zno/linbo 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw...

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樹德科技大學電腦與通訊研究所 碩士論文 ZnO/LiNbO 3 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 Light-modulated Hall effect of ZnO/LiNbO 3 surface acoustic wave devices 研究生:佘柏翰 指導教授:程達隆 博士 共同指導教授:高國陞 博士 中華民國 一○一

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Page 1: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

樹德科技大學電腦與通訊研究所

碩士論文

ZnOLiNbO3 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究

Light-modulated Hall effect of ZnOLiNbO3 surface

acoustic wave devices

研究生佘柏翰 撰

指導教授程達隆 博士

共同指導教授高國陞 博士

中華民國 一一 年 六 月

ZnOLiNbO3表面聲波元件之光調制霍爾效應研究

Light-modulated Hall effect of ZnOLiNbO3 surface acoustic wave devices

研究生佘柏翰 撰

指導教授程達隆 博士

共同指導教授高國陞 博士

樹德科技大學

電腦與通訊研究所

碩士論文

A Thesis

Submitted to

Department of Computer and Communication

Shu-Te University

In Partial Fulfillment of the Requirements

For the Degree of

Master of Science

June 2012

中華民國 一一 年 六 月

i

樹德科技大學電腦與通訊研究所

學生佘柏翰

指導教授程達隆 博士

共同指導教授高國陞 博士

ZnOLiNbO3表面聲波元件之光調制霍爾效應研究

摘要

根據前人的研究發現在製作氧化鋅表面聲波元件(Surface acoustic wave

device SAW)的考畢子振盪器(Colpitts oscillator)電路時雖然 S AW 的兩對指叉電

極在製程及幾何結構上完全相同但是其所匹配出來的振盪結果卻有明顯差異

而且 SAW 於紫外線偵測的應用實驗中亦顯示元件的不對稱性

在本論文中我們透過光調制霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO

在未照射與照射紫外光後的光電特性藉以探討SAW兩對指叉電極的各項光電特性

並解釋相關成因之所以採用光調制霍爾效應量測裝置的原因是霍爾效應量測

在半導體製程上是最常使用的電性分析方式他可以精準的測量電阻率遷移

率載子濃度及元件型態實驗設計一可調變的 365 nm 紫外光源並進行霍爾效

應的測量實驗結果發現 ZnO 在紫外光的照射下其電阻率有降低的趨勢且電性

從 n-type 轉變為 p-type

關鍵字表面聲波霍爾效應量測氧化鋅指叉電極

ii

Department of Computer and Communication Shu-Te University

StudentBo-Han She

AdvisorsDr Da-Long Cheng

Co-AdvisorsDr Kuo-Sheng Kao

Light-modulated Hall effect of ZnOLiNbO3 surface acoustic

wave devices

ABSTRACT

According to previous studies when we apply two pairs interdigital electrodes that

are identical in the manufacturing process and geometric structure to Colpitts oscillator

circuits of zinc oxide surface acoustic wave (SAW) devices the oscillation results are

significantly different Besides the SAW UV detecting experimental results also

showed the asymmetry of the devices

The optical modulation Hall effect measurement system is very common in the

field of semiconductor technology The carrier density resistivity mobility and device

types could be determined accurately by using the system In this study we used the

above system to compare the optical and electrical properties of ZnO and AZO with and

without illumination of UV light of a modulated wavelength 365 nm respectively to

explore the causes of the asymmetry The experimental results showed that the

iii

resistivity of ZnO decreased and the electrical property transformed from n-type to

p-type in the UV irradiation

KeywordSurface acoustic wave Hall effect ZnO IDTs

iv

誌謝

本論文承蒙指導教授程達隆博士的督促與指導不論是研究方向的指導或是

專業知識的傳授使我在就讀研究所的這兩年受益良多同時也感謝共同指導教

授-高國陞博士兩位老師在百忙中抽空來聆聽我上台報告並且給予我寶貴的實

驗技術與專業知識令學生受益匪淺老師在論文上辛苦的指導與修正對於學

生的關心及照顧更是盡心盡力僅此致上最高的敬意

承蒙口試委員高國陞博士與王志明博士對本論文的不吝指正並提出了許

多建議與指導讓學生在撰寫論文時明白其不足之處並加以補強使本論文更趨

於完備也感謝系上的老師們給與我課業的指導與建議

就讀研究所的這兩年感謝學長智盛博翔維哲學姊珈伊珮珊帶領我

學習新的知識與實驗技術也感謝中山大學的學長溫治孙張偉才及正修科技大

學的學長銜宏旭廷及同學秦濠教導我使用量測與實驗儀器此外也要感謝跟

我同一團隊的弘傑禾修在實驗上的互相鼓勵與督促以及學弟承翰威村彥

印在實驗室的事務上的幫忙還有中山大學的同學靜怡在實驗上的幫助因為

有大家的幫助讓我在學習過程中得到許多更專業的知識

最後我要感謝我的父母與家人讓我在就讀研究所的期間給予的幫助與支持

使我無後顧之憂的完成我的學業

v

目錄

摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipi

英文摘要 ii

誌謝 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiv

目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究動機 1

12 論文架構 2

第二章 文獻回顧 4

21 表面聲波元件 4

211 壓電效應 5

212 壓電材料 7

22 振盪器原理 7

221 振盪器基本概念與種類 8

222 考畢子振盪電路 8

23 表面聲波元件於感測器之應用 9

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制 10

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器 11

26 霍爾效應 15

第三章 實驗介紹 19

31 表面聲波元件製作 19

311 表面聲波振盪器製作 21

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量 22

321 紫外光調制系統 22

322 Case 1-Port A 之光電響應 23

323 Case 1-Port B 之光電響應 24

324 Case 2 之光電響應 25

325 Case 3 之光電響應 25

33 光調制霍爾效應量測 26

331 光調制霍爾效應量測系統架設 26

vi

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置 27

333 量測步驟 29

334 ZnOLiNbO3 元件之霍爾效應量測 31

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應 33

第四章 結果與討論 36

41 表面聲波元件光電特性分析 36

411 S 參數量測結果 36

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果 37

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 38

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 41

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 44

43 光調制霍爾效應分析與量測 46

431 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下量測結果 49

432 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測結果 53

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果 57

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果 58

第五章 結論 59

參考文獻 60

vii

圖目錄

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式

(c)SAW 傳播模式[4] 4

圖 2 正壓電效應 6

圖 3 逆壓電效應 6

圖 4 振盪器架構示意圖 8

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路 9

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12] 11

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖 13

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移 14

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化 14

圖 10 霍爾效應示意圖[26] 15

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖 20

圖 12 表面聲波振盪器架構圖 21

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖 22

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖 23

圖 15 量測模式 Case 1-Port A 24

圖 16 量測模式 Case 1-Port B 24

圖 17 量測模式 Case 2 25

圖 18 量測模式 Case 3 26

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK

PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽 27

圖 20 霍爾效應量測載具 28

圖 21 Van der Pauw 量測法 28

圖 22 鋁銲線機 30

圖 23 ZnO 銲線點短路量測 30

圖 24 霍爾效應自動量測裝置 31

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應 32

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 33

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應 34

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 35

viii

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數 37

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d)

Case 2-Port A to B without gnd 38

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 41

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 44

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 46

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測 48

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 49

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率 50

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率 50

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度 51

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 53

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率 54

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率 54

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度 55

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果 57

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果 58

ix

表目錄

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較 12

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數 19

表 3 IDTs 電極設計之參數 20

表 4 Van der Pauw 量測法 28

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光

與照射紫外光的電阻變化 41

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 44

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 46

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值 48

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 51

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 55

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 57

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 58

1

第一章 緒論

11 研究動機

表面聲波(Surface Acoustic Wave SAW)是由英國物理學家 Lord Rayleigh 在

1885 年的研究中所發現於其發表的文章中指出[1]固體的震動除了剪波與縱

波之外在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的波動稱為表面聲波但是在

Rayleigh 之後近百年內並沒有人注意到表面聲波的用途直到在西元 1965 年加州

柏克萊大學的兩位教授 White 和 Voltmer 利用指叉換能器在壓電基板-石英上激發

表面聲波[2]才正式開啟了表面聲波元件的應用由於 SAW 元件可藉由不同的電

極結構設計來產生不同的頻率響應故此後的 30 年SAW 元件被廣泛的運用在各

類通訊技術範疇的振盪器諧振器及濾波器等電路元件中

由於 SAW 對於外界環境相當敏感應用 SAW 所製作之感測器已成為感測

器元件的重要分支且表面聲波感測器提供了一個強固便宜且範圍寬廣的感測

SAW 元件的敏感度高當晶體受到擾動影響所產生的頻率漂移可達數百 KHz

以上另外由於元件的操作範圍廣(10 MHz ~ 3 GHz)體積小且製程上易與半導

體技術整合適合大量生產進而提升了 SAW 元件的實用性

過去兩年我們研究團隊深入探討 SAW 應用於紫外線之偵測結果顯示看

似製程跟結構完全對稱的指叉電極其光電特性卻有相當大的差異因此為了

瞭解看似相同的指叉電極其在紫外線下的各種特性始有本論文之產生

2

在半導體製程上為了要分析元件的特性常常使用的電性分析方式是將樣品

置於磁場中利用霍爾效應量測其霍爾電壓來判斷傳導載子的濃度電阻率與遷

移率

霍爾效應(Hall Effect)是一種磁電效應是物理學家霍爾 1879 年研究載流導體

在磁場中受力的性質時發現的霍爾效應原理是指磁場作用於金屬導體半導

體中時流動的載子產生橫向電位差的物理現象當電流通過金屬薄片時若在

垂直於電流的方向施加磁場則金屬薄片兩側面會出現橫向電壓[3]

根據霍爾效應原理人們用半導體材料製成霍爾元件它具有對磁場敏感

結構簡單體積小頻率響應寬輸出電壓變化大和使用壽命長等優點因此

在測量自動化計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用

本研究透過霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照射與照射紫

外光前後的光電特性實驗主要是在霍爾效應量測裝置上再架設一 365 nm 紫外光

LED於量測霍爾效應的同時以調變的紫外光照射至樣品個別量測在未照射紫

外光下的結果與照射紫外光下的結果結果發現 ZnO 在有無照射紫外光的差異

性其電阻率有降低的趨勢且從 N-Type 轉變為 P-TypeAZO 則是在有無照射紫

外光的條件下均呈現穩定的狀態

12 論文架構

第一章緒論研究動機研究目的

第二章文獻回顧表面聲波元件壓電效應壓電材料振盪器原理表面聲

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 2: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

ZnOLiNbO3表面聲波元件之光調制霍爾效應研究

Light-modulated Hall effect of ZnOLiNbO3 surface acoustic wave devices

研究生佘柏翰 撰

指導教授程達隆 博士

共同指導教授高國陞 博士

樹德科技大學

電腦與通訊研究所

碩士論文

A Thesis

Submitted to

Department of Computer and Communication

Shu-Te University

In Partial Fulfillment of the Requirements

For the Degree of

Master of Science

June 2012

中華民國 一一 年 六 月

i

樹德科技大學電腦與通訊研究所

學生佘柏翰

指導教授程達隆 博士

共同指導教授高國陞 博士

ZnOLiNbO3表面聲波元件之光調制霍爾效應研究

摘要

根據前人的研究發現在製作氧化鋅表面聲波元件(Surface acoustic wave

device SAW)的考畢子振盪器(Colpitts oscillator)電路時雖然 S AW 的兩對指叉電

極在製程及幾何結構上完全相同但是其所匹配出來的振盪結果卻有明顯差異

而且 SAW 於紫外線偵測的應用實驗中亦顯示元件的不對稱性

在本論文中我們透過光調制霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO

在未照射與照射紫外光後的光電特性藉以探討SAW兩對指叉電極的各項光電特性

並解釋相關成因之所以採用光調制霍爾效應量測裝置的原因是霍爾效應量測

在半導體製程上是最常使用的電性分析方式他可以精準的測量電阻率遷移

率載子濃度及元件型態實驗設計一可調變的 365 nm 紫外光源並進行霍爾效

應的測量實驗結果發現 ZnO 在紫外光的照射下其電阻率有降低的趨勢且電性

從 n-type 轉變為 p-type

關鍵字表面聲波霍爾效應量測氧化鋅指叉電極

ii

Department of Computer and Communication Shu-Te University

StudentBo-Han She

AdvisorsDr Da-Long Cheng

Co-AdvisorsDr Kuo-Sheng Kao

Light-modulated Hall effect of ZnOLiNbO3 surface acoustic

wave devices

ABSTRACT

According to previous studies when we apply two pairs interdigital electrodes that

are identical in the manufacturing process and geometric structure to Colpitts oscillator

circuits of zinc oxide surface acoustic wave (SAW) devices the oscillation results are

significantly different Besides the SAW UV detecting experimental results also

showed the asymmetry of the devices

The optical modulation Hall effect measurement system is very common in the

field of semiconductor technology The carrier density resistivity mobility and device

types could be determined accurately by using the system In this study we used the

above system to compare the optical and electrical properties of ZnO and AZO with and

