臺灣博碩士論文加值系統

本論文使用蒸鍍之鋅薄膜及其後續之高溫爐管氧化法成長氧化鋅。以多孔性陽極氧化
鋁做為基板，於其上成長製作氧化鋅薄膜。藉由陽極處理時間的改變，製作出不同膜厚的
陽極氧化鋁基板，探討各式基板與製程對形成氧化鋅結構之差異。並於氧化鋅薄膜上製作
金半金光導偵測元件，研究元件的電流-電壓特性以及光響應分析，探討元件使用上之特性
與限制。使用多孔性陽極氧化鋁做為基板，製成的氧化鋅光偵測器，可以有效地改善光響
應之特性。

With the anodic aluminium oxide (AAO) as substrate, the Zinc oxide (ZnO) films were prepared by the Zn evaporated on such substrate with following oxidation process. The material properties of the ZnO films with different substrate anodic conditions were studied. With following process, the ZnO metal semiconductor metal (MSM) photodetector was fabricated. The current voltage and photo response behaviors were studied. The AAO substrate shows an effective method to improve the response properties of ZnO photodetector.

目錄
中文摘要..................................................................... I
英文摘要.................................................................... II
致謝....................................................................... III
表目錄...................................................................... VI
圖目錄..................................................................... VII
第一章 序論.................................................................. 1
1-1 研究動機..................................................................1
第二章 基本理論與文獻回顧.................................................... 2
2-1 陽極氧化鋁的製作......................................................... 2
2-1-1 陽極氧化鋁介紹......................................................... 2
2-1-2 陽極氧化鋁的應用....................................................... 2
2-1-3 陽極氧化鋁膜形成機制................................................... 3
2-1-4 陽極氧化鋁成形之化學反應............................................... 4
2-2 氧化鋅薄膜製作........................................................... 5
2-2-1 氧化鋅材料特性......................................................... 5
2-2-2 蒸鍍原理............................................................... 5
2-2-3 薄膜沈積原理........................................................... 5
2-3 光偵測器介紹............................................................. 6
2-3-1 金半金光偵測器......................................................... 6
2-3-2 光響應度和量子效率..................................................... 7
2.4 缺陷簡介................................................................. 9
2.5 內部增益................................................................ 10
第三章 實驗裝置與量測設備................................................... 27
3-1 實驗流程................................................................ 27
3-1-1 基板清洗.............................................................. 27
3-2 陽極氧化反應實驗........................................................ 27
3-3 氧化鋅薄膜製作實驗...................................................... 28
3-3-1 熱蒸鍍系統與薄膜沉積.................................................. 28
3-3-2 高溫爐管熱處理製程.................................................... 28
3-4 量測儀器介紹............................................................ 29
3-4-1 掃描式電子顯微鏡...................................................... 29
3-4-2 能量散射分析儀........................................................ 30
3-4-3 原子力顯微鏡.......................................................... 30
3-4-4 光致螢光譜............................................................ 31
第四章 實驗結果與討論....................................................... 37
4-1 陽極氧化鋁基板製作的實驗結果與討論...................................... 37
4-1-1 陽極反應時間長短與AAO 膜表面結構之分析................................ 37
4-2 於AAO 製作氧化鋅薄膜的實驗結果與討論.................................... 38
4-2-1 氧化鋅薄膜表面結構與EDS 分析.......................................... 38
4-3 AAO 製作時間對氧化鋅薄膜的電性量測與分析................................ 40
4-3-1 不照光下之薄膜的電流與電壓分析........................................ 40
4-3-2 照光下薄膜的電流與電壓之關係.......................................... 41
4-3-3 光激螢光量測分析對電性結果的探討...................................... 42
4-4 於AAO 基板上製作氧化鋅薄膜之光偵測器光響應度分析........................ 43
4-4-1 光響應度的量測分析與討論.............................................. 43
4-4-2 量子效率對光響應度之分析.............................................. 45
第五章 結論與未來討論....................................................... 87
參考文獻.................................................................... 88

