閘介電層含鍺量子點複晶矽薄膜電晶體之光響應研究

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陳英豪(Inn-hao Chen) 查詢紙本館藏

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電機工程學系

論文名稱

閘介電層含鍺量子點複晶矽薄膜電晶體之光響應研究
(Photoresponses in polycrystalline silicon phototransistors incorporating germanium quantum dots in the gate dielectrics)

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摘要(中)

在本論文中，以薄膜電晶體(thin film transistors，TFTs)的結構，將鍺(Ge)量子點耦合在TFTs結構的上部閘介電層(gate dielectrics)中，讓鍺量子點作為光檢測的媒介，將藍光到近紫外光波段的光信號轉換成電信號，再藉由TFTs將電訊號放大，傳輸到下一級。如此一來，不但能減少信號從光檢測器到放大器的損耗，更進一步，也藉此TFTs形成一種光電晶體(phototransistors，PTs)，兼具光檢測器與放大器的功能。在波長405 nm－450 nm的光源照射下，含有鍺量子點的poly-Si TFTs除了對汲極電流有明顯的的?益之外，比起未照光的情況下，元件的次臨限特性都得到良好的改善。造成元件特性照光後有明顯改善的原因源自於只有光激發所產生的電洞注入通道之中，而與電洞對應所產生的電子並未注入通道參與反應，因此在一層鍺量子點薄膜電晶體的ID-VG曲線中並無發現在照光後有電子累積在源極與通道間導致能障降低所引發次臨限特性衰減的現象。

摘要(英)

This thesis demonstrates that polycrystalline silicon (poly-Si) thin-film transistors (TFTs) incorporating germanium (Ge) quantum dots (QDs) in the gate oxide were fabricated as efficient blue to near ultraviolet phototransistors for light detection and amplification. Under 405–450 nm light illumination, Ge QDs poly-Si TFTs exhibit not only strong photoresponses in the drive current but also much improved subthreshold characteristics than that measured in darkness. This originates from the fact that only photoexcited holes within Ge QDs are injected into the active channel via vertical electric field and contribute excess mobile carriers for photocurrent but without the associated photogenerated electron induced junction barrier lowering.

關鍵字(中)

★ 鍺量子點
★ 薄膜電晶體

關鍵字(英)