without illumination of UV light of a modulated wavelength 365 nm respectively to

explore the causes of the asymmetry The experimental results showed that the

iii

resistivity of ZnO decreased and the electrical property transformed from n-type to

p-type in the UV irradiation

KeywordSurface acoustic wave Hall effect ZnO IDTs

iv

誌謝

本論文承蒙指導教授程達隆博士的督促與指導不論是研究方向的指導或是

專業知識的傳授使我在就讀研究所的這兩年受益良多同時也感謝共同指導教

授-高國陞博士兩位老師在百忙中抽空來聆聽我上台報告並且給予我寶貴的實

驗技術與專業知識令學生受益匪淺老師在論文上辛苦的指導與修正對於學

生的關心及照顧更是盡心盡力僅此致上最高的敬意

承蒙口試委員高國陞博士與王志明博士對本論文的不吝指正並提出了許

多建議與指導讓學生在撰寫論文時明白其不足之處並加以補強使本論文更趨

於完備也感謝系上的老師們給與我課業的指導與建議

就讀研究所的這兩年感謝學長智盛博翔維哲學姊珈伊珮珊帶領我

學習新的知識與實驗技術也感謝中山大學的學長溫治孙張偉才及正修科技大

學的學長銜宏旭廷及同學秦濠教導我使用量測與實驗儀器此外也要感謝跟

我同一團隊的弘傑禾修在實驗上的互相鼓勵與督促以及學弟承翰威村彥

印在實驗室的事務上的幫忙還有中山大學的同學靜怡在實驗上的幫助因為

有大家的幫助讓我在學習過程中得到許多更專業的知識

最後我要感謝我的父母與家人讓我在就讀研究所的期間給予的幫助與支持

使我無後顧之憂的完成我的學業

v

目錄

摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipi

英文摘要 ii

誌謝 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiv

目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究動機 1

12 論文架構 2

第二章 文獻回顧 4

21 表面聲波元件 4

211 壓電效應 5

212 壓電材料 7

22 振盪器原理 7

221 振盪器基本概念與種類 8

222 考畢子振盪電路 8

23 表面聲波元件於感測器之應用 9

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制 10

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器 11

26 霍爾效應 15

第三章 實驗介紹 19

31 表面聲波元件製作 19

311 表面聲波振盪器製作 21

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量 22

321 紫外光調制系統 22

322 Case 1-Port A 之光電響應 23

323 Case 1-Port B 之光電響應 24

324 Case 2 之光電響應 25

325 Case 3 之光電響應 25

33 光調制霍爾效應量測 26

331 光調制霍爾效應量測系統架設 26

vi

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置 27

333 量測步驟 29

334 ZnOLiNbO3 元件之霍爾效應量測 31

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應 33

第四章 結果與討論 36

41 表面聲波元件光電特性分析 36

411 S 參數量測結果 36

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果 37

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 38

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 41

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 44

43 光調制霍爾效應分析與量測 46

431 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下量測結果 49

432 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測結果 53

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果 57

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果 58

第五章 結論 59

參考文獻 60

vii

圖目錄

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式

(c)SAW 傳播模式[4] 4

圖 2 正壓電效應 6

圖 3 逆壓電效應 6

圖 4 振盪器架構示意圖 8

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路 9

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12] 11

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖 13

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移 14

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化 14

圖 10 霍爾效應示意圖[26] 15

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖 20

圖 12 表面聲波振盪器架構圖 21

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖 22

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖 23

圖 15 量測模式 Case 1-Port A 24

圖 16 量測模式 Case 1-Port B 24

圖 17 量測模式 Case 2 25

圖 18 量測模式 Case 3 26

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK

PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽 27

圖 20 霍爾效應量測載具 28

圖 21 Van der Pauw 量測法 28

圖 22 鋁銲線機 30

圖 23 ZnO 銲線點短路量測 30

圖 24 霍爾效應自動量測裝置 31

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應 32

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 33

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應 34

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 35

viii

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數 37

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d)

Case 2-Port A to B without gnd 38

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 41

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 44

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 46

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測 48

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 49

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率 50

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率 50

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度 51

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 53

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率 54

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率 54

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度 55

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果 57

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果 58

ix

表目錄

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較 12

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數 19

表 3 IDTs 電極設計之參數 20

表 4 Van der Pauw 量測法 28

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光

與照射紫外光的電阻變化 41

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 44

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 46

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值 48

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 51

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 55

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 57

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 58

1

第一章 緒論

11 研究動機

表面聲波(Surface Acoustic Wave SAW)是由英國物理學家 Lord Rayleigh 在

1885 年的研究中所發現於其發表的文章中指出[1]固體的震動除了剪波與縱

波之外在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的波動稱為表面聲波但是在

Rayleigh 之後近百年內並沒有人注意到表面聲波的用途直到在西元 1965 年加州

柏克萊大學的兩位教授 White 和 Voltmer 利用指叉換能器在壓電基板-石英上激發

表面聲波[2]才正式開啟了表面聲波元件的應用由於 SAW 元件可藉由不同的電

極結構設計來產生不同的頻率響應故此後的 30 年SAW 元件被廣泛的運用在各

類通訊技術範疇的振盪器諧振器及濾波器等電路元件中

由於 SAW 對於外界環境相當敏感應用 SAW 所製作之感測器已成為感測

器元件的重要分支且表面聲波感測器提供了一個強固便宜且範圍寬廣的感測

SAW 元件的敏感度高當晶體受到擾動影響所產生的頻率漂移可達數百 KHz

以上另外由於元件的操作範圍廣(10 MHz ~ 3 GHz)體積小且製程上易與半導

體技術整合適合大量生產進而提升了 SAW 元件的實用性

過去兩年我們研究團隊深入探討 SAW 應用於紫外線之偵測結果顯示看

似製程跟結構完全對稱的指叉電極其光電特性卻有相當大的差異因此為了

瞭解看似相同的指叉電極其在紫外線下的各種特性始有本論文之產生

2

在半導體製程上為了要分析元件的特性常常使用的電性分析方式是將樣品

置於磁場中利用霍爾效應量測其霍爾電壓來判斷傳導載子的濃度電阻率與遷

移率

霍爾效應(Hall Effect)是一種磁電效應是物理學家霍爾 1879 年研究載流導體

在磁場中受力的性質時發現的霍爾效應原理是指磁場作用於金屬導體半導

體中時流動的載子產生橫向電位差的物理現象當電流通過金屬薄片時若在

垂直於電流的方向施加磁場則金屬薄片兩側面會出現橫向電壓[3]

根據霍爾效應原理人們用半導體材料製成霍爾元件它具有對磁場敏感

結構簡單體積小頻率響應寬輸出電壓變化大和使用壽命長等優點因此

在測量自動化計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用

本研究透過霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照射與照射紫

外光前後的光電特性實驗主要是在霍爾效應量測裝置上再架設一 365 nm 紫外光

LED於量測霍爾效應的同時以調變的紫外光照射至樣品個別量測在未照射紫

外光下的結果與照射紫外光下的結果結果發現 ZnO 在有無照射紫外光的差異

性其電阻率有降低的趨勢且從 N-Type 轉變為 P-TypeAZO 則是在有無照射紫

外光的條件下均呈現穩定的狀態

12 論文架構

第一章緒論研究動機研究目的

第二章文獻回顧表面聲波元件壓電效應壓電材料振盪器原理表面聲

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 3: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

i

樹德科技大學電腦與通訊研究所

學生佘柏翰

指導教授程達隆 博士

共同指導教授高國陞 博士

ZnOLiNbO3表面聲波元件之光調制霍爾效應研究

摘要

根據前人的研究發現在製作氧化鋅表面聲波元件(Surface acoustic wave

device SAW)的考畢子振盪器(Colpitts oscillator)電路時雖然 S AW 的兩對指叉電

極在製程及幾何結構上完全相同但是其所匹配出來的振盪結果卻有明顯差異

而且 SAW 於紫外線偵測的應用實驗中亦顯示元件的不對稱性

在本論文中我們透過光調制霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO

在未照射與照射紫外光後的光電特性藉以探討SAW兩對指叉電極的各項光電特性

並解釋相關成因之所以採用光調制霍爾效應量測裝置的原因是霍爾效應量測

在半導體製程上是最常使用的電性分析方式他可以精準的測量電阻率遷移

率載子濃度及元件型態實驗設計一可調變的 365 nm 紫外光源並進行霍爾效

應的測量實驗結果發現 ZnO 在紫外光的照射下其電阻率有降低的趨勢且電性

從 n-type 轉變為 p-type

關鍵字表面聲波霍爾效應量測氧化鋅指叉電極

ii

Department of Computer and Communication Shu-Te University

StudentBo-Han She

AdvisorsDr Da-Long Cheng

Co-AdvisorsDr Kuo-Sheng Kao

Light-modulated Hall effect of ZnOLiNbO3 surface acoustic

wave devices

ABSTRACT

According to previous studies when we apply two pairs interdigital electrodes that

are identical in the manufacturing process and geometric structure to Colpitts oscillator

circuits of zinc oxide surface acoustic wave (SAW) devices the oscillation results are

significantly different Besides the SAW UV detecting experimental results also

showed the asymmetry of the devices

The optical modulation Hall effect measurement system is very common in the

field of semiconductor technology The carrier density resistivity mobility and device

types could be determined accurately by using the system In this study we used the

above system to compare the optical and electrical properties of ZnO and AZO with and

without illumination of UV light of a modulated wavelength 365 nm respectively to

explore the causes of the asymmetry The experimental results showed that the

iii

resistivity of ZnO decreased and the electrical property transformed from n-type to

p-type in the UV irradiation

KeywordSurface acoustic wave Hall effect ZnO IDTs

iv

誌謝

本論文承蒙指導教授程達隆博士的督促與指導不論是研究方向的指導或是

專業知識的傳授使我在就讀研究所的這兩年受益良多同時也感謝共同指導教

授-高國陞博士兩位老師在百忙中抽空來聆聽我上台報告並且給予我寶貴的實

驗技術與專業知識令學生受益匪淺老師在論文上辛苦的指導與修正對於學

生的關心及照顧更是盡心盡力僅此致上最高的敬意

承蒙口試委員高國陞博士與王志明博士對本論文的不吝指正並提出了許

多建議與指導讓學生在撰寫論文時明白其不足之處並加以補強使本論文更趨

於完備也感謝系上的老師們給與我課業的指導與建議

就讀研究所的這兩年感謝學長智盛博翔維哲學姊珈伊珮珊帶領我

學習新的知識與實驗技術也感謝中山大學的學長溫治孙張偉才及正修科技大

學的學長銜宏旭廷及同學秦濠教導我使用量測與實驗儀器此外也要感謝跟

我同一團隊的弘傑禾修在實驗上的互相鼓勵與督促以及學弟承翰威村彥

印在實驗室的事務上的幫忙還有中山大學的同學靜怡在實驗上的幫助因為

有大家的幫助讓我在學習過程中得到許多更專業的知識

最後我要感謝我的父母與家人讓我在就讀研究所的期間給予的幫助與支持

使我無後顧之憂的完成我的學業

v

目錄

摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipi

英文摘要 ii

誌謝 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiv

目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究動機 1

12 論文架構 2

第二章 文獻回顧 4

21 表面聲波元件 4

211 壓電效應 5

212 壓電材料 7

22 振盪器原理 7

221 振盪器基本概念與種類 8

222 考畢子振盪電路 8

23 表面聲波元件於感測器之應用 9

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制 10

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器 11

26 霍爾效應 15

第三章 實驗介紹 19

31 表面聲波元件製作 19

311 表面聲波振盪器製作 21

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量 22

321 紫外光調制系統 22

322 Case 1-Port A 之光電響應 23

323 Case 1-Port B 之光電響應 24

324 Case 2 之光電響應 25

325 Case 3 之光電響應 25

33 光調制霍爾效應量測 26

331 光調制霍爾效應量測系統架設 26

vi

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置 27

333 量測步驟 29

334 ZnOLiNbO3 元件之霍爾效應量測 31

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應 33

第四章 結果與討論 36

41 表面聲波元件光電特性分析 36

411 S 參數量測結果 36

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果 37

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 38

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 41

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 44

43 光調制霍爾效應分析與量測 46

431 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下量測結果 49

432 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測結果 53

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果 57

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果 58

第五章 結論 59

參考文獻 60

vii

圖目錄

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式

(c)SAW 傳播模式[4] 4

圖 2 正壓電效應 6

圖 3 逆壓電效應 6

圖 4 振盪器架構示意圖 8

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路 9

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12] 11

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖 13

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移 14

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化 14

圖 10 霍爾效應示意圖[26] 15

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖 20

圖 12 表面聲波振盪器架構圖 21

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖 22

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖 23

圖 15 量測模式 Case 1-Port A 24

圖 16 量測模式 Case 1-Port B 24

圖 17 量測模式 Case 2 25

圖 18 量測模式 Case 3 26

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK

PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽 27

圖 20 霍爾效應量測載具 28

圖 21 Van der Pauw 量測法 28

圖 22 鋁銲線機 30

圖 23 ZnO 銲線點短路量測 30

圖 24 霍爾效應自動量測裝置 31

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應 32

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 33

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應 34

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 35

viii

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數 37

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d)

