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研究生:陳世銘
論文名稱:利用脈衝雷射鍍膜製備AZO:N/p-Si異質接面之電特性研究
論文名稱(外文):Preparation and electric characterization of AZO:N/p-Si heterostructure by pulse laser deposition
指導教授:余昌峰余昌峰引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立嘉義大學
系所名稱:光電暨固態電子研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
中文關鍵詞:雷射鍍膜異質接面
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以脈衝雷射蒸鍍法(Pulsed Laser Deposition,PLD) 在玻璃基板上改變基板溫度以及改變製程壓力來製備氧化鋅鋁參雜氮薄膜。蒸鍍後樣品之成份、微結構、光學特性和導電特性藉由X光射線能量散佈分析儀(EDS)、X光光電子能譜術(XPS)、X光繞射儀(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)、UV-VIS光譜儀及霍爾效應(Hall Effect)等來分析。在X光繞射方面,可觀察到AZO:N薄膜有沿c軸(002)的優先取向。電性部分,電阻率隨著基板溫度的增加而迅速減少,在基板溫度200℃時可得到最低值為2.21×10-3 Ω-cm。在穿透率方面,樣品穿透度皆可以達到80%以上,且能隙會隨載子濃度增加而增加。
利用脈衝雷射蒸鍍法(Pulsed Laser Deposition,PLD)在p型矽晶圓上鍍氧化鋅鋁(Aluminum Zinc Oxide,AZO)薄膜組成異質結構pn二極體,並對該結構進行I-V和C-V特性分析,由logI-V曲線可發現當施予順向偏壓之異質結構在偏壓較大時,異質結構產生與溫度無關的穿隧電流;而在C-2-V曲線中發現異質結構操作環境越低溫,曲線越接近理想狀態,而能障高度 會隨著溫度升高而下降,推測此現象受異質結構中的界面態電荷影響。對參雜不同鋁濃度異質結構,摻雜鋁量為6%時有最大的切入電壓與能障高度,其次2%,4%最小。
摘要 I
Abstract.................................................................................................... II
誌謝 IV
目錄 V
圖目錄 IX
表目錄 XII

第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 4
第二章 實驗原理簡介及文獻回顧 5
2.1 物理氣相沉積法(PVD)簡介 5
2.2 脈衝雷射蒸鍍系統 (PULSE LASER DEPOSITION, PLD) 7
2.3 薄膜沉積機制 8
2.4 氧化鋅鋁薄膜 10
2.4.1 氧化鋅簡介 10
2.4.2 氧化鋅鋁之導電性質 12
2.4.3 氧化鋅鋁之光學性質 13
2.5 半導體PN異質結構特性 17
2.5.1 電流-電壓(I-V)特性 17
2.5.2 電容-電壓(C-V)特性 20
第三章 實驗方法與理論分析 22
3.1 實驗與分析流程 22
3.2 實驗方法與脈衝雷射蒸鍍系統 23
3.2.1 製作靶材 23
3.2.1.1 實驗原理 23
3.2.1.2 實驗儀器 24
3.2.1.3 實驗步驟 25
3.2.2 基板清洗 26
3.2.3 脈衝雷射蒸鍍步驟 27
3.3 量測設備與基礎理論 29
3.3.1 SEM-EDS (Scanning electron microscope-Energy Dispessive Spectrometer) 29
3.3.2 X光光電子能譜術(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 30
3.3.3 X光繞射分析儀 (X-ray Diffractometer) 31
3.3.4 原子力顯微鏡 (Atomic force microscope, AFM) 34
3.3.5 導電性原子力顯微術 (Conducting Atomic Force Microscopy, CAFM) 36
3.3.6 霍爾效應量測 (Hall effect measurement) 37
3.3.7 UV-VIS光譜儀 (UV-VIS spectrophotometer) 41
3.3.8 電流-電壓(I-V)特性之量測設備 42
3.3.9 電容-電壓(C-V)特性之量測設備 43
第四章 結果與討論 44
4.1 氧化鋅鋁參雜氮與氧化鋅鋁之比較差異 44
4.2 基板溫度影響之分析 46
4.2.1 成份分析 47
4.2.2 微結構分析 50
4.2.2.1 晶體結構分析 50
4.2.2.2 AFM表面型態分析 52
4.2.3 電性分析 54
4.2.3.1 霍爾效應分析 54
4.2.3.2 CAFM導電性原子力顯微術分析 56
4.2.4 光學特性分析 58
4.2.4.1 穿透光譜分析 58
4.3 笑氣氛之影響分析 62
4.3.1微結構分析 62
4.3.1.1 晶體結構分析 62
4.3.1.2 AFM表面型態分析 64
4.3.2 電性分析 66
4.3.2.1 霍爾效應分析 66
4.3.2.2 CAFM導電性原子力顯微術分析 67
4.3.3 光學特性分析 69
4.3.3.1 穿透光譜分析 69
4.4 不同基板影響分析 73
4.4.1 變溫PET軟板 73
4.4.2 變溫PC軟板 75
4.5 異質接面之電特性研究 78
4.5.1 變溫電流-電壓(I-V)特性曲線分析 78
4.5.2 變溫電容-電壓(C-V)特性曲線分析 81
4.5.3 參雜不同鋁濃度電流-電壓(I-V)與電容-電壓(C-V)特性曲線分析 85
第五章 結論與未來展望 87
5.1 玻璃基板溫度影響之分析 87
5.2 玻璃基板笑氣氛影響之分析 89
5.3 異質接面之電特性研究 91
5.4 未來展望 93
參考文獻 94



圖目錄
圖2-1 薄膜沉積步驟................................................................................9
