臺灣博碩士論文加值系統

在本論文中我們針對氮化鎵金屬-半導體-金屬光偵測器作廣泛地研究，所製造出的光偵測器元件，在施加偏壓10伏特時，得到的暗電流密度為1.5 A/cm2，而其截止波長為 365 nm。元件的響應度在截止波長以下和可見光部分相差大於3個數量級，而當入射光波長為350 nm時，得到的響應度為1.66 A/W。另外也探討了使用不同金屬包括鎳/金、鉑/金、鈀/金作為光偵測器的金屬電極，對所製作之金屬-半導體-金屬光偵測器特性之影響，並觀察這些元件在長時間高溫（400 ~600 ）持續熱退火後，光偵測器暗電流和響應度的變化。經長時間持續熱退火至600 後，鎳/金蕭基接觸之金屬-半導體-金屬光偵測器在暗電流展現出較佳的穩定性，鉑/金、鈀/金蕭基接觸之金屬-半導體-金屬光偵測器則展現出較大的增益。另外也觀察了截光器頻率對光偵測器響應度的影響。

In this thesis, GaN metal-semiconductor-metal photodetectors have been studied extensively, including the fabrication and characterization of the photodetectors, the annealing effects on different metal electrodes, and the frequency-dependent photoresponse. The fabricated MSM photodetector have a very low dark current density, 1.5 A/cm2, at 10V bias. The responsivity is 1.66 A/W at a wavelength of 350nm. Over three orders of magnitude difference between UV and visible region have been achieved. After high temperature annealing, from 400 to 600 , the MSM photodetectors with Ni/Au electrodes were more stable in dark current than those with Pt/Au and Pd/Au electrodes, and the later have a larger photoresponse gain.

目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
圖目錄 Ⅵ
表目錄 Ⅸ
第一章 導論 1
第二章 金屬-半導體-金屬光偵測器原理 4
2-1金屬-半導體接面電流傳導機制 4
2-2金屬-半導體-金屬光偵測器 6
2-3響應度 9
第三章 元件製作與量測系統 10
3-1元件製作 10
3-1-1 氮化鎵薄膜磊晶 10
3-1-2 光罩之設計 11
3-1-3 製作之步驟 12
3-2 元件量測系統 15
3-2-1 光性量測系統 15
3-2-2 電性量測系統 17
第四章 實驗結果 18
4-1金屬-半導體-金屬光偵測器之一般特性 18
4-1-1 金屬-半導體-金屬光偵測器之電性 18
4-1-2 金屬-半導體-金屬光偵測器之光性 19
4-2不同金屬電極之暗電流特性 21
4-3金屬-半導體-金屬光偵測器之熱退火效應 23
4-3-1 熱退火對金屬-半導體-金屬光偵測器電性之影響 23
4-3-2 熱退火對金屬-半導體-金屬光偵測器光性之影響 25
4-4 響應度之頻率依賴性 26
第五章 結論 28
參考文獻 46
圖目錄
圖2-1 蕭基金屬接觸在順偏壓下，四種基本傳導機制 4
圖2-2a 熱激發示意圖 5
圖2-2b 熱場激發示意圖 5
圖2-2c 場發射示意圖 6
圖2-3 金屬-半導體-金屬光偵測器俯視圖 6
圖2-4 金屬-半導體-金屬光偵測器能帶圖 7
圖2-5 金屬-半導體-金屬光偵測器電場分佈剖面圖 8
圖3-1 氮化鎵薄膜磊晶結構 10
圖3-2a 第一道光罩示意圖 11
圖3-2b 第二道光罩示意圖 11
圖3-2c 第三道光罩示意圖 12
圖3-3 二氧化矽抗反射層-反射率和波長的關係圖 29
圖3-4 元件製作流程圖 29
圖3-5 響應度量測系統 33
圖4-a 元件俯視圖，有效受光區域200 200 ，指寬3 、指隙3 33
圖4-b 元件俯視圖，有效受光區域200 200 ，指寬4 、指隙4 34
圖4-c 元件俯視圖，有效受光區域200 200 ，指寬6 、指隙6 34
圖4-d 元件俯視圖，有效受光區域400 400 ，指寬5 、指隙5 35
圖4-1 金屬-半導體-金屬光偵測器暗電流和施加偏壓的關係圖 35
圖4-2 一般氮化鎵金屬-半導體-金屬光偵測器常見的暗電流
不穩定現象 36
圖4-3 鎳/金金屬電極金屬-半導體-金屬光偵測器在300 熱
退火30分鐘後所作的暗電流量測 36
圖4-4 鉑/金金屬電極金屬-半導體-金屬光偵測器經長時間高
溫持續熱退火至600 後所作的暗電流量測 37
圖4-5 氮化鎵金屬-半導體-金屬光偵測器相對響應度和入射
光波長的關係圖 37
圖4-6 在沒有內部增益且量子效率在不同的條件下，響應度
和入射光波長的關係圖 38
圖4-7 在固定照射光之波長下，絕對響應度和施加偏壓的
關係圖 38
圖4-8 元件指寬和指隙各為5 和2 ，在不同偏壓下，響應度和
入射光波長的關係圖 39
圖4-9 鈀/金金屬電極金屬-半導體-金屬光偵測器在相同的指
寬、不同指隙，響應度和施加偏壓的關係圖 39