Case 2-Port A to B without gnd 38

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 41

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 44

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 46

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測 48

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 49

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率 50

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率 50

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度 51

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 53

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率 54

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率 54

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度 55

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果 57

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果 58

ix

表目錄

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較 12

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數 19

表 3 IDTs 電極設計之參數 20

表 4 Van der Pauw 量測法 28

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光

與照射紫外光的電阻變化 41

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 44

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 46

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值 48

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 51

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 55

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 57

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 58

1

第一章 緒論

11 研究動機

表面聲波(Surface Acoustic Wave SAW)是由英國物理學家 Lord Rayleigh 在

1885 年的研究中所發現於其發表的文章中指出[1]固體的震動除了剪波與縱

波之外在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的波動稱為表面聲波但是在

Rayleigh 之後近百年內並沒有人注意到表面聲波的用途直到在西元 1965 年加州

柏克萊大學的兩位教授 White 和 Voltmer 利用指叉換能器在壓電基板-石英上激發

表面聲波[2]才正式開啟了表面聲波元件的應用由於 SAW 元件可藉由不同的電

極結構設計來產生不同的頻率響應故此後的 30 年SAW 元件被廣泛的運用在各

類通訊技術範疇的振盪器諧振器及濾波器等電路元件中

由於 SAW 對於外界環境相當敏感應用 SAW 所製作之感測器已成為感測

器元件的重要分支且表面聲波感測器提供了一個強固便宜且範圍寬廣的感測

SAW 元件的敏感度高當晶體受到擾動影響所產生的頻率漂移可達數百 KHz

以上另外由於元件的操作範圍廣(10 MHz ~ 3 GHz)體積小且製程上易與半導

體技術整合適合大量生產進而提升了 SAW 元件的實用性

過去兩年我們研究團隊深入探討 SAW 應用於紫外線之偵測結果顯示看

似製程跟結構完全對稱的指叉電極其光電特性卻有相當大的差異因此為了

瞭解看似相同的指叉電極其在紫外線下的各種特性始有本論文之產生

2

在半導體製程上為了要分析元件的特性常常使用的電性分析方式是將樣品

置於磁場中利用霍爾效應量測其霍爾電壓來判斷傳導載子的濃度電阻率與遷

移率

霍爾效應(Hall Effect)是一種磁電效應是物理學家霍爾 1879 年研究載流導體

在磁場中受力的性質時發現的霍爾效應原理是指磁場作用於金屬導體半導

體中時流動的載子產生橫向電位差的物理現象當電流通過金屬薄片時若在

垂直於電流的方向施加磁場則金屬薄片兩側面會出現橫向電壓[3]

根據霍爾效應原理人們用半導體材料製成霍爾元件它具有對磁場敏感

結構簡單體積小頻率響應寬輸出電壓變化大和使用壽命長等優點因此

在測量自動化計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用

本研究透過霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照射與照射紫

外光前後的光電特性實驗主要是在霍爾效應量測裝置上再架設一 365 nm 紫外光

LED於量測霍爾效應的同時以調變的紫外光照射至樣品個別量測在未照射紫

外光下的結果與照射紫外光下的結果結果發現 ZnO 在有無照射紫外光的差異

性其電阻率有降低的趨勢且從 N-Type 轉變為 P-TypeAZO 則是在有無照射紫

外光的條件下均呈現穩定的狀態

12 論文架構

第一章緒論研究動機研究目的

第二章文獻回顧表面聲波元件壓電效應壓電材料振盪器原理表面聲

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

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Page 4: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

ii

Department of Computer and Communication Shu-Te University

StudentBo-Han She

AdvisorsDr Da-Long Cheng

Co-AdvisorsDr Kuo-Sheng Kao

Light-modulated Hall effect of ZnOLiNbO3 surface acoustic

wave devices

ABSTRACT

According to previous studies when we apply two pairs interdigital electrodes that

are identical in the manufacturing process and geometric structure to Colpitts oscillator

circuits of zinc oxide surface acoustic wave (SAW) devices the oscillation results are

significantly different Besides the SAW UV detecting experimental results also

showed the asymmetry of the devices

The optical modulation Hall effect measurement system is very common in the

field of semiconductor technology The carrier density resistivity mobility and device

types could be determined accurately by using the system In this study we used the

above system to compare the optical and electrical properties of ZnO and AZO with and

without illumination of UV light of a modulated wavelength 365 nm respectively to

explore the causes of the asymmetry The experimental results showed that the

iii

resistivity of ZnO decreased and the electrical property transformed from n-type to

p-type in the UV irradiation

KeywordSurface acoustic wave Hall effect ZnO IDTs

iv

誌謝

本論文承蒙指導教授程達隆博士的督促與指導不論是研究方向的指導或是

專業知識的傳授使我在就讀研究所的這兩年受益良多同時也感謝共同指導教

授-高國陞博士兩位老師在百忙中抽空來聆聽我上台報告並且給予我寶貴的實

驗技術與專業知識令學生受益匪淺老師在論文上辛苦的指導與修正對於學

生的關心及照顧更是盡心盡力僅此致上最高的敬意

承蒙口試委員高國陞博士與王志明博士對本論文的不吝指正並提出了許

多建議與指導讓學生在撰寫論文時明白其不足之處並加以補強使本論文更趨

於完備也感謝系上的老師們給與我課業的指導與建議

就讀研究所的這兩年感謝學長智盛博翔維哲學姊珈伊珮珊帶領我

學習新的知識與實驗技術也感謝中山大學的學長溫治孙張偉才及正修科技大

學的學長銜宏旭廷及同學秦濠教導我使用量測與實驗儀器此外也要感謝跟

我同一團隊的弘傑禾修在實驗上的互相鼓勵與督促以及學弟承翰威村彥

印在實驗室的事務上的幫忙還有中山大學的同學靜怡在實驗上的幫助因為

有大家的幫助讓我在學習過程中得到許多更專業的知識

最後我要感謝我的父母與家人讓我在就讀研究所的期間給予的幫助與支持

使我無後顧之憂的完成我的學業

v

目錄

摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipi

英文摘要 ii

誌謝 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiv

目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究動機 1

12 論文架構 2

第二章 文獻回顧 4

21 表面聲波元件 4

211 壓電效應 5

212 壓電材料 7

22 振盪器原理 7

221 振盪器基本概念與種類 8

222 考畢子振盪電路 8

23 表面聲波元件於感測器之應用 9

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制 10

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器 11

26 霍爾效應 15

第三章 實驗介紹 19

31 表面聲波元件製作 19

311 表面聲波振盪器製作 21

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量 22

321 紫外光調制系統 22

322 Case 1-Port A 之光電響應 23

323 Case 1-Port B 之光電響應 24

324 Case 2 之光電響應 25

325 Case 3 之光電響應 25

33 光調制霍爾效應量測 26

331 光調制霍爾效應量測系統架設 26

vi

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置 27

333 量測步驟 29

334 ZnOLiNbO3 元件之霍爾效應量測 31

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應 33

第四章 結果與討論 36

41 表面聲波元件光電特性分析 36

411 S 參數量測結果 36

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果 37

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 38

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 41

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 44

43 光調制霍爾效應分析與量測 46

431 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下量測結果 49

432 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測結果 53

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果 57

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果 58

第五章 結論 59

參考文獻 60

vii

圖目錄

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式

(c)SAW 傳播模式[4] 4

圖 2 正壓電效應 6

圖 3 逆壓電效應 6

圖 4 振盪器架構示意圖 8

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路 9

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12] 11

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖 13

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移 14

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化 14

圖 10 霍爾效應示意圖[26] 15

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖 20

圖 12 表面聲波振盪器架構圖 21

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖 22

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖 23

圖 15 量測模式 Case 1-Port A 24

圖 16 量測模式 Case 1-Port B 24

圖 17 量測模式 Case 2 25

圖 18 量測模式 Case 3 26

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK

PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽 27

圖 20 霍爾效應量測載具 28

圖 21 Van der Pauw 量測法 28

圖 22 鋁銲線機 30

圖 23 ZnO 銲線點短路量測 30

圖 24 霍爾效應自動量測裝置 31

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應 32

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 33

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應 34

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 35

viii

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數 37

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d)

Case 2-Port A to B without gnd 38

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 41

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 44

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 46

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測 48

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 49

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率 50

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率 50

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度 51

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 53

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率 54

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率 54

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度 55

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果 57

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果 58

ix

表目錄

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較 12

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數 19

表 3 IDTs 電極設計之參數 20

表 4 Van der Pauw 量測法 28

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光

與照射紫外光的電阻變化 41

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 44

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 46

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值 48

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 51

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 55

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 57

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 58

1

第一章 緒論

11 研究動機

表面聲波(Surface Acoustic Wave SAW)是由英國物理學家 Lord Rayleigh 在

1885 年的研究中所發現於其發表的文章中指出[1]固體的震動除了剪波與縱

波之外在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的波動稱為表面聲波但是在

Rayleigh 之後近百年內並沒有人注意到表面聲波的用途直到在西元 1965 年加州

柏克萊大學的兩位教授 White 和 Voltmer 利用指叉換能器在壓電基板-石英上激發

表面聲波[2]才正式開啟了表面聲波元件的應用由於 SAW 元件可藉由不同的電

極結構設計來產生不同的頻率響應故此後的 30 年SAW 元件被廣泛的運用在各

類通訊技術範疇的振盪器諧振器及濾波器等電路元件中

由於 SAW 對於外界環境相當敏感應用 SAW 所製作之感測器已成為感測

器元件的重要分支且表面聲波感測器提供了一個強固便宜且範圍寬廣的感測

SAW 元件的敏感度高當晶體受到擾動影響所產生的頻率漂移可達數百 KHz

以上另外由於元件的操作範圍廣(10 MHz ~ 3 GHz)體積小且製程上易與半導

體技術整合適合大量生產進而提升了 SAW 元件的實用性

過去兩年我們研究團隊深入探討 SAW 應用於紫外線之偵測結果顯示看

似製程跟結構完全對稱的指叉電極其光電特性卻有相當大的差異因此為了

瞭解看似相同的指叉電極其在紫外線下的各種特性始有本論文之產生

2

在半導體製程上為了要分析元件的特性常常使用的電性分析方式是將樣品

置於磁場中利用霍爾效應量測其霍爾電壓來判斷傳導載子的濃度電阻率與遷

移率

霍爾效應(Hall Effect)是一種磁電效應是物理學家霍爾 1879 年研究載流導體

在磁場中受力的性質時發現的霍爾效應原理是指磁場作用於金屬導體半導

體中時流動的載子產生橫向電位差的物理現象當電流通過金屬薄片時若在

垂直於電流的方向施加磁場則金屬薄片兩側面會出現橫向電壓[3]

根據霍爾效應原理人們用半導體材料製成霍爾元件它具有對磁場敏感

結構簡單體積小頻率響應寬輸出電壓變化大和使用壽命長等優點因此

在測量自動化計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用

本研究透過霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照射與照射紫

外光前後的光電特性實驗主要是在霍爾效應量測裝置上再架設一 365 nm 紫外光

LED於量測霍爾效應的同時以調變的紫外光照射至樣品個別量測在未照射紫

外光下的結果與照射紫外光下的結果結果發現 ZnO 在有無照射紫外光的差異

性其電阻率有降低的趨勢且從 N-Type 轉變為 P-TypeAZO 則是在有無照射紫

外光的條件下均呈現穩定的狀態

12 論文架構

第一章緒論研究動機研究目的

第二章文獻回顧表面聲波元件壓電效應壓電材料振盪器原理表面聲

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 5: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

iii

resistivity of ZnO decreased and the electrical property transformed from n-type to

