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研究生: 謝秉恆
Hsieh, ping-heng
論文名稱: CuInS2 延伸式閘極離子感測場效電晶體之研究
The Study on Ionic Sensitivity of CuInS2 Thin Film for Extended Gate Field Effect Transistor
指導教授: 陳建瑞
Chen, Jiann-Ruey
口試委員: 洪茂峰
陳伯宜
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 96
中文關鍵詞: 場效電晶體生物感測CuInS2
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  • 自離子感測場效電晶體(ISFET)發明以來,在氧化物及氮化物感測膜上已有很廣泛的研究,此外,更進一步發展出延伸式閘極離子感測場效電晶體(EGFET),此結構能防止水溶液侵入電晶體閘極(Gate),並能更專注於感測薄膜的開發,也易於改變感測薄膜的形狀。而由於閘極為延伸式感測薄膜,故更需低阻抗、導電率高的薄膜。
    本論文在ITO表面上使用水熱法鍍 CuInS2硫化膜,以不同溫度退火下的薄膜作為感測薄膜應用在延伸式閘極離子感測場效電晶體,針對 pH 值、銅離子、銀離子、鉛離子,測量其對離子感應的靈敏度。
    本論文得知,500。C退火CuInS2薄膜,對各種離子靈敏度最佳,對氫離子可達56.2 mV/pH,對銅離子可達44.8 mV/pCu,對銀離子可達51.2 mV/pAg,對鉛離子可達39.7 mV/pPb,線性相關係數皆可達0.938以上。
    本論文將使用兩種不同的EGFET作業方式,分別為 N-type MOSFET-EGFET Linear Mode以及N-type MOSFET-EGFET Saturation Mode,取得其對應的靈敏度,期望能得知感測薄膜帶在VG或VT改變的影響,並藉由量測I-V的特性來推斷 CuInS2 對離子的感測靈敏度,同時也將薄膜作物理性質分析,包括XRD分析、SEM分析、EDX分析、ESCA分析。


    目錄 頁次 摘 要 7 Abstract 8 第一章 前 言 10 第二章 EGFET元件探討與實驗原理 13 2-1 離子場效電晶體 (Ion Sensitive Field Effect Transistor, ISFET) 13 2-1.1 表面鍵結模型 (Site-Binding Model) 17 2-1.2 離子晶體離子選擇模型 (Crystal membrane Ion-selective Model) 20 2-1.3 電雙層 (Electrical double layer) 21 2-2 延伸式閘極離子場效電晶體 (EGFET) 25 第三章 實驗方法 28 3-1 實驗流程圖 28 3-2 實驗設備與實驗藥品 29 3-2.1 本研究利用化學水浴法來製備薄膜,實驗所需設備如下: 29 3-2.2 實驗藥品: 30 3-2.3實驗基材: 30 3-3實驗步驟 31 3-3.1基材清洗: 31 3-3.2鍍液調配 31 3-3.3鍍液反應流程 32 3-3.4 EGFET製作 33 3-4 X-ray 繞射分析 (X-ray Diffraction, XRD) 33 3-5 掃描式電子顯微鏡 (Scanning electron microscopy, SEM) 34 3-6 能量散佈分析儀 (Energy dispersive x-ray spectroscopy, EDX/EDS) 35 3-7 化學分析電子儀 (Energy spectroscopy for chemical analysis, ESCA) 37 3-8電性量測 39 3-8.1電性量測裝置 39 3-8.2 CD4007UB電性量測時腳位接法 40 3-8.3 電性量測設定 40 3-8.4 溶液配置 41 3-8.5 電性分析 42 第四章 實驗結果與討論 43 4-1 X-ray Diffraction(XRD) 分析結果 43 4-2 Scanning electron microscopy (SEM)結果 44 4-3 Energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX or EDS)結果 48 4-4 Energy spectroscopy for chemical analysis(ESCA)結果 52 4-5 CD4007UB 電性量測結果 54 4-5.1 CD4007UB N-type MOSFET Linear Mode: 54 4-5.2CD4007UB N-type MOSFET Saturation Mode: 55 4-6 氫離子感測量測結果 56 4-6.1 未退火(without, w/o) CuInS2作為感測薄膜 56 4-6.2 退火400。C CuInS2作為感測薄膜 58 4-6.3 退火500。C CuInS2作為感測薄膜 60 4-6.4退火600。C CuInS2作為感測薄膜 62 4-7 銅離子感測量測結果 64 4-7.1 未退火(w/o) CuInS2作為感測薄膜 64 4-7.2 退火400。C CuInS2作為感測薄膜 66 4-7.3 退火500。C CuInS2作為感測薄膜 68 4-7.4 退火600。