圖4-10 不同金屬電極，暗電流和施加偏壓的關係圖 40
圖4-11 鎳/金金屬電極金屬-半導體-金屬光偵測器，在充滿氮氣的
環境下，經長時間持續熱退火後，暗電流和施加偏壓的關係圖 40
圖4-12 鎳/金金屬電極金屬-半導體-金屬光偵測器在不同偏壓
下，持續熱退火溫度和暗電流的關係圖 41
圖4-13 鉑/金金屬電極金屬-半導體-金屬光偵測器，在不同偏
壓下，持續熱退火溫度和暗電流的關係圖 41
圖4-14 鉑/金金屬電極金屬-半導體-金屬光偵測器在不同指隙
、不同偏壓下，持續熱退火溫度和暗電流的關係圖 42
圖4-15 鈀/金金屬電極金屬-半導體-金屬光偵測器在不同偏壓
下，持續熱退火溫度和暗電流的關係圖 42
圖4-16 不同金屬電極金屬-半導體-金屬光偵測器在10V偏壓
下，持續熱退火溫度和暗電流的關係圖 43
圖4-17 600 持續熱退火後，三種不同金屬電極金屬-半導體-
金屬光偵測器相對響應度和入射光波長的關係圖 43
圖4-18 三種不同金屬電極金屬-半導體-金屬光偵測器，在持
續高溫熱退火後，絕對響應度和入射光波長的關係圖 44
圖4-19 不同入射光波長，其響應度和截光器頻率的關係圖 44
圖4-20 在固定340 nm入射光及改變截光器頻率的條件下，
對矽、氮化鎵光偵測器進行光電流量測 45
表目錄
表1 不同金屬電極金屬-半導體-金屬光偵測器的相關參數 45

〔1〕 M. Sasaki, S Takeshita, M. Sugiura, N. Sudo, Y.Miyake , Y. Furusawa and T. Sakata ,1993 J. Geomagn. Geoelectr. 45 473
〔2〕 J. I. Pankove and J. E. Berkeyheiser ,1974 J. Appl. Phys. 45 3892
〔3〕 M. A. Khan, J. N. Kuznia, D. T. Olson, J. M. Van Hove, M. Blasingame, L. F. Reitz,1992 Appl. Phys. Lett. 60 2917.
〔4〕 K.S. Stevens, M. Kinniburgh, R. Beresford,1995 Appl. Phys. Lett. 66 3518.
〔5〕 P. Kung, X. Zhang, D. Walker, A. Saxler, J. Piotrowski, A. Rogalski, M. Razeghi,1995 Appl. Phys. Lett. 67 3792.
〔6〕 D. Walker, X. Zhang, P. Kung, A. Saxler, S. Javadpour, J. Xu, M. Razeghi,1996 Appl. Phys. Lett. 68 2100.
〔7〕 B. W. Lim, Q. C. Chen, J. Y. Yang, M. Asif Khan,1996 Appl. Phys. Lett. 68 3761.
〔8〕 F. Binet, J. Y. Duboz, E. Rosencher, F. Scholz, V. Harle,1996 Appl. Phys. Lett. 69 1202.
〔9〕 D. Walker, X. Zhang, A. Saxler, P. Kung, J. Xu, M. Razeghi,
1997 Appl. Phys. Lett. 70 949.
〔10〕E. Monoz, E. Monroy, J. A. Garrido, I. Izpura, F. J. San-chez,
M. A. Sanchez-Garcia, E. Calleja, B. Beaumont, P. Gibart,1997 Appl. Phys. Lett. 71 870.
〔11〕M. Razeghi, A. Rogalski,1996 J. Appl. Phys. 79 7433.
〔12〕Z.C. Huang, D.B. Mott, P.K. Shu, R. Zhang, J.C. Chen, D.K. Wickenden,1997 J. Appl. Phys. 82 2707.
〔13〕J.C. Carrano, T. Li, P.A. Grudowski, C.J. Eiting, R.D. Dupuis,
J.C. Campell,1998 J. Appl. Phys. 83 6148.
〔14〕Q. Chen, M. A. Khan, C. J. Sun, and J. W. Yang, 1995 Electron.
Lett. 31, 1782
〔15〕E. Monroy, E. Munoz, F.J. Sanchez, F. Calle, E. Calleja, B.
Beaumont, P. Gibart, J.A. Munoz, F. Cusso, 1998 Semicond. Sci.
Technol. 13 1042.
〔16〕J.M. Van Hove, R. Hickman, J.J. Klaassen, P.P. Chow, P.P. Ruden,1997 Appl. Phys. Lett. 70 2282.
〔17〕D. Walker, A. Saxler, P. Kung, X. Zhang, M. Hamilton, D. Jiaz,
M. Razeghi,1998 Appl. Phys. Lett. 72 3303.
〔18〕E. Monroy, M. Hamilton, D. Walker, P. Kung, F.J. San-chez, M. Razeghi,1999 Appl. Phys. Lett. 74 1171.