p-type in the UV irradiation

KeywordSurface acoustic wave Hall effect ZnO IDTs

iv

誌謝

本論文承蒙指導教授程達隆博士的督促與指導不論是研究方向的指導或是

專業知識的傳授使我在就讀研究所的這兩年受益良多同時也感謝共同指導教

授-高國陞博士兩位老師在百忙中抽空來聆聽我上台報告並且給予我寶貴的實

驗技術與專業知識令學生受益匪淺老師在論文上辛苦的指導與修正對於學

生的關心及照顧更是盡心盡力僅此致上最高的敬意

承蒙口試委員高國陞博士與王志明博士對本論文的不吝指正並提出了許

多建議與指導讓學生在撰寫論文時明白其不足之處並加以補強使本論文更趨

於完備也感謝系上的老師們給與我課業的指導與建議

就讀研究所的這兩年感謝學長智盛博翔維哲學姊珈伊珮珊帶領我

學習新的知識與實驗技術也感謝中山大學的學長溫治孙張偉才及正修科技大

學的學長銜宏旭廷及同學秦濠教導我使用量測與實驗儀器此外也要感謝跟

我同一團隊的弘傑禾修在實驗上的互相鼓勵與督促以及學弟承翰威村彥

印在實驗室的事務上的幫忙還有中山大學的同學靜怡在實驗上的幫助因為

有大家的幫助讓我在學習過程中得到許多更專業的知識

最後我要感謝我的父母與家人讓我在就讀研究所的期間給予的幫助與支持

使我無後顧之憂的完成我的學業

v

目錄

摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipi

英文摘要 ii

誌謝 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiv

目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究動機 1

12 論文架構 2

第二章 文獻回顧 4

21 表面聲波元件 4

211 壓電效應 5

212 壓電材料 7

22 振盪器原理 7

221 振盪器基本概念與種類 8

222 考畢子振盪電路 8

23 表面聲波元件於感測器之應用 9

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制 10

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器 11

26 霍爾效應 15

第三章 實驗介紹 19

31 表面聲波元件製作 19

311 表面聲波振盪器製作 21

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量 22

321 紫外光調制系統 22

322 Case 1-Port A 之光電響應 23

323 Case 1-Port B 之光電響應 24

324 Case 2 之光電響應 25

325 Case 3 之光電響應 25

33 光調制霍爾效應量測 26

331 光調制霍爾效應量測系統架設 26

vi

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置 27

333 量測步驟 29

334 ZnOLiNbO3 元件之霍爾效應量測 31

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應 33

第四章 結果與討論 36

41 表面聲波元件光電特性分析 36

411 S 參數量測結果 36

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果 37

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 38

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 41

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 44

43 光調制霍爾效應分析與量測 46

431 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下量測結果 49

432 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測結果 53

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果 57

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果 58

第五章 結論 59

參考文獻 60

vii

圖目錄

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式

(c)SAW 傳播模式[4] 4

圖 2 正壓電效應 6

圖 3 逆壓電效應 6

圖 4 振盪器架構示意圖 8

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路 9

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12] 11

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖 13

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移 14

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化 14

圖 10 霍爾效應示意圖[26] 15

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖 20

圖 12 表面聲波振盪器架構圖 21

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖 22

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖 23

圖 15 量測模式 Case 1-Port A 24

圖 16 量測模式 Case 1-Port B 24

圖 17 量測模式 Case 2 25

圖 18 量測模式 Case 3 26

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK

PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽 27

圖 20 霍爾效應量測載具 28

圖 21 Van der Pauw 量測法 28

圖 22 鋁銲線機 30

圖 23 ZnO 銲線點短路量測 30

圖 24 霍爾效應自動量測裝置 31

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應 32

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 33

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應 34

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 35

viii

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數 37

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d)

Case 2-Port A to B without gnd 38

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 41

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 44

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 46

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測 48

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 49

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率 50

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率 50

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度 51

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 53

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率 54

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率 54

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度 55

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果 57

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果 58

ix

表目錄

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較 12

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數 19

表 3 IDTs 電極設計之參數 20

表 4 Van der Pauw 量測法 28

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光

與照射紫外光的電阻變化 41

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 44

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 46

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值 48

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 51

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 55

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 57

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 58

1

第一章 緒論

11 研究動機

表面聲波(Surface Acoustic Wave SAW)是由英國物理學家 Lord Rayleigh 在

1885 年的研究中所發現於其發表的文章中指出[1]固體的震動除了剪波與縱

波之外在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的波動稱為表面聲波但是在

Rayleigh 之後近百年內並沒有人注意到表面聲波的用途直到在西元 1965 年加州

柏克萊大學的兩位教授 White 和 Voltmer 利用指叉換能器在壓電基板-石英上激發

表面聲波[2]才正式開啟了表面聲波元件的應用由於 SAW 元件可藉由不同的電

極結構設計來產生不同的頻率響應故此後的 30 年SAW 元件被廣泛的運用在各

類通訊技術範疇的振盪器諧振器及濾波器等電路元件中

由於 SAW 對於外界環境相當敏感應用 SAW 所製作之感測器已成為感測

器元件的重要分支且表面聲波感測器提供了一個強固便宜且範圍寬廣的感測

SAW 元件的敏感度高當晶體受到擾動影響所產生的頻率漂移可達數百 KHz

以上另外由於元件的操作範圍廣(10 MHz ~ 3 GHz)體積小且製程上易與半導

體技術整合適合大量生產進而提升了 SAW 元件的實用性

過去兩年我們研究團隊深入探討 SAW 應用於紫外線之偵測結果顯示看

似製程跟結構完全對稱的指叉電極其光電特性卻有相當大的差異因此為了

瞭解看似相同的指叉電極其在紫外線下的各種特性始有本論文之產生

2

在半導體製程上為了要分析元件的特性常常使用的電性分析方式是將樣品

置於磁場中利用霍爾效應量測其霍爾電壓來判斷傳導載子的濃度電阻率與遷

移率

霍爾效應(Hall Effect)是一種磁電效應是物理學家霍爾 1879 年研究載流導體

在磁場中受力的性質時發現的霍爾效應原理是指磁場作用於金屬導體半導

體中時流動的載子產生橫向電位差的物理現象當電流通過金屬薄片時若在

垂直於電流的方向施加磁場則金屬薄片兩側面會出現橫向電壓[3]

根據霍爾效應原理人們用半導體材料製成霍爾元件它具有對磁場敏感

結構簡單體積小頻率響應寬輸出電壓變化大和使用壽命長等優點因此

在測量自動化計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用

本研究透過霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照射與照射紫

外光前後的光電特性實驗主要是在霍爾效應量測裝置上再架設一 365 nm 紫外光

LED於量測霍爾效應的同時以調變的紫外光照射至樣品個別量測在未照射紫

外光下的結果與照射紫外光下的結果結果發現 ZnO 在有無照射紫外光的差異

性其電阻率有降低的趨勢且從 N-Type 轉變為 P-TypeAZO 則是在有無照射紫

外光的條件下均呈現穩定的狀態

12 論文架構

第一章緒論研究動機研究目的

第二章文獻回顧表面聲波元件壓電效應壓電材料振盪器原理表面聲

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 6: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

iv

誌謝

本論文承蒙指導教授程達隆博士的督促與指導不論是研究方向的指導或是

專業知識的傳授使我在就讀研究所的這兩年受益良多同時也感謝共同指導教

授-高國陞博士兩位老師在百忙中抽空來聆聽我上台報告並且給予我寶貴的實

驗技術與專業知識令學生受益匪淺老師在論文上辛苦的指導與修正對於學

生的關心及照顧更是盡心盡力僅此致上最高的敬意

承蒙口試委員高國陞博士與王志明博士對本論文的不吝指正並提出了許

多建議與指導讓學生在撰寫論文時明白其不足之處並加以補強使本論文更趨

於完備也感謝系上的老師們給與我課業的指導與建議

就讀研究所的這兩年感謝學長智盛博翔維哲學姊珈伊珮珊帶領我

學習新的知識與實驗技術也感謝中山大學的學長溫治孙張偉才及正修科技大

學的學長銜宏旭廷及同學秦濠教導我使用量測與實驗儀器此外也要感謝跟

我同一團隊的弘傑禾修在實驗上的互相鼓勵與督促以及學弟承翰威村彥

印在實驗室的事務上的幫忙還有中山大學的同學靜怡在實驗上的幫助因為

有大家的幫助讓我在學習過程中得到許多更專業的知識

最後我要感謝我的父母與家人讓我在就讀研究所的期間給予的幫助與支持

使我無後顧之憂的完成我的學業

v

目錄

摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipi

英文摘要 ii

誌謝 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiv

目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究動機 1

12 論文架構 2

第二章 文獻回顧 4

21 表面聲波元件 4

211 壓電效應 5

212 壓電材料 7

22 振盪器原理 7

221 振盪器基本概念與種類 8

222 考畢子振盪電路 8

23 表面聲波元件於感測器之應用 9

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制 10

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器 11

26 霍爾效應 15

第三章 實驗介紹 19

31 表面聲波元件製作 19

311 表面聲波振盪器製作 21

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量 22

321 紫外光調制系統 22

322 Case 1-Port A 之光電響應 23

323 Case 1-Port B 之光電響應 24

324 Case 2 之光電響應 25

325 Case 3 之光電響應 25

33 光調制霍爾效應量測 26

331 光調制霍爾效應量測系統架設 26

vi

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置 27

333 量測步驟 29

334 ZnOLiNbO3 元件之霍爾效應量測 31

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應 33

第四章 結果與討論 36

41 表面聲波元件光電特性分析 36

411 S 參數量測結果 36

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果 37

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 38

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 41

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 44

43 光調制霍爾效應分析與量測 46

431 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下量測結果 49

432 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測結果 53

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果 57

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果 58

第五章 結論 59

參考文獻 60

vii

圖目錄

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式

(c)SAW 傳播模式[4] 4

圖 2 正壓電效應 6

圖 3 逆壓電效應 6

圖 4 振盪器架構示意圖 8

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路 9

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12] 11

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖 13

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移 14

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化 14

圖 10 霍爾效應示意圖[26] 15

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖 20

圖 12 表面聲波振盪器架構圖 21

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖 22

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖 23

圖 15 量測模式 Case 1-Port A 24

圖 16 量測模式 Case 1-Port B 24

圖 17 量測模式 Case 2 25

圖 18 量測模式 Case 3 26

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK

PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽 27

圖 20 霍爾效應量測載具 28

圖 21 Van der Pauw 量測法 28

圖 22 鋁銲線機 30

圖 23 ZnO 銲線點短路量測 30

圖 24 霍爾效應自動量測裝置 31

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應 32

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 33

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應 34

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 35

viii

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數 37

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d)

Case 2-Port A to B without gnd 38

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 41

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 44

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 46

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測 48

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 49

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率 50

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率 50

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度 51

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 53

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率 54

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率 54

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度 55

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果 57

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果 58

ix

表目錄

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較 12

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數 19

表 3 IDTs 電極設計之參數 20

表 4 Van der Pauw 量測法 28

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光

與照射紫外光的電阻變化 41

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 44

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 46

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值 48

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 51

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 55

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 57

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 58

1

第一章 緒論

11 研究動機

表面聲波(Surface Acoustic Wave SAW)是由英國物理學家 Lord Rayleigh 在

1885 年的研究中所發現於其發表的文章中指出[1]固體的震動除了剪波與縱

波之外在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的波動稱為表面聲波但是在

Rayleigh 之後近百年內並沒有人注意到表面聲波的用途直到在西元 1965 年加州

柏克萊大學的兩位教授 White 和 Voltmer 利用指叉換能器在壓電基板-石英上激發

表面聲波[2]才正式開啟了表面聲波元件的應用由於 SAW 元件可藉由不同的電

極結構設計來產生不同的頻率響應故此後的 30 年SAW 元件被廣泛的運用在各

類通訊技術範疇的振盪器諧振器及濾波器等電路元件中

由於 SAW 對於外界環境相當敏感應用 SAW 所製作之感測器已成為感測

器元件的重要分支且表面聲波感測器提供了一個強固便宜且範圍寬廣的感測

SAW 元件的敏感度高當晶體受到擾動影響所產生的頻率漂移可達數百 KHz

以上另外由於元件的操作範圍廣(10 MHz ~ 3 GHz)體積小且製程上易與半導

體技術整合適合大量生產進而提升了 SAW 元件的實用性

過去兩年我們研究團隊深入探討 SAW 應用於紫外線之偵測結果顯示看

似製程跟結構完全對稱的指叉電極其光電特性卻有相當大的差異因此為了

瞭解看似相同的指叉電極其在紫外線下的各種特性始有本論文之產生

2

在半導體製程上為了要分析元件的特性常常使用的電性分析方式是將樣品

置於磁場中利用霍爾效應量測其霍爾電壓來判斷傳導載子的濃度電阻率與遷

移率

霍爾效應(Hall Effect)是一種磁電效應是物理學家霍爾 1879 年研究載流導體

在磁場中受力的性質時發現的霍爾效應原理是指磁場作用於金屬導體半導

體中時流動的載子產生橫向電位差的物理現象當電流通過金屬薄片時若在

垂直於電流的方向施加磁場則金屬薄片兩側面會出現橫向電壓[3]