C CuInS2作為感測薄膜 70 4-8 銀離子感測量測結果 72 4-8.1 未退火(w/o) CuInS2作為感測薄膜 72 4-8.2 退火400。C CuInS2作為感測薄膜 74 4-8.3 退火500。C CuInS2作為感測薄膜 76 4-8.4 退火600。C CuInS2作為感測薄膜 78 4-9 鉛離子感測量測結果 80 4-9.1 未退火(w/o) CuInS2作為感測薄膜 80 4-9.2 退火400。C CuInS2作為感測薄膜 82 4-9.3 退火500。C CuInS2作為感測薄膜 84 4-9.34 退火600。C CuInS2作為感測薄膜 86 4-10 綜合電性分析 88 4-10.1 離子感測靈敏度比較 88 4-10.2 離子表面電位 89 第五章 結論 93 第六章 參考文獻 94   圖目錄 圖 2-1 MOSFET 示意圖 14 圖 2-2 ISFET示意圖 14 圖2-3 Site-Binding Model模型示意圖 18 圖2-4 Helmholtz Model 示意圖 22 圖2-5電容示意圖 22 圖 2-6 Gouy-Chapman- Stern Model示意圖 23 圖 2-7 EGFET示意圖 25 圖3 -1真空式燒結爐 29 圖3 -2 X-ray光發射光譜。 34 圖3-3電子束與試片作用所產生之各種訊號。 35 圖3- 4固態X光偵測器及其工作原理示意圖。 36 圖3-5 EDX分析示意圖。 36 圖3-6光電子發生原理示意圖。 37 圖3-7電性量測裝置圖 39 圖3 8 N-type MOSFET-EGFET量測腳位圖 40 圖4-1 XRD 分析結果 43 圖4-2 CuInS2在400。C下退火SEM低倍率與高倍率圖 45 圖4-3 CuInS2在500。C下退火SEM低倍率與高倍率圖 46 圖4-4 CuInS2在600。C下退火SEM低倍率與高倍率圖 47 圖4-5 CuInS2在400。C下退火EDS圖 49 圖4-6.CuInS2在500。C下退火EDS圖 50 圖4-7 CuInS2在500。C下退火EDS圖 51 圖4-8 ESCA分析結果 Cu 52 圖4-9 ESCA分析結果 In 53 圖4-10 ESCA分析結果 S 53 圖4-11 CD4007UB NMOS Linear Mode VG-ID 圖 54 圖4-12 CD4007UB NMOS Saturation Mode VDS-ID 圖 55 圖4-13 CD4007UB NMOS Saturation Mode VG-ID 圖 55 圖4-14 EGFET-CuInS2(w/o) Linear Mode Vref-ID 圖 56 圖4-15 EGFET-CuInS2(w/o) Linear Mode pH-VT 圖 56 圖4-16 EGFET-CuInS2(w/o) saturation Mode VD-ID 圖 57 圖4-17 EGFET-CuInS2(w/o) saturation Mode VG-pH 圖 57 圖4-18 EGFET-CuInS2(退火400。C) Linear Mode Vref-ID 圖 58 圖4-19 EGFET-CuInS2(退火400。C) Linear Mode pH-VT 圖 58 圖4-20 EGFET-CuInS2(退火400。C) saturation Mode VD-ID 圖 59 圖4-21 EGFET-CuInS2(退火400。C) saturation Mode VG-pH 圖 59 圖4-22 EGFET-CuInS2(退火500。C) Linear Mode Vref-ID 圖 60 圖4-23 EGFET-CuInS2(退火500。C) Linear Mode pH-VT 圖 60 圖4-24 EGFET-CuInS2(退火500。C) saturation Mode VD-ID 圖 61 圖4-25 EGFET-CuInS2(退火500。C) saturation Mode VG-pH 圖 61 圖4-26 EGFET-CuInS2(退火600。C) Linear Mode Vref-ID 圖 62 圖4-27 EGFET-CuInS2(退火600。C) Linear Mode pH-VT 圖 62 圖4-28 EGFET-CuInS2(退火600。C) saturation Mode VD-ID 圖 63 圖4-29 EGFET-CuInS2(退火600。C) saturation Mode VG-pH 圖 63 圖4-30 EGFET-CuInS2(w/o) Linear Mode Vref-ID 圖 64 圖4-31 EGFET-CuInS2(w/o) Linear Mode pCu-VT 圖 64 圖4-32 EGFET-CuInS2(w/o) saturation Mode VD-ID 圖 65 圖4-33 EGFET-CuInS2(w/o) saturation Mode VG-pCu 圖 65 圖4-34 EGFET-CuInS2(退火400。C) Linear Mode Vref-ID 圖 66 圖4-35 EGFET-CuInS2(退火400。C) Linear Mode pCu-VT 圖 66 圖4-36 EGFET-CuInS2(退火400。C) saturation Mode VD-ID 圖 67 圖4-37 EGFET-CuInS2(退火400。C) saturation Mode VG-pCu 圖 67 圖4-38 EGFET-CuInS2(退火500。