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研究生:朱煒傑
研究生(外文):Wei-Chieh Chu
論文名稱:二氧化鈦光偵測器與場效電晶體之研製
論文名稱(外文):Fabrication and characterization of TiO2 based photodetectors and field-effect transistors
指導教授:姬梁文姬梁文引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立虎尾科技大學
系所名稱:光電與材料科技研究所
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
論文頁數:89
中文關鍵詞:射頻磁控濺鍍金屬-半導體-金屬紫外光光偵測器薄膜場效電晶體
外文關鍵詞:RF magnetron sputtering methodMSMUltravioletPhotodetector (PD)Field-effect transistor (FET)
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本研究分為兩部份;第一部份利用二氧化鈦(TiO2)製備紫外光偵測器(photodetectors);第二部份利用二氧化鈦製備薄膜場效電晶體(Field-Effect Transistor;FET)分別探討製作流程以及電特性表現。使用反應式射頻磁控濺鍍原理(reactive radio frequency magnetron sputtering),在康寧玻璃(corning glass)基板上濺鍍一層二氧化鈦的薄膜,透過高溫退火後,二氧化鈦薄膜結晶結構為銳鈦礦型(anatase)。
接著利用不同的金屬蒸鍍在二氧化鈦(TiO2)薄膜上來作為接觸電極,使用了一般比較常見的銀(Ag)及金(Au)三種金屬作為接觸電極,遵循標準的曝光、顯影及蒸鍍金屬等步驟完成元件製作,接著量測其光電流、暗電流及光響應等特性。本研究發現後段退火溫度為650 ℃時,二氧化鈦(TiO2)薄膜可得到最佳的品質,使用金(Au)金屬作為元件的接觸電極,可以得到較好的元件操作特性,光響應最大值分為16.6 A/W;其蕭基位障約為0.843 eV。此外以銀、金作為接觸電極製作的光檢測器,同時光響應值部份下降了約兩個級數。
第二部分為利用二氧化鈦製備場效電晶體(Field-Effect Transistor; FET),本研究所製作電晶體結構為下層閘極(bottom-gate)的模式,製作流程為由下(基板底部)至上。我們選擇易於取得的ITO(Indium Tin Oxide, 銦錫氧化物)玻璃基板做為電晶體之閘極,絕緣層的選擇以RF-sputter沉積100 nm的SiO2薄膜做為閘極介電層(gate dielectric)。接著黃光微影系統定義半導體通道層(channel),以RF-sputter鍍上厚度為500 nm的TiO2薄膜,通道長度(channel length)=8 μm,寬度(channel width)分別為80 μm、40 μm、10 μm等3種不同通道長寬比,舉離後使用黃光微影系統定義電極部分為源極(source)與汲極(drain)之圖形,電極為長60 μm寬80 μm,使用電子束蒸鍍機蒸鍍分別鍍上鈦(Ti)100 nm 與金(Au)50 nm兩種金屬,並量測其操作特性(VDS-IDS)在不同閘極偏壓(VGS)下的元件操作特性,以及固定VDS下轉移特性(VGS-IDS)曲線,其臨界電壓Vth、轉移電導gm、汲極電流IDS。本研究成功製作出二氧化鈦光檢測器和場效電晶體,在未來發展上都具有相當的淺力,透過半導體微影製程以及奈米合成技術,在未來具備將發展整合光電積體電路(OEIC,OptoElectronic Integrated Circuits),來提升光電元件之特性。
This work characterized the metal-semiconductor-metal (MSM) photodetectors (PDs) and field effect transistor (FET) based on TiO2. The TiO2 thin films were grown on corning and ITO glass substrates by radio frequency (RF) magnetron sputtering method. The electrical properties of TiO2 thin film were used in the MSM-PDs absorption layer and FETs active channel layer. The quality of anatase TiO2 films, morphological, electrical, and optical measurements were carried out. With a source wavelength of 370–400 nm by 5V applied bias, it was found that the maximum responsivities for the fabricated Ag/ TiO2 /Ag and Au/ TiO2 /Au MSM PDs were 4.31 and 16.6 A/W. Moreover, The TiO2 field-effect transistor showed that on-to-off current ratio, Drain Current and gain margin were 102, 0.158 μA and 0.201 μS, respectively.
摘要(中文)………………………………………………………………………i
Abstract (in English)……………………………………………………………iii
誌謝……………………………………………………………………………..iv
目錄……………………………………………………………………………..vi
表目錄………………………………………………………………………..…ix
圖目錄………………………………………………………………………….x
第一章:緒論…………………………………………………………………..1
1-1前言……………………………………………………………………..1
1-2研究背景………………………………………………………………..1
1-3研究動機………………………………………………………………..2
1-4文獻回顧………………………………………………………………..3
第二章:二氧化鈦材料分析基礎理論...............................................................11
2-1二氧化鈦材料與薄膜沉積基礎理論…………………………………11
2-1-1二氧化鈦結構特性……………………………………………..11
2-1-2二氧化鈦光催化原理…………………………………………..12
2-1-3薄膜沉積基礎理論……………………………………………..14
2-1-4反應性射頻磁控濺鍍原理……………………………………..15
2-1-5電子束蒸鍍原理………………………………………………..17
2-2光檢測器之工作原理……………………………………………...….18
2-2-1金屬-半導體-金屬光檢測器原理………………………………19
2-2-2金屬半導體接面理論…………………………………………..19
2-2-3光暗電流………………………………………………………..21
2-2-4量子效率………………………………………………………..22
2-2-5內部增益………………………………………………………..24
2-3電晶體工作原理………………………………………………………26
2-3-1金屬-氧化層-半導體場效電晶體工作原理及結構……………26
2-3-2場效電晶體之重要參數………………………………………..30
第三章:實驗步驟及分析方法………………………………………………...44
3-1實驗架構………………………………………………………………44
3-1-1實驗流程………………………………………………………..44
3-1-2實驗藥品與機台………………………………………………..45
3-1-3實驗製作步驟…………………………………………………..45
3-2薄膜分析………………………………………………………………47
3-2-1 X光繞射儀……………………………………………………..47
3-2-2場發射電子顯微鏡……………………………………………..49
3-2-3光激螢光譜儀…………………………………………………..49
3-2-4原子力顯微鏡…………………………………………………..50
3-2-5紫外光/可見光光譜儀………………………………………….52
第四章:結果與討論………………………………………………………..….58
4-1二氧化鈦薄膜分析……………………………………………………59
4-1-1濺鍍功率與薄膜厚度關係……………………………………..59
4-1-2室溫下與退火後二氧化鈦XRD分析………………………….60
4-1-3不同退火溫度二氧化鈦XRD分析…………………………….61
4-1-4不同退火溫度二氧化鈦SEM及AFM分析…………………...61
4-1-5不同退火溫度二氧化鈦UV/VIS分析…………………………62
4-1-6不同退火溫度二氧化鈦PL分析……………………………….63
4-2二氧化鈦光偵測器分析………………………………………………63
4-2-1利用不同金屬製作光偵器光電流與暗電流量測分析………..63
4-2-2不同金屬光響應分析量測……………………………………..64
4-2-3二氧化鈦光偵測器分析總彙…………………………………..65
4-2-4內部增益(inter gain)探討………………………………………65
4-3二氧化鈦場效電晶體分析……………………………………………67
4-3-1不同通道長度電流-電壓特性及轉移特性曲線……………….67
4-3-2不同通道寬長比的各種參數比較……………………………..68
第五章:結論與未來展望……………………………………………………...82
5-1結論…………………………………………………………………...82
5-2未來展望………………………………………………………………82
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