根據霍爾效應原理人們用半導體材料製成霍爾元件它具有對磁場敏感

結構簡單體積小頻率響應寬輸出電壓變化大和使用壽命長等優點因此

在測量自動化計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用

本研究透過霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照射與照射紫

外光前後的光電特性實驗主要是在霍爾效應量測裝置上再架設一 365 nm 紫外光

LED於量測霍爾效應的同時以調變的紫外光照射至樣品個別量測在未照射紫

外光下的結果與照射紫外光下的結果結果發現 ZnO 在有無照射紫外光的差異

性其電阻率有降低的趨勢且從 N-Type 轉變為 P-TypeAZO 則是在有無照射紫

外光的條件下均呈現穩定的狀態

12 論文架構

第一章緒論研究動機研究目的

第二章文獻回顧表面聲波元件壓電效應壓電材料振盪器原理表面聲

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 7: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

v

目錄

摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipi

英文摘要 ii

誌謝 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiv

目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究動機 1

12 論文架構 2

第二章 文獻回顧 4

21 表面聲波元件 4

211 壓電效應 5

212 壓電材料 7

22 振盪器原理 7

221 振盪器基本概念與種類 8

222 考畢子振盪電路 8

23 表面聲波元件於感測器之應用 9

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制 10

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器 11

26 霍爾效應 15

第三章 實驗介紹 19

31 表面聲波元件製作 19

311 表面聲波振盪器製作 21

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量 22

321 紫外光調制系統 22

322 Case 1-Port A 之光電響應 23

323 Case 1-Port B 之光電響應 24

324 Case 2 之光電響應 25

325 Case 3 之光電響應 25

33 光調制霍爾效應量測 26

331 光調制霍爾效應量測系統架設 26

vi

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置 27

333 量測步驟 29

334 ZnOLiNbO3 元件之霍爾效應量測 31

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應 33

第四章 結果與討論 36

41 表面聲波元件光電特性分析 36

411 S 參數量測結果 36

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果 37

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 38

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 41

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 44

43 光調制霍爾效應分析與量測 46

431 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下量測結果 49

432 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測結果 53

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果 57

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果 58

第五章 結論 59

參考文獻 60

vii

圖目錄

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式

(c)SAW 傳播模式[4] 4

圖 2 正壓電效應 6

圖 3 逆壓電效應 6

圖 4 振盪器架構示意圖 8

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路 9

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12] 11

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖 13

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移 14

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化 14

圖 10 霍爾效應示意圖[26] 15

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖 20

圖 12 表面聲波振盪器架構圖 21

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖 22

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖 23

圖 15 量測模式 Case 1-Port A 24

圖 16 量測模式 Case 1-Port B 24

圖 17 量測模式 Case 2 25

圖 18 量測模式 Case 3 26

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK

PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽 27

圖 20 霍爾效應量測載具 28

圖 21 Van der Pauw 量測法 28

圖 22 鋁銲線機 30

圖 23 ZnO 銲線點短路量測 30

圖 24 霍爾效應自動量測裝置 31

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應 32

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 33

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應 34

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 35

viii

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數 37

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d)

Case 2-Port A to B without gnd 38

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 41

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 44

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 46

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測 48

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 49

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率 50

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率 50

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度 51

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 53

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率 54

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率 54

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度 55

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果 57

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果 58

ix

表目錄

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較 12

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數 19

表 3 IDTs 電極設計之參數 20

表 4 Van der Pauw 量測法 28

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光

與照射紫外光的電阻變化 41

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 44

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 46

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值 48

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 51

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 55

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 57

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 58

1

第一章 緒論

11 研究動機

表面聲波(Surface Acoustic Wave SAW)是由英國物理學家 Lord Rayleigh 在

1885 年的研究中所發現於其發表的文章中指出[1]固體的震動除了剪波與縱

波之外在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的波動稱為表面聲波但是在

Rayleigh 之後近百年內並沒有人注意到表面聲波的用途直到在西元 1965 年加州

柏克萊大學的兩位教授 White 和 Voltmer 利用指叉換能器在壓電基板-石英上激發

表面聲波[2]才正式開啟了表面聲波元件的應用由於 SAW 元件可藉由不同的電

極結構設計來產生不同的頻率響應故此後的 30 年SAW 元件被廣泛的運用在各

類通訊技術範疇的振盪器諧振器及濾波器等電路元件中

由於 SAW 對於外界環境相當敏感應用 SAW 所製作之感測器已成為感測

器元件的重要分支且表面聲波感測器提供了一個強固便宜且範圍寬廣的感測

SAW 元件的敏感度高當晶體受到擾動影響所產生的頻率漂移可達數百 KHz

以上另外由於元件的操作範圍廣(10 MHz ~ 3 GHz)體積小且製程上易與半導

體技術整合適合大量生產進而提升了 SAW 元件的實用性

過去兩年我們研究團隊深入探討 SAW 應用於紫外線之偵測結果顯示看

似製程跟結構完全對稱的指叉電極其光電特性卻有相當大的差異因此為了

瞭解看似相同的指叉電極其在紫外線下的各種特性始有本論文之產生

2

在半導體製程上為了要分析元件的特性常常使用的電性分析方式是將樣品

置於磁場中利用霍爾效應量測其霍爾電壓來判斷傳導載子的濃度電阻率與遷

移率

霍爾效應(Hall Effect)是一種磁電效應是物理學家霍爾 1879 年研究載流導體

在磁場中受力的性質時發現的霍爾效應原理是指磁場作用於金屬導體半導

體中時流動的載子產生橫向電位差的物理現象當電流通過金屬薄片時若在

垂直於電流的方向施加磁場則金屬薄片兩側面會出現橫向電壓[3]

根據霍爾效應原理人們用半導體材料製成霍爾元件它具有對磁場敏感

結構簡單體積小頻率響應寬輸出電壓變化大和使用壽命長等優點因此

在測量自動化計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用

本研究透過霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照射與照射紫

外光前後的光電特性實驗主要是在霍爾效應量測裝置上再架設一 365 nm 紫外光

LED於量測霍爾效應的同時以調變的紫外光照射至樣品個別量測在未照射紫

外光下的結果與照射紫外光下的結果結果發現 ZnO 在有無照射紫外光的差異

性其電阻率有降低的趨勢且從 N-Type 轉變為 P-TypeAZO 則是在有無照射紫

外光的條件下均呈現穩定的狀態

12 論文架構

第一章緒論研究動機研究目的

第二章文獻回顧表面聲波元件壓電效應壓電材料振盪器原理表面聲

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 8: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

vi

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置 27

333 量測步驟 29

334 ZnOLiNbO3 元件之霍爾效應量測 31

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應 33

第四章 結果與討論 36

41 表面聲波元件光電特性分析 36

411 S 參數量測結果 36

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果 37

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 38

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 41

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果 44

43 光調制霍爾效應分析與量測 46

431 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下量測結果 49

432 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測結果 53

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果 57

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果 58

第五章 結論 59

參考文獻 60

vii

圖目錄

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式

(c)SAW 傳播模式[4] 4

圖 2 正壓電效應 6

圖 3 逆壓電效應 6

圖 4 振盪器架構示意圖 8

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路 9

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12] 11

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖 13

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移 14

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化 14

圖 10 霍爾效應示意圖[26] 15

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖 20

圖 12 表面聲波振盪器架構圖 21

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖 22

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖 23

圖 15 量測模式 Case 1-Port A 24

圖 16 量測模式 Case 1-Port B 24

圖 17 量測模式 Case 2 25

圖 18 量測模式 Case 3 26

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK

PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽 27

圖 20 霍爾效應量測載具 28

圖 21 Van der Pauw 量測法 28

圖 22 鋁銲線機 30

圖 23 ZnO 銲線點短路量測 30

圖 24 霍爾效應自動量測裝置 31

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應 32

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 33

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應 34

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 35

viii

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數 37

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d)

Case 2-Port A to B without gnd 38

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 41

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 44

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 46

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測 48

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 49

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率 50

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率 50

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度 51

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 53

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率 54

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率 54

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度 55

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果 57

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果 58

ix

表目錄

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較 12

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數 19

表 3 IDTs 電極設計之參數 20

表 4 Van der Pauw 量測法 28

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光

與照射紫外光的電阻變化 41

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 44

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 46

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值 48

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 51

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 55

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 57

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 58

1

第一章 緒論

11 研究動機

表面聲波(Surface Acoustic Wave SAW)是由英國物理學家 Lord Rayleigh 在

1885 年的研究中所發現於其發表的文章中指出[1]固體的震動除了剪波與縱

波之外在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的波動稱為表面聲波但是在

Rayleigh 之後近百年內並沒有人注意到表面聲波的用途直到在西元 1965 年加州

柏克萊大學的兩位教授 White 和 Voltmer 利用指叉換能器在壓電基板-石英上激發

表面聲波[2]才正式開啟了表面聲波元件的應用由於 SAW 元件可藉由不同的電

極結構設計來產生不同的頻率響應故此後的 30 年SAW 元件被廣泛的運用在各

類通訊技術範疇的振盪器諧振器及濾波器等電路元件中

由於 SAW 對於外界環境相當敏感應用 SAW 所製作之感測器已成為感測

器元件的重要分支且表面聲波感測器提供了一個強固便宜且範圍寬廣的感測

SAW 元件的敏感度高當晶體受到擾動影響所產生的頻率漂移可達數百 KHz

以上另外由於元件的操作範圍廣(10 MHz ~ 3 GHz)體積小且製程上易與半導

體技術整合適合大量生產進而提升了 SAW 元件的實用性

過去兩年我們研究團隊深入探討 SAW 應用於紫外線之偵測結果顯示看

似製程跟結構完全對稱的指叉電極其光電特性卻有相當大的差異因此為了

瞭解看似相同的指叉電極其在紫外線下的各種特性始有本論文之產生

2

在半導體製程上為了要分析元件的特性常常使用的電性分析方式是將樣品

置於磁場中利用霍爾效應量測其霍爾電壓來判斷傳導載子的濃度電阻率與遷

移率

霍爾效應(Hall Effect)是一種磁電效應是物理學家霍爾 1879 年研究載流導體

在磁場中受力的性質時發現的霍爾效應原理是指磁場作用於金屬導體半導

體中時流動的載子產生橫向電位差的物理現象當電流通過金屬薄片時若在

垂直於電流的方向施加磁場則金屬薄片兩側面會出現橫向電壓[3]

根據霍爾效應原理人們用半導體材料製成霍爾元件它具有對磁場敏感

結構簡單體積小頻率響應寬輸出電壓變化大和使用壽命長等優點因此

在測量自動化計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用

本研究透過霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照射與照射紫

外光前後的光電特性實驗主要是在霍爾效應量測裝置上再架設一 365 nm 紫外光

LED於量測霍爾效應的同時以調變的紫外光照射至樣品個別量測在未照射紫

外光下的結果與照射紫外光下的結果結果發現 ZnO 在有無照射紫外光的差異

性其電阻率有降低的趨勢且從 N-Type 轉變為 P-TypeAZO 則是在有無照射紫

外光的條件下均呈現穩定的狀態

12 論文架構

第一章緒論研究動機研究目的

第二章文獻回顧表面聲波元件壓電效應壓電材料振盪器原理表面聲

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 9: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

vii

圖目錄

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式

(c)SAW 傳播模式[4] 4

圖 2 正壓電效應 6

圖 3 逆壓電效應 6

圖 4 振盪器架構示意圖 8

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路 9

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12] 11

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖 13

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移 14

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化 14

圖 10 霍爾效應示意圖[26] 15

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖 20

圖 12 表面聲波振盪器架構圖 21

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖 22

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖 23

圖 15 量測模式 Case 1-Port A 24

圖 16 量測模式 Case 1-Port B 24

圖 17 量測模式 Case 2 25

圖 18 量測模式 Case 3 26

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK

PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽 27

圖 20 霍爾效應量測載具 28

圖 21 Van der Pauw 量測法 28

圖 22 鋁銲線機 30

圖 23 ZnO 銲線點短路量測 30

圖 24 霍爾效應自動量測裝置 31

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應 32

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 33

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應 34

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應 35

viii

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數 37

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d)

Case 2-Port A to B without gnd 38

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 41

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 44

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 46

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測 48

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 49

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率 50

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率 50

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度 51

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 53

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率 54

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率 54

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度 55

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果 57

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果 58

ix

表目錄

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較 12

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數 19

表 3 IDTs 電極設計之參數 20

表 4 Van der Pauw 量測法 28

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光

與照射紫外光的電阻變化 41

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 44

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 46

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值 48

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 51

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 55

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 57

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 58

1

第一章 緒論

11 研究動機

表面聲波(Surface Acoustic Wave SAW)是由英國物理學家 Lord Rayleigh 在

1885 年的研究中所發現於其發表的文章中指出[1]固體的震動除了剪波與縱

波之外在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的波動稱為表面聲波但是在

Rayleigh 之後近百年內並沒有人注意到表面聲波的用途直到在西元 1965 年加州

柏克萊大學的兩位教授 White 和 Voltmer 利用指叉換能器在壓電基板-石英上激發

表面聲波[2]才正式開啟了表面聲波元件的應用由於 SAW 元件可藉由不同的電

極結構設計來產生不同的頻率響應故此後的 30 年SAW 元件被廣泛的運用在各

類通訊技術範疇的振盪器諧振器及濾波器等電路元件中

由於 SAW 對於外界環境相當敏感應用 SAW 所製作之感測器已成為感測

器元件的重要分支且表面聲波感測器提供了一個強固便宜且範圍寬廣的感測

SAW 元件的敏感度高當晶體受到擾動影響所產生的頻率漂移可達數百 KHz

以上另外由於元件的操作範圍廣(10 MHz ~ 3 GHz)體積小且製程上易與半導

體技術整合適合大量生產進而提升了 SAW 元件的實用性

過去兩年我們研究團隊深入探討 SAW 應用於紫外線之偵測結果顯示看

似製程跟結構完全對稱的指叉電極其光電特性卻有相當大的差異因此為了

瞭解看似相同的指叉電極其在紫外線下的各種特性始有本論文之產生

2

在半導體製程上為了要分析元件的特性常常使用的電性分析方式是將樣品

置於磁場中利用霍爾效應量測其霍爾電壓來判斷傳導載子的濃度電阻率與遷

移率

霍爾效應(Hall Effect)是一種磁電效應是物理學家霍爾 1879 年研究載流導體

在磁場中受力的性質時發現的霍爾效應原理是指磁場作用於金屬導體半導

體中時流動的載子產生橫向電位差的物理現象當電流通過金屬薄片時若在

垂直於電流的方向施加磁場則金屬薄片兩側面會出現橫向電壓[3]