表目錄
表2-2-1 氧化鋅基本特性...................................................... 13
表3-3-1 熱蒸鍍製程參數...................................................... 32
表4-1-1 AAO 製作時間與其特性整理............................................ 46
表4-2-1 為試片編號與熱處理製程參數的整理.................................... 46
表4-3-1 測量試片編號與測量參數整理.......................................... 46
表4-4-1 試片A2、A3、A4 與A6 光電特性整理比較................................ 47

圖目錄
圖2-1-1 孔洞大小與陽極處理電壓關係.......................................... 14
圖2-1-2 不同電解液搭配不同電壓獲得之孔洞大小................................ 15
圖2-1-3 陽極氧化鋁結構示意圖................................................ 16
圖2-1-4 規則排列摸和不規則排列膜比較圖...................................... 17
圖2-1-5 光子晶體應用於光波導設計............................................ 18
圖2-1-6 自我複製法結構圖.................................................... 18
圖2-1-7 陽極處理過程中電場分布變化.......................................... 19
圖2-1-8 陰、陽離子在陽極傳遞的情形.......................................... 20
圖2-2-1 氧化鋅(ZNO)晶格結構................................................. 20
圖2-2-2 蒸鍍系統示意圖...................................................... 21
圖2-2-3 薄膜沉積步驟的分解圖................................................ 21
圖2-3-1 光傳導光偵測器(PHOTOCONDUCTOR)示意圖................................ 22
圖2-3-2 光偵測器光響應度實驗裝置示意圖...................................... 22
圖2-4-1 缺陷幫助穿隧理論之模式示意圖........................................ 23
圖2-4-2 氧化鋅光導型光偵測器之 PPC 現象..................................... 23
圖2-4-3 光導元件照光的載子傳輸過程示意圖.................................... 24
圖2-5-1 各種缺陷結構之示意圖................................................ 25
圖2-5-2 電子電洞在能隙間及缺陷形成的能量位置之間捕抓及發射過程的示意圖...... 26
圖3-1-1 圓形鋁電極之MSM 光導偵測器元件結構示意圖............................ 33
圖3-2-1 陽極氧化處理實驗裝置示意圖.......................................... 33
圖3-3-1 實驗室高溫爐管的示意圖.............................................. 34
圖3-4-1 本校SEM 機台HITACHI S-4300N ........................................ 35
圖3-4-2 本校SEM 結合EDS 的機台.............................................. 35
圖3-4-3 原子力顯微鏡示意圖.................................................. 36
圖3-4-4 光致螢光譜(PL)測量裝置示意圖........................................ 36
圖4-1-1 以鋁箔製作的AAO 為基板所製作的氧化鋅薄膜............................ 48
VIII
圖4-1-2 為陽極氧化反應製作AAO 基板的實驗步驟................................ 49
圖4-1-3 為在SEM 下觀察不同製作時間的AAO 試片................................ 51
圖4-1-4 為AFM 掃瞄AAO 表面結構.............................................. 53
圖4-1-5 製作AAO 基板的陽極氧化反應時間與其表面粗操度(RMS)之比較圖........... 54
圖4-1-6 為AAO 在SEM 下觀察到的切面圖。...................................... 56
圖4-1-7 製作AAO 之陽極氧化反應時間與其厚度的關係。.......................... 57
圖4-2-1 於AAO 基板上以熱蒸鍍系統所沉積的金屬鋅薄膜。........................ 57
圖4-2-2 於SEM 下觀察試片S 的表面結構........................................ 58