圖2-2 氧化鋅的晶格結構......................................................................11
圖2-3 氧化鋅green emission強度。V0*的數量和自由載子濃度隨溫度變化關係……..........................................................................................15
圖2-4 氧化鋅Green emission強度。V0*的數量和自由載子濃度隨時間
變化關係圖..............................................................................................16
圖2-5 氧化鋅green emission能階躍遷示意圖.......................................16
圖2-6 孤立異質結構之能帶圖..............................................................17
圖2-7 異質結構接觸之能帶圖..............................................................17
圖2-8 電子穿隧能障圖..........................................................................19
圖3-1 實驗流程圖...................................................................................22
圖3-2 脈衝雷射蒸鍍系統架構示意圖...................................................28
圖3-3 靶材表面蒸鍍示意圖..................................................................28
圖3-4 脈衝雷射蒸鍍系統操作實況圖..................................................28
圖3-5 Rigaku Multiflex CD3684N繞射系統.........................................33
圖3-6 布拉格繞射原理...........................................................................33
圖3-7 氧化鋅的JCPDS資料...................................................................34
圖3-8 AFM量測架構圖..........................................................................35
圖3-9 CAFM量測架構圖.......................................................................37圖3-10 van der pauw 量測法常量測的幾何形狀..................................38
圖3-11 霍爾效應示意圖.........................................................................39
圖4-1 (a)AZO:N (b)AZO之AFM與CAFM比較..................................45
圖4-2 AZO:N與AZO薄膜之CAFM平均電流衰減比較圖.................46
圖4-3 AZO靶材與薄膜之EDS成分分析圖............................................47
圖4-4 AZO:N薄膜之EDS成分分析圖....................................................48
圖4-5 AZO:N不同基板溫度之薄膜XPS全頻譜掃描圖......................49
圖4-6 Al2p XPS放大圖..........................................................................49
圖4-7 Al2p原子百分率圖.......................................................................49
圖4-8 N1s XPS放大圖............................................................................50
圖4-9 N1s原子百分率圖........................................................................50
圖4-10 不同基板溫度AZO:N之XRD繞射圖........................................51
圖4-11 不同基板溫度半高寬與晶粒關係............................................52
圖4-12 不同基板溫度AZO:N薄膜之AFM圖.....................................53
圖4-13 不同基板溫度之AZO:N薄膜的霍爾量測分析圖...................55
圖4-14 不同基板溫度之AZO:N薄膜的CAFM分析圖.......................57
圖4-15 不同溫度之CAFM平均電流值與電阻率比較圖....................58
圖4-16 不同基板溫度之AZO:N薄膜的穿透光譜圖...........................60
圖4-17 不同基板溫度之AZO:N薄膜的能隙變化圖...........................60