C) Linear Mode Vref-ID 圖 68 圖4-39 EGFET-CuInS2(退火500。C) Linear Mode pCu-VT 圖 68 圖4-40 EGFET-CuInS2(退火500。C) saturation Mode VD-ID 圖 69 圖4-41 EGFET-CuInS2(退火500。C) saturation Mode VG-pCu 圖 69 圖4-42 EGFET-CuInS2(退火600。C) Linear Mode Vref-ID 圖 70 圖4-43 EGFET-CuInS2(退火600。C) Linear Mode pCu-VT 圖 70 圖4-44 EGFET-CuInS2(退火600。C) saturation Mode VD-ID 圖 71 圖4-45 EGFET-CuInS2(退火600。C) saturation Mode VG-pCu 圖 71 圖4-46 EGFET-CuInS2(w/o) Linear Mode Vref-ID 圖 72 圖4-47 EGFET-CuInS2(w/o) Linear Mode pAg-VT 圖 72 圖4-48 EGFET-CuInS2(w/o) saturation Mode VD-ID 圖 73 圖4-49 EGFET-CuInS2(w/o) saturation Mode VG-pAg 圖 73 圖4-50 EGFET-CuInS2(退火400。C) Linear Mode Vref-ID 圖 74 圖4-51 EGFET-CuInS2(退火400。C) Linear Mode pAg-VT 圖 74 圖4-52 EGFET-CuInS2(退火400。C) saturation Mode VD-ID 圖 75 圖4-53 EGFET-CuInS2(退火400。C) saturation Mode VG-pAg 圖 75 圖4-54 EGFET-CuInS2(退火500。C) Linear Mode Vref-ID 圖 76 圖4-55 EGFET-CuInS2(退火500。C) Linear Mode pAg-VT 圖 76 圖4-56 EGFET-CuInS2(退火500。C) saturation Mode VD-ID 圖 77 圖4-57 EGFET-CuInS2(退火500。C) saturation Mode VG-pAg 圖 77 圖4-58 EGFET-CuInS2(退火600。C) Linear Mode Vref-ID 圖 78 圖4-59 EGFET-CuInS2(退火600。C) Linear Mode pAg-VT 圖 78 圖4-60 EGFET-CuInS2(退火600。C) saturation Mode VD-ID 圖 79 圖4-61 EGFET-CuInS2(退火600。C) saturation Mode VG-pAg 圖 79 圖4-62 EGFET-CuInS2(w/o) Linear Mode Vref-ID 圖 80 圖4-63 EGFET-CuInS2(w/o) Linear Mode pPb-VT 圖 80 圖4-64 EGFET-CuInS2(w/o) saturation Mode VD-ID 圖 81 圖4-65 EGFET-CuInS2(w/o) saturation Mode VG-pPb 圖 81 圖4-66 EGFET-CuInS2(退火400。C) Linear Mode Vref-ID 圖 82 圖4-67 EGFET-CuInS2(退火400。C) Linear Mode pPb-VT 圖 82 圖4-68 EGFET-CuInS2(退火400。C) saturation Mode VD-ID 圖 83 圖4-69 EGFET-CuInS2(退火400。C) saturation Mode VG-pPb 圖 83 圖4-70 EGFET-CuInS2(退火500。C) Linear Mode Vref-ID 圖 84 圖4-71 EGFET-CuInS2(退火500。C) Linear Mode pPb-VT 圖 84 圖4-72 EGFET-CuInS2(退火500。C) saturation Mode VD-ID 圖圖 85 圖4-73 EGFET-CuInS2(退火500。C) saturation Mode VG-pPb 圖 85 圖4-74 EGFET-CuInS2(退火600。C) Linear Mode Vref-ID 圖 86 圖4-75 EGFET-CuInS2(退火600。C) Linear Mode pPb-VT 圖 86 圖4-76 EGFET-CuInS2(退火600。C) saturation Mode VD-ID 圖 87 圖4-77 EGFET-CuInS2(退火600。C) saturation Mode VG-pPb 圖 87 圖4-78表面電荷示意圖 90 表目錄 表 3-1 XPS規格與型號 38 表4- 1 Sensitivity總表 88 表4- 2不同pH值及感測薄之表面電位(Vsense) 91 表4- 3不同pCu值及感測薄之表面電位(Vsense) 91 表4- 4不同pAg值及感測薄之表面電位(Vsense) 92 表4- 5不同pPb值及感測薄之表面電位(Vsense) 92

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