〔19〕M.A. Khan, J.N. Kuznia, D.T. Olson, M. Blasingame, A.R. Bhattarai,1993 Appl. Phys. Lett. 63 2455.
〔20〕Q. Chen, J.W. Yang, A. Osinsky, S. Gangopadhyay, B. Lim, M.Z. Anwar, M. Asi Khan, D. Kuksenkov, H. Temkin,1997 Appl. Phys. Lett. 70 2277.
〔21〕E. Monroy, F. Calle, E. Munoz, F. Omnes, P. Gibart, J.A. Munoz, 1998 Appl. Phys. Lett. 73 2146.
〔22〕D. Walker, E. Monroy, P. Kung, J. Wu, M. Hamilton, F.J.
Sanchez, J. Diaz, M. Razeghi,1999 Appl. Phys. Lett. 74 762.
〔23〕J. C. Carrano, P. A. Grudowski, C. J. Eiting, R. D. Dupuis,
and J.C.Campbell,1997 Appl. Phys. Lett. 70, 1992
〔24〕S. W. Seo, K. K. Lee, Sangbeom Kang, S. Huang, William A.
Doolittle,N. M. Jokerst, and A. S. Brown,2001 Appl. Phys. Lett.
79,1372~1374
〔25〕J. C. Carrano, T. Li, P. A. Grudowski, C. J. Eiting, R. D.
Dupuis, and J. C. Campbell,1997 Electron. Lett. 33, 1980
〔26〕J. C. Carrano, T. Li, P. A. Grudowski, C. J. Eiting, R. D.
Dupuis, and J. C. Campbell, J. Appl. Phys. 83 6148~6160
〔27〕E. Monroy, F. Calle, E Munoz, and F. Omnes,1999 Phys. Stat.
Sol.(a) 176,157
〔28〕H. Jiang, N. Nakata, G. Y. Zhao,H. Ishikawa,C. L. Shao,T. Egawa,
T. Jimbo,M. Umeno,2001 Jap. J. Appl. Phys. Part 2-Lett..40: (5B) L505-L507
〔29〕C. H. Chen, S. J. Chang, Y. K. Su, Senior Member, IEEE, G. C.
Chi, J. Y. Chi, C. A. Chang, J. K. Sheu, and J. F. Chen, Member,
IEEE 2001 Photonics Technology Letters 13, No.8
〔30〕H.Z. Xu, Z.G. Wang , M. Kawabe , I. Harrison , B.J. Ansell , C.T.
Foxon Journal of Crystal Growth 218 (2000) 1~6
〔31〕J. C. Carrano,T .Li, D. L. Brown, P. A. Grudowski, C. J. Eiting, R.
D. Dupuis, and J. C. Campbell, 1998 Appl. Phys. Lett. 73, 2405
〔32〕Hao Jiang, Naoyuki Nakata, Guang Yuan Zhao, Hiroyasu
Ishikawa, Chun Lin Shao, Takashi Egawa, Takashi Jimbo and
Masayoshi Umano,2001 Jan. J. Appl. Phys. 40 L505~L507
〔33〕Physics of semiconductor devices S. M. Sze. New York John
Wiley & Sons 1981.
〔34〕S. M. Sze, D. J. Coleman, JR. and A. Loya, 1971 Solid-state Electronics 14 1209~1218
〔35〕Schubert F. Soares ,1992 Jap. J. Appl. Phys. 31 210~216
〔36〕 M. Klingenstein and J. Kuhi, J. Rosenzweig, C. Moglestue, A. Hulsmann, Jo. Schneider and K. Kohler, 1994 Solid-state Electronics 2 333~340
〔37〕O. Katz, V. Garber, B. Meyler, G. Bahir, and J. Salzman,2001
Appl. Phys. Lett. 79,1417~1419
〔38〕Yu A. Goldberg, 1999 semicond. Sci. Technol. 14 R14~R60
〔39〕Q.Z. Liu and S.S. Lau
Solid State Electronics vol. 42 ,No.5, pp. 677~691,1998
〔40〕K. J. Duxstad, E. E. Haller, K. M. Yu, M. T. Hirsch, W.R. Imler,
D.A. Steigerwald, F.A. Ponce, and L. T. Romano
Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol 449 1049~1053 1997 Materials
Research Society
〔41〕Q. Z. Liu, L. S. Yu, F. Deng, and S. S. Lau J. M. Redwing,
1998 J. Appl. Phys.84,881~886
〔42〕Q. Z. Liu, L. S. Yu, and S. S. Lau J. M. Redwing N. R. Perkins and
T. F. Kuech, 1997 Appl. Phys. Lett. 70 (10)1275~1277
〔43〕I. Daumiller, A. Vescan, U. Heinle, F. Scholz, E. Kohn
the IEEE / Cornell Conference on Advanced Concepts in High
Speed Semiconductor Devices and Circuits, Ithaca, NY, 1997.
〔44〕E. A. Preble, K. M. Tracy, S. Kiesel, H. McLean, P. Q. Miraglia,
R. J. Nemanich, and R. F. Davis,2002 J. Appl. Phys. 91,2133~2137