圖4-18 不同基板溫度AZO:N載子濃度與能隙關係圖.......................61
圖4-19 不同笑氣氛之AZO:N薄膜的XRD繞射圖..............................63
圖4-20 不同笑氣氛之半高寬與晶粒關係圖.........................................64
圖4-21 不同笑氣氛AZO:N薄膜之AFM圖.........................................65
圖4-22 不同笑氣氛之AZO:N薄膜的霍爾量測分析圖.......................66
圖4-23 不同笑氣氛AZO:N薄膜的CAFM分析圖...............................68
圖4-24 不同笑氣氛之CAFM平均電流值與電阻率比較圖................69
圖4-25 不同笑氣氛AZO:N薄膜之穿透光譜圖.....................................71
圖4-26 不同笑氣氛之AZO:N薄膜的能隙變化圖.................................71
圖4-27 不同笑氣氛之AZO:N載子濃度與能隙關係圖.......................72
圖4-28 變溫PET基板XRD圖...............................................................74
圖4-29 變溫PET基板之AZO:N薄膜的穿透光譜圖...........................75
圖4-30 變溫PET基板XRD圖...............................................................76
圖4-31 變溫PC基板霍爾量測分析圖....................................................76
圖4-32 變溫PC基板之AZO:N薄膜的穿透光譜圖................................77
圖4-33 PN異質接面架構圖.....................................................................78
圖4-34 AZO:N/p-Si異質結構在不同溫度環境下的I-V圖....................79
圖4-35 AZO:N/p-Si異質結構不同溫度環境下切入電壓變化..............80
圖4-36 AZO:N/p-Si異質結構在不同溫度環境下的logI-V圖...............81
圖4-37 AZO:N/p-Si異質結構在不同溫度環境下的C-V圖...................83
圖4-38 AZO:N/p-Si異質結構在不同溫度環境下的C-2-V圖.................83
圖4-39 AZO:N/p-Si異質結構不同溫度環境下能障高度變化..............84
圖4-40 參雜不同鋁濃度AZO:N/p-Si異質結構的I-V圖.......................85
圖4-41 參雜不同鋁濃度AZO:N/p-Si異質結構的C-2-V圖....................86

表目錄
表4-1 AZO:N與AZO薄膜之霍爾量測比較表......................................45
表4-2 AZO靶材EDS成分分析表............................................................47
表4-3 AZO:N薄膜EDS成分分析表........................................................48
表4-4 不同基板溫度之AFM表面粗糙度............................................53
表4-5 不同基板溫度之AZO:N薄膜的霍爾量測分析表.......................55
表4-6在不同基板溫度AZO:N薄膜的CAFM平均電流值..................57
表4-7不同基板溫度之AZO:N薄膜的能隙與載子濃度變化表...........61
表4-8 不同笑氣氛之AFM表面粗糙度..................................................65
表4-9 不同笑氣氛之AZO:N薄膜的霍爾量測分析表...........................67
表4-10 不同笑氣氛AZO:N薄膜之CAFM平均電流值與四點探針值
..................................................................................................................68
表4-11不同笑氣氛之AZO:N薄膜的能隙與載子濃度變化表.............72
表4-12 變溫PET基板霍爾量測分析表................................................74
表4-13 變溫PC基板霍爾量測分析表....................................................77
表4-14 AZO:N/p-Si異質結構不同溫度環境下切入電壓變化表..........80
表4-15 AZO:N/p-Si異質結構不同溫度環境下能障高度變化表..........84
表4-16 參雜不同鋁量AZO:N/p-Si異質結構切入電壓與能障高度變化表..............................................................................................................86
表5-1 不同基板溫度之AZO:N薄膜數據總整理.................................88
表5-2 不同笑氣氛之AZO:N薄膜數據總整理.....................................90
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