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研究生： 蕭旭廷
Hsiao, Hsu-Ting
論文名稱： Ⅲ族氮化物半導體奈米柱p-n二極體之光電流特性研究
Photocurrent Characteristics of Single Ⅲ-Nitride Nanorod p-n Diodes
指導教授： 果尚志
Gwo, Shangjr
口試委員: 杜立偉
Li-Wei Tu
陳衛國
W.K. Chen
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2014
畢業學年度： 102
語文別： 中文
論文頁數： 84
中文關鍵詞： 奈米線 、光電伏打 、檢光器 、氮化銦鎵 、光電流
外文關鍵詞： Nanowire, Photovoltaic, Photodetector, InGaN, Photocurrent
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    • 奈米柱結構在近年的研究發表日趨上升，尤其在Ш-nitride材料上，因為具有載子收集效率高與直接能隙的材料特性，預期有很好的光電流特。並且藉由調控合金的比例，可達成單一元件上有不同的能隙大小，使各波長的光吸收效率提高，響應率佳。實驗室經由分子束磊晶系統成長InGaN/GaN p-n二極體奈米柱結構，發現中間的本質層InGaN經由入射能量高於能隙大小的雷射激發，會有很強的光電流產生，因此本篇論主要分析奈米柱材料在光電伏打(photovoltaic)以及檢光器(photodetector)量測的結果。
    對光電伏打的光電轉換效率因為我們單根奈米柱元件的吸光層(InGaN)截面積很小，且元件製程會產生光電流的損失，使效率變差，約只有1%，而造成損失的原因有兩種可能性，第一:介面應力產生的極化子(polarization charge)影響，第二:蕭特基位能障(Schottky barrier)所造成。不過此元件在檢光器的量測卻得到很好的結果，對比於其他奈米柱元件，幾乎沒有量測到電容的時間延遲現象。從材料本身的分析，P-I-N的結構會在空乏區提供一個很強的內建電場，使光載子在產生的同時就會被電場快速分離，因此在奈米柱內傳遞的時間就會減少，是個很好的優勢。最後我們也對奈米柱材料的入射光偏振方向與光電流形成的大小做個比較，可發現極化方向確實會影響光電流的大小，這與我們實驗室先前對單根奈米柱的EL發光的極化效應一致，不過光吸收的極化效應(absorption polarized)，受到材料的幾何結構限制，相對於發光的極化效應並沒有特別的明顯。
    未來我們渴望利用這樣的奈米柱發展在影像偵測材料上，利用奈米柱陣列與單一材料擁有不同能隙吸光的特性，會比其他材料特性來的佳。

    圖目錄 3 表目錄 5 第一章 序論 6 1.1 簡介 6 1.2 實驗動機 7 1.3 文獻回顧 9 第二章 半導體與光電轉換特性 13 2.1 半導體結構與特性 13 2.2 p-n接面理論 14 2.3 p-n接面能帶圖分析 17 2.4 半導體受光激發後的特性 19 2.5 p-n二極體太陽能電池結構與工作原理 21 2.6 太陽能電池的定量分析 22 第三章 奈米柱光感應元件備製 29 3.1 半導體奈米柱結構 (Nanorod structure) 29 3.2 奈米元件製程介紹 (Device fabrication process) 31 3.2.1 氧電漿(O2 plasma)表面改質 31 3.2.2 黃光微影製程(Photolithography Process) 34 3.2.3 電子束蒸鍍系統(E-beam evaporator) 38 3.2.4 原子層沉積系統(Atomic layer deposition, ALD) 41 3.3 電性與光學量測系統 (Electrical and optic measurement) 42 3.4 實驗步驟與架設 44 第四章 光電流量測結果與分析 46 4.1 太陽能光譜 (Solar spectrum) 46 4.2 不同EL波段元件光電伏打分析 48 4.2.1 奈米柱元件EL光譜與PL光譜分析 48 4.2.2 光電伏打(Photovoltaic)量測 50 4.2.3 光電轉換效率參數分析 – EL發光427 nm多根奈米柱元件(bundle) 55 4.2.4 熱退火處理對元件量測的影響 58 4.2.5 光電轉換效率參數分析 – EL發光480 nm單根奈米柱元件(single) 59 4.3 探討光電流損失的原因 61 4.3.1 異質結構(Heterostructure)的介面應力影響 61 4.3.2 蕭特基能障(Schottky barrier)的影響 63 4.4 光電流開關(photocurrent on-off switch)的反應時間分析 65 4.4.1 電容充、放電的時間延遲對應光電流的on-off回饋關係 66 4.4.2 光電流開關on與off的反應時間(response time)分析 67 4.4.3比較光感應量測(photodetector)在不同光電流開關頻率結果分析 70 4.4.4 不同參數下量測光電流reponse time的變化 72 4.5 奈米柱元件光感應器量測(photodetector)物理特性分析 74 4.5.1 一維奈米線光感應器量測(photodetector)文獻回顧 74 4.5.2 p-i-n奈米柱能帶特性探討反應時間(response time)結果 75 4.5.3 材料的反應時間分析 76 4.6 奈米柱對入射光極化方向的光電流變化 78 第五章 結論 81 參考文獻 83

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