根據霍爾效應原理人們用半導體材料製成霍爾元件它具有對磁場敏感

結構簡單體積小頻率響應寬輸出電壓變化大和使用壽命長等優點因此

在測量自動化計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用

本研究透過霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照射與照射紫

外光前後的光電特性實驗主要是在霍爾效應量測裝置上再架設一 365 nm 紫外光

LED於量測霍爾效應的同時以調變的紫外光照射至樣品個別量測在未照射紫

外光下的結果與照射紫外光下的結果結果發現 ZnO 在有無照射紫外光的差異

性其電阻率有降低的趨勢且從 N-Type 轉變為 P-TypeAZO 則是在有無照射紫

外光的條件下均呈現穩定的狀態

12 論文架構

第一章緒論研究動機研究目的

第二章文獻回顧表面聲波元件壓電效應壓電材料振盪器原理表面聲

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 10: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

viii

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數 37

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d)

Case 2-Port A to B without gnd 38

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 39

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 40

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外

光的 I-V 曲線圖 41

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 42

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 43

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 44

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 45

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖 46

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測 48

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 49

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率 50

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率 50

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度 51

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 53

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率 54

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率 54

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度 55

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果 57

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果 58

ix

表目錄

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較 12

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數 19

表 3 IDTs 電極設計之參數 20

表 4 Van der Pauw 量測法 28

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光

與照射紫外光的電阻變化 41

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 44

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 46

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值 48

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 51

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 55

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 57

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 58

1

第一章 緒論

11 研究動機

表面聲波(Surface Acoustic Wave SAW)是由英國物理學家 Lord Rayleigh 在

1885 年的研究中所發現於其發表的文章中指出[1]固體的震動除了剪波與縱

波之外在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的波動稱為表面聲波但是在

Rayleigh 之後近百年內並沒有人注意到表面聲波的用途直到在西元 1965 年加州

柏克萊大學的兩位教授 White 和 Voltmer 利用指叉換能器在壓電基板-石英上激發

表面聲波[2]才正式開啟了表面聲波元件的應用由於 SAW 元件可藉由不同的電

極結構設計來產生不同的頻率響應故此後的 30 年SAW 元件被廣泛的運用在各

類通訊技術範疇的振盪器諧振器及濾波器等電路元件中

由於 SAW 對於外界環境相當敏感應用 SAW 所製作之感測器已成為感測

器元件的重要分支且表面聲波感測器提供了一個強固便宜且範圍寬廣的感測

SAW 元件的敏感度高當晶體受到擾動影響所產生的頻率漂移可達數百 KHz

以上另外由於元件的操作範圍廣(10 MHz ~ 3 GHz)體積小且製程上易與半導

體技術整合適合大量生產進而提升了 SAW 元件的實用性

過去兩年我們研究團隊深入探討 SAW 應用於紫外線之偵測結果顯示看

似製程跟結構完全對稱的指叉電極其光電特性卻有相當大的差異因此為了

瞭解看似相同的指叉電極其在紫外線下的各種特性始有本論文之產生

2

在半導體製程上為了要分析元件的特性常常使用的電性分析方式是將樣品

置於磁場中利用霍爾效應量測其霍爾電壓來判斷傳導載子的濃度電阻率與遷

移率

霍爾效應(Hall Effect)是一種磁電效應是物理學家霍爾 1879 年研究載流導體

在磁場中受力的性質時發現的霍爾效應原理是指磁場作用於金屬導體半導

體中時流動的載子產生橫向電位差的物理現象當電流通過金屬薄片時若在

垂直於電流的方向施加磁場則金屬薄片兩側面會出現橫向電壓[3]

根據霍爾效應原理人們用半導體材料製成霍爾元件它具有對磁場敏感

結構簡單體積小頻率響應寬輸出電壓變化大和使用壽命長等優點因此

在測量自動化計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用

本研究透過霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照射與照射紫

外光前後的光電特性實驗主要是在霍爾效應量測裝置上再架設一 365 nm 紫外光

LED於量測霍爾效應的同時以調變的紫外光照射至樣品個別量測在未照射紫

外光下的結果與照射紫外光下的結果結果發現 ZnO 在有無照射紫外光的差異

性其電阻率有降低的趨勢且從 N-Type 轉變為 P-TypeAZO 則是在有無照射紫

外光的條件下均呈現穩定的狀態

12 論文架構

第一章緒論研究動機研究目的

第二章文獻回顧表面聲波元件壓電效應壓電材料振盪器原理表面聲

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 11: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

ix

表目錄

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較 12

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數 19

表 3 IDTs 電極設計之參數 20

表 4 Van der Pauw 量測法 28

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光

與照射紫外光的電阻變化 41

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 44

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻變

化 46

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值 48

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果 51

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果 55

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 57

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度 58

1

第一章 緒論

11 研究動機

表面聲波(Surface Acoustic Wave SAW)是由英國物理學家 Lord Rayleigh 在

1885 年的研究中所發現於其發表的文章中指出[1]固體的震動除了剪波與縱

波之外在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的波動稱為表面聲波但是在

Rayleigh 之後近百年內並沒有人注意到表面聲波的用途直到在西元 1965 年加州

柏克萊大學的兩位教授 White 和 Voltmer 利用指叉換能器在壓電基板-石英上激發

表面聲波[2]才正式開啟了表面聲波元件的應用由於 SAW 元件可藉由不同的電

極結構設計來產生不同的頻率響應故此後的 30 年SAW 元件被廣泛的運用在各

類通訊技術範疇的振盪器諧振器及濾波器等電路元件中

由於 SAW 對於外界環境相當敏感應用 SAW 所製作之感測器已成為感測

器元件的重要分支且表面聲波感測器提供了一個強固便宜且範圍寬廣的感測

SAW 元件的敏感度高當晶體受到擾動影響所產生的頻率漂移可達數百 KHz

以上另外由於元件的操作範圍廣(10 MHz ~ 3 GHz)體積小且製程上易與半導

體技術整合適合大量生產進而提升了 SAW 元件的實用性

過去兩年我們研究團隊深入探討 SAW 應用於紫外線之偵測結果顯示看

似製程跟結構完全對稱的指叉電極其光電特性卻有相當大的差異因此為了

瞭解看似相同的指叉電極其在紫外線下的各種特性始有本論文之產生

2

在半導體製程上為了要分析元件的特性常常使用的電性分析方式是將樣品

置於磁場中利用霍爾效應量測其霍爾電壓來判斷傳導載子的濃度電阻率與遷

移率

霍爾效應(Hall Effect)是一種磁電效應是物理學家霍爾 1879 年研究載流導體

在磁場中受力的性質時發現的霍爾效應原理是指磁場作用於金屬導體半導

體中時流動的載子產生橫向電位差的物理現象當電流通過金屬薄片時若在

垂直於電流的方向施加磁場則金屬薄片兩側面會出現橫向電壓[3]

根據霍爾效應原理人們用半導體材料製成霍爾元件它具有對磁場敏感

結構簡單體積小頻率響應寬輸出電壓變化大和使用壽命長等優點因此

在測量自動化計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用

本研究透過霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照射與照射紫

外光前後的光電特性實驗主要是在霍爾效應量測裝置上再架設一 365 nm 紫外光

LED於量測霍爾效應的同時以調變的紫外光照射至樣品個別量測在未照射紫

外光下的結果與照射紫外光下的結果結果發現 ZnO 在有無照射紫外光的差異

性其電阻率有降低的趨勢且從 N-Type 轉變為 P-TypeAZO 則是在有無照射紫

外光的條件下均呈現穩定的狀態

12 論文架構

第一章緒論研究動機研究目的

第二章文獻回顧表面聲波元件壓電效應壓電材料振盪器原理表面聲

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 12: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

1

第一章 緒論

11 研究動機

表面聲波(Surface Acoustic Wave SAW)是由英國物理學家 Lord Rayleigh 在

1885 年的研究中所發現於其發表的文章中指出[1]固體的震動除了剪波與縱

波之外在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的波動稱為表面聲波但是在

Rayleigh 之後近百年內並沒有人注意到表面聲波的用途直到在西元 1965 年加州

柏克萊大學的兩位教授 White 和 Voltmer 利用指叉換能器在壓電基板-石英上激發

表面聲波[2]才正式開啟了表面聲波元件的應用由於 SAW 元件可藉由不同的電

極結構設計來產生不同的頻率響應故此後的 30 年SAW 元件被廣泛的運用在各

類通訊技術範疇的振盪器諧振器及濾波器等電路元件中

由於 SAW 對於外界環境相當敏感應用 SAW 所製作之感測器已成為感測

器元件的重要分支且表面聲波感測器提供了一個強固便宜且範圍寬廣的感測

SAW 元件的敏感度高當晶體受到擾動影響所產生的頻率漂移可達數百 KHz

以上另外由於元件的操作範圍廣(10 MHz ~ 3 GHz)體積小且製程上易與半導

體技術整合適合大量生產進而提升了 SAW 元件的實用性

過去兩年我們研究團隊深入探討 SAW 應用於紫外線之偵測結果顯示看

似製程跟結構完全對稱的指叉電極其光電特性卻有相當大的差異因此為了

瞭解看似相同的指叉電極其在紫外線下的各種特性始有本論文之產生

2

在半導體製程上為了要分析元件的特性常常使用的電性分析方式是將樣品

置於磁場中利用霍爾效應量測其霍爾電壓來判斷傳導載子的濃度電阻率與遷

移率

霍爾效應(Hall Effect)是一種磁電效應是物理學家霍爾 1879 年研究載流導體

在磁場中受力的性質時發現的霍爾效應原理是指磁場作用於金屬導體半導

體中時流動的載子產生橫向電位差的物理現象當電流通過金屬薄片時若在

垂直於電流的方向施加磁場則金屬薄片兩側面會出現橫向電壓[3]

根據霍爾效應原理人們用半導體材料製成霍爾元件它具有對磁場敏感

結構簡單體積小頻率響應寬輸出電壓變化大和使用壽命長等優點因此

在測量自動化計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用

本研究透過霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照射與照射紫

外光前後的光電特性實驗主要是在霍爾效應量測裝置上再架設一 365 nm 紫外光

LED於量測霍爾效應的同時以調變的紫外光照射至樣品個別量測在未照射紫

外光下的結果與照射紫外光下的結果結果發現 ZnO 在有無照射紫外光的差異

性其電阻率有降低的趨勢且從 N-Type 轉變為 P-TypeAZO 則是在有無照射紫

外光的條件下均呈現穩定的狀態

12 論文架構

第一章緒論研究動機研究目的

第二章文獻回顧表面聲波元件壓電效應壓電材料振盪器原理表面聲

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 13: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

2

在半導體製程上為了要分析元件的特性常常使用的電性分析方式是將樣品

置於磁場中利用霍爾效應量測其霍爾電壓來判斷傳導載子的濃度電阻率與遷

移率

霍爾效應(Hall Effect)是一種磁電效應是物理學家霍爾 1879 年研究載流導體

在磁場中受力的性質時發現的霍爾效應原理是指磁場作用於金屬導體半導

體中時流動的載子產生橫向電位差的物理現象當電流通過金屬薄片時若在

垂直於電流的方向施加磁場則金屬薄片兩側面會出現橫向電壓[3]

根據霍爾效應原理人們用半導體材料製成霍爾元件它具有對磁場敏感

結構簡單體積小頻率響應寬輸出電壓變化大和使用壽命長等優點因此

在測量自動化計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用

本研究透過霍爾效應量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照射與照射紫

外光前後的光電特性實驗主要是在霍爾效應量測裝置上再架設一 365 nm 紫外光

LED於量測霍爾效應的同時以調變的紫外光照射至樣品個別量測在未照射紫

外光下的結果與照射紫外光下的結果結果發現 ZnO 在有無照射紫外光的差異

性其電阻率有降低的趨勢且從 N-Type 轉變為 P-TypeAZO 則是在有無照射紫

外光的條件下均呈現穩定的狀態

12 論文架構

第一章緒論研究動機研究目的

第二章文獻回顧表面聲波元件壓電效應壓電材料振盪器原理表面聲

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 14: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

3

波元件於感測之應用ZnO 薄膜光電響應與衰減機制以 ZnOSi 層製作

高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器霍爾效應

第三章實驗介紹表面聲波元件製作表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

光調制霍爾效應量測

第四章結果與討論表面聲波元件光電特性分析表面聲波元件在有無照射

紫外光之 I-V 曲線量測結果光調制霍爾效應分析與量測 ZnOLiNbO3

AZO 薄膜元件

第五章結論

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 15: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

