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研究生:袁輔群
研究生(外文):Yuan, Fu-Chun
論文名稱:低量矽摻雜及緩衝層於矽量子點埋入式氧化鋅多層膜的特性研究
論文名稱(外文):Characteristics of Lowly Si Doping and Buffer Layer applied on Si Quantum Dots embedded in ZnO matrix multilayer thin films
指導教授:李柏璁李柏璁引用關係
指導教授(外文):Lee, Po-Tsung
口試委員:劉柏村陳方中孫建文
口試委員(外文):Liu, Po-TsunChen, Fang-ChungSun, Kien-Wen
口試日期:2018-11-26
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:光電工程研究所
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:2018
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:62
中文關鍵詞:矽摻雜緩衝層量子點氧化鋅多層膜退火
外文關鍵詞:Si-dopingbuffer layerquantum dotZnOmulti-layersannealing
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量子點技術,近幾年來被廣泛的研究及應用在各種電子、光電元件上,諸如光感測器、發光二極體、記憶體及光伏元件等。我們選擇了使用矽量子點,因其元素含量在地球上豐富,並對環境無害。矽量子點通常被埋在矽基的介電材料之中,經由退火形成矽量子點,以產生量子侷限效應,進而達到調變能隙的目的。但因矽基介電材料的高阻值的特性會使載子的傳輸受到限制,讓元件的特性無法達到我們的預期。因此,如果使用氧化鋅(ZnO)取代矽基介電材料,不僅在阻值上得到下降,更能在短波長的波段加強吸收,以利加強光伏元件的效率。2011年,我們提出了由氧化鋅及矽交互堆疊而成的多層膜結構([ZnO/Si]-multilayer,[ZnO/Si]-ML),ZnO稱為阻障層,Si稱為主動層,將矽量子點埋入於氧化鋅的矩陣材料中,也成功驗證量子侷限效應的產生。但在此結構中,我們觀察到了薄膜突起的現象,其原因是退火後矽量子點由非晶矽的狀態轉為結晶矽狀態時,內應力產生卻無法釋放所導致。
為了解決此問題,並更進一步提升電特性,以[ZnO/Si]-ML為出發基準,我們提出了2種解決辦法。第一種結構為利用主動層調變矽/氧比,形成含有氧化鋅之矽(Zn in Si-Rich Oxide, ZSRO),讓矽量子點形成時周圍因多出的氧而形成一層薄的多氧化矽(SiOx)層,以緩解結晶矽量子點生成的同時所產生的內應力,再將阻障層的氧化鋅經過低量矽摻雜,形成低量矽摻雜之氧化鋅(Lowly Si-doped ZnO, LSZO),以提升電特性,多層膜結構變化為[LSZO/ZSRO]-ML;第二種結構為緩衝層(Buffer layer, BL)結構,利用一層與多層膜更為相似的材料沉積於基板及多層膜之間,以吸收多餘的內應力,結果證明確實達成結晶矽量子點的生成而不具薄膜突起。最後再將兩種結構合併,電特性獲得顯著的提升。
中文摘要 III
誌謝 IV
目錄 VI
圖目錄 IX
表目錄 XIII
第一章 簡介 1
1.1 背景介紹 1
1.2 矽量子點薄膜 2
1.3 文獻回顧 4
1.3.1 矽量子點薄膜 4
1.3.2 經矽摻雜之氧化鋅特性 7
1.4 研究動機 8
第二章 元件製程及分析 10
2.1元件的製備 10
2.1.1 基板清潔 10
2.1.2 沉積薄膜 11
2.1.3 退火 12
2.1.4 沉積電極 13
2.2 分析設備與儀器 14
2.2.1 冷場發射掃描式電子顯微鏡影像 14
2.2.2 拉曼光譜儀 14
2.2.3 紫外線-可見光-近紅外線光譜儀 16
2.2.4 X光繞射儀 17
2.2.5 電特性量測 19
第三章 結果與討論 20
3.1 [低量矽摻雜氧化鋅/摻有氧化鋅之矽]多層膜結構 22
3.1.1 低量矽摻雜之氧化鋅單層膜(Lowly Si doped ZnO) 23
3.1.2 退火溫度及環境的影響 25
3.1.2.1表面形貌 26
3.1.2.2 矽的結晶狀況 27
3.1.2.3光學特性分析 27
3.1.2.4 電特性分析 29
3.1.3 矩陣材料的矽/鋅比例調變 31
3.1.3.1 表面形貌 32
3.1.3.2 矽的結晶狀態 32
3.1.3.3 光學特性分析 33
3.1.3.4 電特性分析 34
3.1.4 主動層矽/鋅比例調變 35
3.1.4.1 表面形貌 36
3.1.4.2 矽結晶狀態 37
3.1.5 矽量子點多層膜結構與單層膜之比較 37
3.1.5.1 光學特性分析 38
3.1.5.2 電特性分析 39
3.2 緩衝層+多層膜結構 41
3.2.1 緩衝層的選擇 42
3.2.2 緩衝層特性分析 44
3.2.2.1 表面形貌 44
3.2.2.2 矽結晶狀態 45
3.2.2.3 光學特性分析 46
3.2.2.4 電特性分析 47
3.2.3 緩衝層+多層膜結構的調變 49
3.2.3.1 緩衝層厚度調變 49
3.2.3.2 退火環境的改變 52
3.2.3.3 多層膜的優化 55
第四章 結論與未來展望 58
4.1 結論 58
4.2 未來展望 59
參考資料 60
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[22] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%8B%89%E6%9B%BC%E5%85%89%E8%AD%9C%E5%AD%B8
[23] http://namrataheda.blogspot.com/2013/07/spectrophotometry-part-2-uv-visible.html
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[25] http://mccampbell.com/solids/docs/xrd_content.htm
[26] https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=24948
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[28] Vladimir L. Kuznetsov, Alex T. Vai, Malek Al-Mamouri, J. Stuart Abell,2 Michael Pepper and Peter P. Edwards, “Electronic transport in highly conducting Si-doped ZnO thin films prepared by pulsed laser deposition,” APPLIED PHYSICS LETTERS, vol.107, 2015
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