗步驟 3.1 實驗流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 3.2 材料介紹．．．．．．
．．．．．．．．．．．．．25 3.3 實驗設備．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26 3.4 鍍膜參數及步驟．．．．
．．．．．．．．．．．．28 3.4.1 鍍膜參數．．．．．．．．．．．．．．．．．．28 3.4.2 基板處理．．．．．．．．
．．．．．．．．．．29 3.4.3 ZnO薄膜沉積．．．．．．．．．．．．．．．31 第四章 結果與討論 4.1 不同腔體溫度 下波長對穿透率作圖．．．．．．．． 33 4.2 不同腔體溫度下對吸收係數作圖．．．．．．．．．34 4.3 不同氮氣分壓下 製成的薄膜的光穿透率作圖．．．．35 4.4 不同氮氣分壓下製成的薄膜光激發螢光譜圖．．．．36 4.5 持續性光電導量測 之IPCC-t作圖．．．．．．．． 37 第五章 結論 參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．39 圖目 錄 圖 1.1 纖鋅礦結構．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 圖 1.2 直接能隙與間階能隙．．．．．．．．．．．
．．．．．2 圖1.3 能帶圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 圖1.4 能帶圖．．．．．．．．．．．．．
．．．．．．．．．4 圖 2.1光電導量測示意圖 ．．．．．．．．．．．．．．．．6 圖 2.2 光電導原理．．．．．．．．
．．．．．．．．．．．6 圖 2.3光激發螢光效應及穿透率儀器設備圖．．．．．．．．．8 圖 2.4穿透率量測系統示意圖 及光激螢光發光量測系統示意圖．8 圖 2.5光激發螢光效應入射光吸收的可能情況．．．．．．．．9 圖 2.6霍爾效應示意 圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 圖2.7霍爾量測儀器圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 圖 2.8霍爾 效應量測儀器圖．．．．．．．．．．．．．．．．13 圖2.9片電阻率ρs之推導方式．．．．．．．．．．．．．．16 圖 2.10 Van Der Pauw接線示意圖．．．．．．．．．．．．．16 圖 2.11 霍爾效應量測儀器圖Part1．．．．．．．．．．．
．．17 圖2.12 熱激發電流量測儀器實體圖Part2．．．．．．．．．．18 圖2.13 降溫系統實體照．．．．．．．．．．．
．．．．．．18 圖 2.14 熱激發電流量測系統示意圖．．．．．．．．．．．．19 圖 2.15 XRD繞射儀器．．．．．．．．
．．．．．．．．．．20 圖 2.16場發掃描式電子顯微鏡儀器圖．．．．．．．．．．．21 圖2.17原子力顯微鏡儀器實體照 圖 ．．．．．．．．．．．．22 圖 3.1 實驗流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24 圖3.2薄膜設備實體照．
．．．．．．．．．．．．．．．．．27 圖 3.3薄膜製程設備示意圖．．．．．．．．．．．．．．．．27 圖3.4 RTCVD 照片．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 圖 3.5薄膜沉積流程圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．32 圖 4.1 不同腔體溫度下穿透率．．．．．．．．．．．．．．33 圖4.2不同腔體溫度的吸收係數．．．．．．．．．．．．34 圖4.3 ZnO: (N, Al)薄膜在不同氮氣分壓之光穿透率圖譜．．．35 圖 4.4 ZnO:(N,Al)薄膜在不同氮氣分壓之PL圖譜．．．．
．．．36 圖 4.5 持續性光電導量測之IPPC-t作圖．．．．．．．．．．． 37 表目錄 表一 康寧玻璃 Eagle 2000之特性 ．．
．．．．．．．．．．26 表二 石英玻璃的特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．26 參考文獻
[1] D. H. Zhang, D. E. Brodie, Photoresponse of polycrystalline ZnO films deposited by r.f. bias sputtering , Thin Solid Films (1995) [2] Anderson Janotti and Chris G. Van de Walle, Oxygen vacancies in ZnO, Applied Physics Letters (2005) [3] F.D. Auret, S. A. Goodman, M. J. Legodi,W. E.
Meyer,and D. C. Look, Electrical characterization of vapor-phase-grown single-crystal ZnO, Applied Physics Letters (2002) [4] C. Zapata, M.
Khalid, G. Simonelli, M. Villafuerte, S. P. Heluani et al.,Magnetic field influence on the transient photoresistivity of defect-induced magnetic ZnO films, Applied Physics Letters (2011) [5] X. G. Zheng, Q. Sh. Li, D. Chen, N.Zhang, M. J. Shi, J. J. Wang, L. Ch. Zhang, Photoconductive properties of ZnO thin films grown by pulsed laser deposition, (2007) [6] Z.-Q. Fang, B. Clafin, D. C. Look, and G. C. Farlow, Electron irradiation induced deep centers in hydrothermally grown ZnO, Journal of Applied Pysics (2007) [7] Y. Kashiwaba, K. Sugawara, K. Haga, H. Watanabe, B.P. Zhang, Y. Segawa, Characterustics of c-axis oriented large grain ZnO films prepared by low-pressure MO-CVD method, Thin Solid Films (2002) [8] Shunichi Hayamizu, Hitoshi Tabata, Hidekazu Tanaka,and Tomoji Kawai, Preparation of crystallized zinc oxide films on amorphous glass substrates by pulsed laser deposition,J. Appl. Phys. (1996) [9] Y. Kashiwaba, F. Katahira, K. Haga, T. Sekiguchi, H. Watanabe,
Hetero-epitaxial growth of ZnO thin films by atmospheric pressure CVD method, Journal of Crystal Growth (2000) [10] Donald A. Neamen, 半導 體物理與元件 [11]陳宇晨,私立大葉大學,電機工程學系,碩士論文,2010 [12] 謝嘉民 賴一凡 林永昌 枋志堯, 光激發螢光的原理、架構及應 用,奈米通訊 第十二卷第二期 [13]吳昌任,私立大葉大學,電機工程學系,碩士論文,2011 [14] 施郁軒,私立大葉大學,電機工程學系,碩士論 文,2006.
[15] 彭子安,私立大葉大學,電機工程學系,碩士論文,2009.