4

第二章 文獻回顧

21 表面聲波元件

表面聲波是一種於固體表面傳遞的彈性波如圖 1 所示它是由剪波與縱波

所組合而成的橢圓形軌跡它所傳波的機械能百分之九十都集中在一個波長的深

度且振幅隨深度呈指數衰減[4]

表面聲波元件的基本工作原理是利用輸入指叉電極 (Input Interdigital

transducers)經由逆壓電效應輸入訊號轉換成聲波訊號聲波訊號再經由壓電基板之

延遲區傳遞至輸出指叉電極(Output Interdigital transducers)輸出的指叉電極經由

正壓電效應將聲波訊號轉換成電訊號

圖 1 表面聲波(Surface Acoustic Wave)(a)縱波傳播模式(b)剪波傳播模式(c)SAW 傳播模式[4]

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 16: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

5

211 壓電效應

利用機電能量互相轉換所產生的壓電現象是西元 1880 年由居里兄弟(Pierre

Curie) 及 (Jacques Curie)所發現物質因機械形變所產生的電極化現象被 W G

Hankel 命名為壓電性壓電性的作用包括了兩種效應分別為正壓電效應和逆壓

電效應正壓電效應是使物體產生電荷或電壓輸出這是因機械應力或應變作用

所致逆壓電效應則由電能輸入物體使之產生機械能或應變的作用由於能產生

壓電性的物體其電荷與應變互為因果關係在晶體結構上就必頇存在一種可受

外力作用而產生電荷移動的帶電體此帶電體就稱之為電偶極矩由於晶體內部

之陽離子和陰離子存在某一特殊的排列方式而產生電偶極距隨著不同材料的晶

格系統各有不同的電偶極矩產生然而晶格系統必頇存在於不對稱中心因為

少了對稱中心陽離子和陰離子無法產生中和的特性才會導致電偶極矩的存在

[5][6][7][8]所以只要物體的晶格結構有可受外力而移動的電偶極矩就能產生機

械能與電能互相轉換的現象

壓電效應包含了正壓電效應以及逆壓電效應兩種其基本的工作現象分別如

下所述

(A) 正壓電效應

在壓電材料上施加一物理壓力時材料內部之電偶極距因壓縮而變短此時

壓電材料會抵抗此電偶極距縮短之變化而在材料兩端產一個與應力大小成比例

的電荷或電壓以保持平衡當所施加應力方向相反時電荷或電壓極性會隨之

互換如圖 2 所示

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 17: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

6

力的作用方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

圖 2 正壓電效應

(B) 逆壓電效應

當壓電材料兩端施加電壓材料內部因電場的作用下電偶極矩被拉長壓電

材料會隨電場強弱變化且沿電場方向延伸變長當電場方向相反時材料的變

形方向也隨之改變[9]如圖 3 所示

形變方向

壓電材料

壓電材料

壓電材料

V V V

_+

+ _

圖 3 逆壓電效應

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 18: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

7

212 壓電材料

壓電效應被發現後雖然有許多研究學者依其原理進行研究分析可是直到

西元 1917 年間由 A Langevin 以鋼材及石英組合而成的三明治結構型換能器才

開始將壓電材料實現實用化壓電材料的種類有很多種分別歸類為單晶(Single

crystal)類如石英鈮酸鋰(Lithium niobate LiNbO3)鉭酸鋰(Lithium tantalite

LiTaO3)單晶材料具有穩定的元件特性需要經由特殊之拉晶技術方可成長可

藉由不同的切割面獲取特定的性質惟其成本較高薄膜(Thin film)類如氧化

鋅(Zinc oxide ZnO)氮化鋁(Aluminum nitride AlN)高分子聚合物(Polymer)

類如 PVDF高分子聚合物類的壓電材料其壓電效應屬最弱而且需要極高之外

加電場加以極化電子陶瓷(Ceramic)類如鈦酸鋇鋯鈦酸鉛(Lead zirconate

titanate PZT)陶瓷類的基材則面臨到無法與 IC 製程相容的需求

22 振盪器原理

振盪器在無任何輸入訊號下就能產生波形的輸出如正弦波或者是方波訊

號振盪器是由帶通濾波器與放大器所組成的迴路(Loop)主要是將雜訊中的諧振

頻率反覆地放大來達到所需要的振盪而帶通濾波器可以設計出我們所需要的頻

率範圍產生振盪

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 19: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

8

221 振盪器基本概念與種類

振盪器主要是由三個基本單元所組成分別為共振網路主動元件與輸出負

載如圖 4 所示訊號的頻率是由共振網路設計而成其中主動元件構成放大電

路用來放大訊號增益最後由振盪器輸出訊號給負載一般振盪器可分成三類 RC

型振盪器韋恩電橋型相移型LC 型振盪器考畢子(Colpitts)振盪器哈特萊

(Hartley)振盪器克萊普(Clapp)振盪器晶體振動子振盪器皮爾斯(pierce)B-E 振

盪器皮爾斯(pierce)C-E 振盪器

諧振電路 主動元件 輸出負載

圖 4 振盪器架構示意圖

222 考畢子振盪電路

為了將 SAW 應用於紫外光偵測上我們以考畢子振盪電路與表面聲波元件經

匹配後組裝成表面聲波振盪器圖 5 為考畢子振盪器之交流等效電路其中在電

晶體放大器的基極和集極之間連接一個並聯的 LC 諧振電路一部分的電壓經由

C1 和 C2 所組成的分壓器回授到基極其中 R 代表電晶體的負載電阻輸出電阻

以及電容和電感上的等效電阻的總和[10]若工作頻率不是很高則可以忽略電晶

體內部的極間電容理想中振盪頻率將會符合下式

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 20: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

9

)(2

1

21

21

0

CC

CCL

f

(Hz) (2-3)

考慮考畢子振盪器的振盪條件考畢子振盪器的迴授因數(Feedback facter β)

為 C 1 C 2電晶體放大器的電壓增益(Voltage gain A)為 gmR由巴克豪森準則可得

知當開始振盪時迴路增益至少為 1 式(2)所以振盪條件為

2

1

C

CRgm (2-4)

R C1

C2

L

Output

圖 5 考畢子振盪器交流等效電路

23 表面聲波元件於感測器之應用

近年來由於工業發展迅速對於臭氧層的破壞也逐年增加且過度曝曬於紫

外線之下會導致人體皮膚老化且發生病變人們便開始重視紫外線偵測的發展

現今已經發展出許多方法來做為紫外線的檢測例如利用光導響應金屬半導體

的蕭特基能障(Schottky effect)[11]以及表面聲波振盪器的頻率響應等技術表面聲

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 21: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

10

波感測器的輸出訊號可為射頻訊號其訊號可以直接處理這使得以表面聲波元

件製作之感測器受到廣泛的應用本研究係使用氧化鋅(ZnO)薄膜來做為紫外光的

感測氧化鋅為一種六方晶系之纖維礦型的結構因具有 33 eV 的寬能隙使之

有可見光穿透紫外光吸收的基本光學特性應用範圍有表面聲波元件氣體偵

測發光二極體透明導電膜UV 雷射以及紫外光感測器

24 ZnO 薄膜光電響應與衰減機制

Ying Lang Hong Gao等人在 2011年實驗中提出ZnO在照射紫外光的實驗下

所產生的光電響應以及衰變機制其紫外線感測器的製備是使用為化學氣相沉積

法成長 ZnO 奈米線其 ZnO 奈米線在未照光的條件下電阻值是 17 Ω-cm在照

射紫外光的條件下是 02 Ω-cm[12]在關閉紫外光照射後載子有三階段的衰變

過程

圖 6 為光響應機制圖 6a 為在室溫環境下氧氣和蒸發的水分子會吸附在 ZnO

奈米線的表面上並得到一個 n-type ZnO的自由電子形成一個低電導率的空乏區

奈米線感測器在照射紫外光時其電流會快速增加是因為光子能量高於 ZnO 的能

隙[hv rarr e- + h

+][13][14][15]圖 6b 顯示局部電場使電子電洞對可以在奈米線上分

離所以電子電洞對的複合率大量降低使載子壽命增加隨後電洞會遷移至薄膜

表面而在一段時間後電子電洞對會達到一平衡狀態圖 6c 說明導帶中未成對的

電子電洞的複合過程會使電導率降低當紫外線燈關閉後因為電子電洞的複

合ZnO 奈米線表面上再次吸附氧氣和水分子

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 22: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

11

圖 6 ZnO 奈米線(a)未照射紫外光(b)照射紫外光(c)紫外光照射後[12]

25 高靈敏度紫外光偵測器之表面聲波振盪器

為了觀察 SAW 在照射紫外光後所產生的光電效應對表面聲波的影響 Ciplys

等人在基板為 GaN 的 SAW 上照射紫外光其振盪頻率在 22134 MHz不同的光

功率顯示了不同了頻移範圍其分別在紫外光在 265 nm 其頻移為 05 kHzμW在

305 nm 頻移為 018 kHzμW在 375 nm 頻移為 003 kHzμWSharma 等人以

ZnOLiNbO3 雙層結構的 SAW 在紫外光強度 40 mWcm2 照射下有 170 kHz 的頻率

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 23: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

12

飄移羅特等人提出了在室溫下組成的 GaAsLiNbO3 多層混和結構並以量化計

算模型來解釋他們的實驗結果Kumar 等人報導基於氧化鋅之表面聲波紫外線傳

感器在紫外光強度為 19 mWcm2 的條件下有 45 kHz 的頻移和插入損耗為 11 dB

此外C L Wei 等人探討表面聲波振盪器在 Sezawa 模式下的光電效應使用

IDTZnOSi 多層結構的表面聲波感測器實驗顯示此種結構表現出極高的靈敏度

[17][18]

上述研究說明了 SAW 和光生載子所產生的相互作用其文獻比較整理於表

1

表 1 表面聲波元件之紫外光感測器文獻比較

文獻

元件結構

諧振模式

靈敏度

感測層 基板 頻率飄移(kHz) 紫外光強度(μWcm2)

[19] GaN Sapphire Rayleigh 60 NA

[20] ZnO LiNbO3 Rayleigh 170 40000

[21] ZnO LiNbO3 Rayleigh 28 34

[22] GaAs LiNbO3 Rayleigh NA NA

[23] AlGaN Sapphire Rayleigh 003 1

[24] ZnO Quartz Rayleigh 45 19000

[16] ZnO Si Sezawa 1017 551

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 24: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

13

實驗室之前的研究結合高頻放大器製作高靈敏度的表面聲波振盪感測器並

於表面聲波壓電層上成長氧化鋅薄膜當做紫外光感測層此表面聲波振盪器的輸

出功率為-114 dBm相位雜訊在 100 kHz 為-947 dBc當紫外光照射於表面聲波

振盪器上振盪器產生頻移光強度上升會使頻移變化增加在紫外光強度為 551

μWcm2 照射下頻率飄移為 1017 kHz而這個感測元件的最大靈敏度為 812 ppm

(μWcm2)[16]

圖 7(a)是以ZnOSi薄膜匹配一高頻放大振盪電路所完成的表面聲波振盪器

薄膜以射頻磁控濺鍍系統製備沉積 C 軸優選方向的氧化鋅薄膜並應用舉離法

於氧化鋅薄膜平面上製作出指叉電極形成紫外光感測器圖 7(b)為表面聲波

振盪器實體圖其中綠色方框內為表面聲波元件紅色框內為射頻放大電路與振

盪電路

圖 7 (a)表面聲波元件電路振盪圖(b)表面聲波元件實體圖

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 25: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

14

圖 8 為表面聲波元件在不同紫外光照射的位置下呈現了不同的頻移所使用

的光源為 385 nm 紫外光其掃描路徑是由上往下掃描在越接近指叉電極的地方

所呈現的頻移越大而在指叉電極中心點有一個最大的頻移 700 kHz

圖 8 表面聲波振盪器的不同照射位置與頻移

圖 9 為不同功率之紫外光照射於表面聲波振盪器之表面元件時所產生的頻率

變化量紫外光強度與表面聲波振盪器的頻移變化呈線性關係[22]結果顯示光

功率在 10μWcm2 左右可以輕易的被偵測出來綜合來說此表面聲波振盪器之

輸出頻率有不錯的功率強度在相位雜訊上也有相當的純度與穩定度不過產

生價帶至導帶的光電流是有限的當紫外光強度達到飽和狀態光生載子不會因

紫外光照射下無限的增加因而出現了圖 9 中的 region2

圖 9 表面聲波振盪器在不同紫外光強度照射下的頻率變化

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 26: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

15

26 霍爾效應

霍爾效應是在西元 1879 年由 Edwin H Hall 所發現Edwin H Hall 在做有關外

加磁場之下導體中電流傳輸的受力作用性質研究時發現導體上與電流正交方向

上可以量測到電壓

霍爾效應是建立在勞倫茲力(Lorentz force)的物理基礎上當電子在一外加磁

場的方向移動會受到一垂直力的作用此垂直力與磁場的大小有關假設在一

長方形半導體(如圖 10)其多數載子為電子載子密度為 n假設電流(I)往+x 軸

方向移動磁場(B)往+z 軸方向此電流(I)由左往右方向流經+x 軸方向電子則遭

受往-y 軸方向的力電荷累積在樣品-y 側邊樣品兩邊則形成電位差此時電壓

視為霍爾電壓(VH) [25]