圖4-2-3 於SEM 下觀察試片A1 的表面結構....................................... 59
圖4-2-4 於SEM 下觀察試片A2 的表面結構....................................... 60
圖4-2-5 於SEM 下觀察試片A3 的表面結構....................................... 61
圖4-2-6 於SEM 下觀察試片A4 的表面結構....................................... 62
圖4-2-7 於SEM 下觀察試片A5 的表面結構....................................... 63
圖4-2-8 於SEM 下觀察試片A6 的表面結構....................................... 64
圖4-2-9 為薄膜於不同基板上製作的氧元素比例EDS 數據分析趨勢圖。.............. 65
圖4-3-1 於藍寶石基板上製作氧化鋅薄膜的暗電流值(試片S)....................... 65
圖4-3-2 各試片在兩次暗電流量測下，在偏壓5V 下之電流差值(△I)比較圖。........ 66
圖4-3-3 60W 鎢絲燈光源的光譜圖.............................................. 66
圖4-3-4 (a) 試片S 在不同偏壓下，不照光(0~10min)，照光(10~50min)，不照光
(50min~110min)時的電流變化情形。 (b) 試片S 的電流-電壓圖，"dark"為不照光
(10min)時的電流-電壓曲線，"Light"為照光時(50min)的電流電壓圖。.............. 67
圖4-3-5 (a) 試片A1 在不同偏壓下，不照光(0~10min),照光(10~50min),不照光
(50min~110min)時的電流變化情形。 (b) 試片S 的電流-電壓圖，"dark"為不照光
(10min)時的電流-電壓曲線，"Light"為照光時(50min)的電流電壓圖。.............. 68
圖4-3-6 (a) 試片A2 在不同偏壓下，不照光(0~10min),照光(10~50min),不照光
(50min~110min)時的電流變化情形。 (b) 試片S 的電流-電壓圖，"dark"為不照光
(10min)時的電流-電壓曲線，"Light"為照光時(50min)的電流電壓圖。.............. 69
圖4-3-7 (a) 試片A3 在不同偏壓下，不照光(0~10min),照光(10~50min),不照光
(50min~110min)時的電流變化情形。 (b) 試片S 的電流-電壓圖，"dark"為不照光
(10min)時的電流-電壓曲線，"Light"為照光時(50min)的電流電壓圖。.............. 70
圖4-3-8 (a) 試片A4 在不同偏壓下，不照光(0~10min),照光(10~50min),不照光
(50min~110min)時的電流變化情形。 (b) 試片S 的電流-電壓圖，"dark"為不照光
(10min)時的電流-電壓曲線，"Light"為照光時(50min)的電流電壓圖。.............. 71
圖4-3-9 (a) 試片A5 在不同偏壓下，不照光(0~10min),照光(10~50min),不照光
(50min~110min)時的電流變化情形。 (b) 試片S 的電流-電壓圖，"dark"為不照光
(10min)時的電流-電壓曲線，"Light"為照光時(50min)的電流電壓圖。.............. 72
圖4-3-10 (a) 試片A6 在不同偏壓下，不照光(0~10min),照光(10~50min),不照光
(50min~110min)時的電流變化情形。 (b) 試片S 的電流-電壓圖，"dark"為不照光
(10min)時的電流-電壓曲線，"Light"為照光時(50min)的電流電壓圖。.............. 73
圖4-3-11 在偏壓1V 下，比較各試片照光時間對電流增益與衰減之關係圖............ 74
圖4-3-12 各試片光上昇穩定與光衰減的情形..................................... 75
圖4-3-13 PL 量測系統的背景值。.............................................. 76
圖4-3-14 各試片的光激發螢光強度比較。....................................... 77
圖4-3-15 試片S 與試片A4 的光激發螢光強度比較。.............................. 78
圖4-3-16 試片暗電流與相對光激發強度關係圖。................................. 79
圖4-4-1 為試片A2 的光響應圖................................................. 80
圖4-4-2 為試片A3 的光響應圖................................................. 81
圖4-4-3 為試片A4 的光響應圖................................................. 82
圖4-4-4 為試片A6 的光響應圖................................................. 83
圖4-4-5 氧化鋅薄膜成長於藍寶石基板上之光響應度.............................. 84
圖4-4-6 為偏壓1V 下，試片A2、A3、A4、A6 的光響應比較圖...................... 85
圖4-4-7 試片在紫外光部分波長的響應度達到100%量子效率與其偏壓之比較圖........ 86

參考文獻
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