★ phototransistor
★ germanium

論文目次

目錄
中文摘要…………………………………………………………i
英文摘要…………………………………………………………ii
目錄………………………………………………………………iii
圖目錄……………………………………………………………vi
表目錄……………………………………………………………x
第一章研究動機與簡介………………………………………01
1-1 研究動機…………………………………………………01
1-2 光電晶體(phototransistors)的歷史…………………03
第二章鍺量子點光特性及元件設計…………………………09
2-1 前言………………………………………………………09
2-2 鍺量子點的特性…………………………………………09
2-3 鍺量子點金屬氧化物半導體光二極體…………………10
2-4 元件結構設計及預期之運作……………………………11
第三章關鍵製程及元件完整製作流程………………………21
3-1 前言………………………………………………………21
3-2 鍺量子點的形成…………………………………………21
3-3 銦錫氧化物薄膜特性……………………………………22
3-4 元件完整製作流程………………………………………26
第四章元件電特性分析與探討………………………………42
4-1 前言………………………………………………………42
4-2 電性與光性量測…………………………………………42
第五章總結與未來展望………………………………………54
參考文獻………………………………………………………56
著作目錄………………………………………………………59
圖目錄
圖1-1 光連結的方塊圖………………………………………6
圖1-2 簡易的接收器時脈圖，圖中使用了兩個光二極體，光脈衝控制延遲時間使兩個二極體有著不同的脈波，上方的二極體緊接在下方的二極體放電後充電，形成所想要的訊號…………………6
圖1-3 以雙極性電晶體作為光電晶體的結構圖……………7
圖1-4 一種有著寬能隙射極的異質界面光電晶體。由於射極擁有較高的能隙而不會吸收入射光，因此除了增進了射極注入效應之外也增強了元件本身的效率…………………………………………7
圖1-5 光電晶體的能帶圖。虛線表示因光照射所產生的電洞累積於基極而造成基極能帶的改變……………………………………8
圖1-6 一種光敏感的異質接面場效電晶體的示意圖………8
圖2-1 鍺量子點在室溫下經陰極射線激發所得之(a)光譜譜線與(b)對應之深度輪廓。………………………………………………15
圖2-2 鍺量子點金屬氧化物半導體光電晶體的結構圖……16
圖2-3 (a)一層與(b)三層鍺量子點金屬氧化物半導體光二極體之鍺量子點TEM圖……………………………………………………16
圖2-4 含有不同鍺量子點層的金屬氧化物半導體光二極體I-E特性曲線圖……………………………………………………………17
圖2-5 在電場為-0.7 MV/cm下，零層、一層與三層鍺量子點金屬氧化物半導體光二極體在波長350－700 nm的光響應圖………17
圖2-6 將鍺量子點金屬氧化物半導體光二極體結合多晶矽薄膜電晶體形成鍺量子點複晶矽薄膜電晶體的構想……………………18
圖2-7 將鍺量子點金屬氧化物半導體光二極體結合場效電晶體的示意圖………………………………………………………………18
圖2-8 內含鍺量子點之薄膜電晶體之能帶圖………………19
圖2-9 無鍺量子點之薄膜電晶體之能帶圖…………………19
圖2-10 為光伏特效應的示意圖(a)光照射元件(b)因照光元件在通道產生電子電洞對(c)照光所產生的額外電子在源極界面受到能障阻礙而累積(d)累積的額外電子吸引電洞造成能帶能位下降…20
圖2-11 Noh等人所製作的有機薄膜光電晶體之ID-VG之曲線[25]，可觀察到經照光後Ion與Ioff上升，且經過十天後元件之特性尚未恢復到未照光時的電流特性，也說明了元件的光衰退效應是不輕的…………………………………………………………………20
圖3-1 矽鍺選擇性氧化示意圖………………………………30
圖3-2 Si1-xGex 結構氧化之Auger量測圖(After Liou, APL,(1991))…………………………………………………………30
圖3-3 Si1-xGex 結構氧化之XPS量測圖(After Liou, APL,(1991))……………………………………………………………………31
圖3-4 顯示一電漿產生器的基本結構，及離子濺擊的效應…………………………………………………………………31
圖3-5 濺鍍ITO後的SEM圖，可觀察到所沉積的ITO膜相當平整…………………………………………………………………32
圖3-6 為ITO未經過RTA製程、經過RTA製程和經過RTA與熱退火製程三種不同條件的波長對透光率的關係圖。……………………32
圖3-7 為ITO未經過RTA製程及經過800、850、900 ℃RTA製程回火溫度對電阻率的關係圖…………………………………………33
圖3-8 為ITO經過900 ℃ RTA製程後的SEM圖………………33
圖3-9 第一道光罩之圖案……………………34
圖3-10 晶片經過LOCOS製程，送打離子佈值形成下部閘電極…………………………………………………………………34
圖3-11 晶片沉積完主動區及上部閘介電層的薄膜示意圖…………………………………………………………………35
圖3-12 上部閘介電層經氧化後的TEM圖……………………35
圖3-13 晶片經氧化步驟後的示意圖…………………………36
圖3-14 第二道光罩之圖案…………………36
圖3-15 晶片蝕刻完上部閘介電層及主動區的複晶矽之示意圖…………………………………………………………………37
圖3-16 若晶片沒有製作TEOS spacer所面臨上部閘電極與主動區的複晶矽直接接觸的示意圖………………………………………37
圖3-17 晶片完成TEOS spacer後的示意圖…………………38
圖3-18 第三道光罩之圖案。圖案的下方，有著兩塊方形的區域，目的在於避免後續離子佈值時，使源極與汲極直接導通…………………………………………………………………38
圖3-19 晶片送打離子佈值形成汲極與源極的示意圖………39
圖3-20 若在第三道光罩設計成圖案的下方直接將主動區覆蓋，會面臨上、下部閘電極之間有一不小的寄生電容存在…………39
圖3-21 第四道光罩之圖案。目的在開啟下部閘電極、源極與汲極的接觸窗口…………………………………40
圖3-22 第五道光罩之圖案……………………40
圖3-23 第六道光罩之圖案。目的在於蝕刻乾淨上部閘電極(ITO)上方隔絕的二氧化矽………………………41
圖3-24 元件完成後的結構(a)無鍺量子點的薄膜電晶體(b)有含鍺量子點的薄膜電晶體。…………………………………………41
圖4-1 為室溫下未照光之ID-VBG圖，(a)無鍺量子點的薄膜電晶體 (b)內含鍺量子點的薄膜電晶體………………………………50
圖4-2 為室溫下無鍺量子點及內含鍺量子點之薄膜電晶體未照光及照光之ID-VD圖…………………………………………………50
圖4-3 為室溫下未照光及照光之ID-VBG圖，(a)無鍺量子點之薄膜電晶體 (b)內含鍺量子點之薄膜電晶體………………………51
圖4-4 為室溫下無鍺量子點及內含鍺量子點的薄膜電晶體(a)光源強度對次臨限斜率之關係圖 (b)光源強度對臨限電壓之關係圖…………………………………………………………………51
圖4-5 為室溫下未照光及照光之ITG-VBG圖，(a)無鍺量子點的薄膜電晶體 (b)內含鍺量子點的薄膜電晶體………………………52
圖4-6 (a)無鍺量子點與(b)內含鍺量子點的薄膜電晶體受光激發後通道內載子個數的示意圖。……………………………………52
圖4-7 為室溫下無鍺量子點及內含鍺量子點的薄膜電晶體光源波長對光響應之關係圖………………………………………………53
圖5-1 SEM俯視圖(a)SPC製程(b)LPCVD所生成出的複晶矽薄膜，明顯可看出經過SPC製程的複晶矽薄膜較為平整………………55

參考文獻

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58

指導教授

李佩雯(Pei-wen Li)

審核日期

2009-1-20

推文