I

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

V

VHe-

vBW

t l

x

yz

圖 10 霍爾效應示意圖[26]

16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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16

傳導電子(e-)受磁力作用而往(-y)方向累積所受磁力大小為

(2-5)

電子(e-)並不會無限的向(-y)方向堆積因此導體在(-y)方向因電子的堆積產生

較低的電位進而產生一個(-y)方向的電場此電場對傳導電子(e-)產生(+y)方向的

拉力

(2-6)

當磁場( )與電場( )作用力平衡時導體中的傳導電子(e-)不再向(-y)方向堆

積感應的電場也不再增加此時(+y)方向不會有靜電流產生

(2-7)

又移動速率 v 為

(2-8)

(J 為電流密度A 為導體截面積=wtn 為載子濃度)

當平衡時所量得霍爾電壓 VH

(2-9)

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 28: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

17

將式(4)與(5)帶入式(3)求得

RH霍爾常數

(2-10)

(2-11)

(2-12)

又電阻 R 為

電阻率

(2-13)

(2-14)

反之導體內的傳導載子為電洞其漂移方向為(+x)傳導電洞因受磁力作用

電洞將向(-y)方向堆積電洞並不會無限向(-y)方向堆積因為導體在(-y)方向因電

洞的堆積產生較高的電位進而產生一個(+y)方向的電場此電場對傳導電洞產生

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 29: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

18

導體+y 方向的拉力[26]因此利用所量得霍爾電壓的正負值得以判斷導體中載

子的極性並可利用(7)(9)及(10)求得載子濃度電阻率及遷移率

a載子濃度(Carrier density)

在分析半導體元件的電學特性時必頇知道材料中的載子濃度一般摻雜濃

度即為多數載子的濃度因為在摻雜材料中多數載子的濃度一般是較容易得知

且每一摻雜雜質提供了一個多數載子

b電阻率(Resistivity)

在單位長度單位截面下某一物質的電阻稱為電阻率(Resistivity)其倒數為

電導率電阻率與導體的長度橫截面積無關是導體材料本身的電學性質由

材料本身決定常見的導體主要為金屬其電阻率較低自然界中最佳的導體為

銀其不易導電的的物質較高的電阻率稱為絕緣體如玻璃橡膠陶瓷等而

介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體如矽鍺砷化鎵等

3遷移率(Mobility)

在半導體上施加一磁場或電場所產生的電流必頇知道半導體中載子的濃度

然而載子與晶格及雜質的碰撞等散射機制會造成載子傳輸的阻礙這些機制會影

響電子與電洞是否順利流經晶體即為晶體中的載子遷移率

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 30: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

19

第三章 實驗介紹

31 表面聲波元件製作

本實驗利用 Y-cut 128deg LiNbO3 做為基板是因為它具有良好的壓電性質及機電

耦合係數為了要構成紫外光吸收之結構我們使用反應性射頻磁控濺鍍機以

不同沉積時間濺鍍 ZnO 薄膜在 LiNbO3 基板上其製程參數呈現於表 2薄膜沉積

後再以黃光微影製程與舉離法在 ZnOLiNbO3 結構上製作出指叉電極如圖 11

其參數呈現於表 3接著使用紫外光光調制霍爾效應量測裝置來量測其光學特

表 2 反應性射頻磁控濺鍍之參數

真空抽氣系統 油迴轉幫浦+擴散幫浦

基本真空鍍 低於 3times10-5

Torr

濺鍍系統

Planar Magnetron Cathode RF 1000

Plasma Generator Rate Power 1 kW

(1356 MHz)

ZnO 靶材 直徑二英吋厚 14 英吋

靶材與基板間距 50 mm

氬氣流量 19 sccm

氧氣流量 56 sccm

濺鍍壓力 25 mTorr

射頻功率 120 W

基座溫度 RT

沉積時間 1 hr2 hr3 hr4 hr

20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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20

L

W

λ d

ZnO

Al

LiNbO3

ZnO

(a)

(b)

圖 11 (a)表面聲波元件結構圖(b)指叉電極結構圖

表 3 IDTs 電極設計之參數

元件型式(共振延遲線) 延遲線

單雙指叉 單

λ(μm) 32

輸入對數 30

輸出對數 30

IDT 最近距離(μm) 320

IDT 中心距離(μm) 1280

指叉長度(μm) 2816

指叉重疊長度(μm) 2752

指叉鋁電極厚度(Aring ) 1200~1600

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 32: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

21

311 表面聲波振盪器製作

表面聲波元件之 S 參數是利用網路分析儀(型號為 N5230A)所量測再將其 S

參數匯入 Ansoft Designer 高頻電路設計軟體進行振盪電路之設計與模擬表面聲

波振盪器的組成是由表面聲波元件和一高增益放大器與匹配網路所組合而成放

大器與表面聲波元件之間阻抗匹配的主要功能是為了阻抗轉換目的是減少訊號

的反射與損失完成電路模擬後使用鋁線磅線機(新美化 SPB-U668)將元件銲線

至 SAW 之鋁電極上圖 12 為表面聲波元件以及表面聲波振盪器之振盪電路示意

Al

ZnO

LiNbO3LiNbO3

ZnO

Match

Network

Match

Network

RF AmpSignal

Output

圖 12 表面聲波振盪器架構圖

表面聲波振盪器的振盪頻率的量測是透過頻譜分析儀 ROHDEampSCHWARZ

FSL3 進行主要量測振盪頻率與相位雜訊以分析振盪器的工作頻率訊號

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 33: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

22

32 表面聲波元件於紫外光照射之電性測量

為了將表面聲波元件應用於紫外線感測首先使用反應性射頻磁控濺鍍系

統來製作 ZnO 薄膜並完成 ZnOLiNbO3 之表面聲波元件將元件固定至 50 Ω

CPW 微帶線量測平台並利用新美化 SPB-U668 鋁線銲線機連接至量測平台上

隨後以 Agilent N5230A PNA-L 網路分析儀進行 S 參數之量測與分析

321 紫外光調制系統

圖 13 說明 SAW 在紫外光照射下所覆蓋的範圍實驗所使用的紫外線光源波

長為 365 nm 如圖 14功率為 1050 μWcm2每個元件及量測方式均先量測未照

射紫外光時之 I-V 曲線然後再以紫外光照射來量測 I-V 曲線元件在照射紫外光

後均等待 10 分鐘待薄膜上之光生載子回復平衡狀態再進行下一次量測

LiNbO3

ZnO

Al

ZnO

LiNbO3

Cu

SMA

Current

Controller

UV Light

365 nm

PCB

Port A

Port B

圖 13 SAW 照射紫外光量測示意圖

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 34: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

23

圖 14 UV LED 365 nm 光譜圖

322 Case 1-Port A 之光電響應

為了要瞭解每對指叉電極的對稱性與電阻特性我們量測元件 1~5 在無照射

紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線以觀察指叉電極在相同製程條件下的差異性

圖 15 為 Case 1-Port A 量測 Port A 的指叉電極之光電特性其中Case 的編號是

因為實驗量測有四種接法但圖 15 與圖 16 實際上為對稱接法所以歸類為同

一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port BCase

2Case 3

圖 15 為 Case 1-Port A 量測模式將 Port B 之銲接線去除單獨量測 Port A 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 35: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

24

A

V

Port A

圖 15 量測模式 Case 1-Port A

323 Case 1-Port B 之光電響應

圖 16 為 Case 1-Port B 量測模式將 Port A 之銲接線去除單獨量測 Port B 指

叉電極的元件量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

Case 1-Port B 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

Port B

圖 16 量測模式 Case 1-Port B

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 36: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

25

324 Case 2 之光電響應

圖 17 為 Case 2 量測模式Port A 與 Port B 分別銲接至量測載具上共地銲接

進行量測量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察 Case

2 指叉電極在相同製程條件下的差異性與電阻特性

A

V

圖 17 量測模式 Case 2

325 Case 3 之光電響應

圖 18 為 Case 3 量測模式Port A 與 Port B 皆銲接至載具上兩對指叉電極的

接地一併移除量測元件 1~5 在無照射紫外光與有照射紫外光下的 I-V 曲線觀察

延遲區之電阻特性

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 37: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

26

A

V

圖 18 量測模式 Case 3

33 光調制霍爾效應量測

此裝置是結合霍爾效應量測裝置與紫外光調制裝置首先利用一顆永久性的

強力磁鐵產生磁場穩定的提供 170 mT 的均勻磁場在距離磁場的上方 65 cm 設

置了一個固定紫外光 LED 的插槽以穩定紫外光並均勻地的照射於待測物上待

測物在無照射紫外光與無照射紫外光狀況下量測霍爾效應藉此觀察薄膜在紫外

光的影響下其電阻率載子濃度遷移率以及 np type 的變化情形

331 光調制霍爾效應量測系統架設

本光調制霍爾量測系統是將一自製之霍爾效應量測系統槽進行改良成為可

以進行光調制之霍爾效應量測槽其利用一顆強力磁鐵與配置 365 nm 紫外光 LED

完成霍爾量測系統槽再搭配霍爾效應自動切換裝置量以達到改變切換量測的方

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 38: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

27

圖 19 為光調制霍爾效應量測系統其中包括了Keithley 2400 數位電表

INSTEK PST-3202 電源供應器霍爾效應自動切換量測裝置量測載具光調制

霍爾效應系統量測槽等儀器所組成

圖 19 光調制霍爾效應量測系統(a)KEITHLEY 2400 數位電表(b)INSTEK PST-3202 電源供應器(c)霍爾效應自動切換量測裝置(d)量測載具(e)

光調制霍爾效應系統量測槽

332 霍爾效應量測載具與自動切換裝置

圖 20 為本實驗所使用的量測載具載具上紅色方塊區域為待測區大小為 1

cm2待測區旁有較大銅箔區供銲線連結使用圖 21 為 Van der Pauw 量測法此

量測法因不被待測物形狀大小所限制待測物只要符合銲線點於待測物四周接

觸點小薄膜均勻即可Van der Pauw 量測法需改變量測腳位(表 4)經由霍爾效

應量測裝置的自動切換系統來做腳位切換的量測就可以取得 RARBRCRD

的數據計算電阻率遷移率載子濃度材料類型等各項參數[27][28][29]

28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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28

圖 20 霍爾效應量測載具

1 2

34

I

V

RA=R1234=V43I12

1 2

34

IV

RB=R2314=V14I23

1 2

34

I

V

RC=R4213P=V13I42

1 2

34

RD=R4213N=V13I42

I

VB B

B B

圖 21 Van der Pauw 量測法

圖 21 為本實驗所採用霍爾效應量測系統的 Van der Pauw 量測法其量測方式

是改變量測腳位其量測方法有三種如表 4 所示

表 4 Van der Pauw 量測法

V+ V- I+ I-

RA 4 3 1 2

RB 1 4 2 3

RCD 1 3 4 2

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 40: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

29

333 量測步驟

1 清洗量測載具使用銅油將銅箔表面上的氧化銅去除再使用酒精將表面

殘留的銅油擦拭乾淨

2 固定元件將元件以雙面膠固定至待測區再以鋁銲線機如圖 22 將鋁線

從銅箔銲至元件四端如鋁線無法銲至銅箔就重新回到 1 清洗量測載具

3 短路測試元件固定至待測區及銲完鋁線後必頇確定薄膜與元件是否導通

以三用電表做短路測試如未通過短路測試需回至 2 固定元件重新銲鋁

線如果要量測大電阻薄膜如 ZnO就必頇以高精度數位電表(Keithley

2400)進行如圖 23 所示之各組銲點的 I-V 特性量測

4 以 Keithley 2400 高精密數位電表搭配霍爾效應自動量測裝置(圖 24)進行

四點量測(Van der Pauw 量測法)如圖 21以取得 RARBRCRD四種不

同參數的數值獲得數據後再以線性回歸計算出 RARBRCRD的電

阻數值帶入霍爾效應計算介面算出電阻率遷移率載子濃度

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 41: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

30

圖 22 鋁銲線機

4 1

23

I

V

4 1

23

I

V

1 1

23

4 1

23

I

V

I

V

4 1

23

4 1

23

I

VI

V

4

量測點1 - 2

量測點1 - 3

量測點1 - 4

量測點2 - 3

量測點2 - 4

量測點3 - 4

圖 23 ZnO 銲線點短路量測

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 42: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

31

圖 24 霍爾效應自動量測裝置

334 ZnOLiNbO3元件之霍爾效應量測

圖 25 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 43: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

32

圖 25 ZnOLiNbO3 元件在無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 26 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 ZnOLiNbO3 之

元件霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置

進行控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的

條件下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線

性迴歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 44: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

33

圖 26 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

335 AZO 薄膜在有無照射紫外光下量測霍爾效應

圖 27 以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的條件下量測 AZO 元件之

霍爾效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行

控制並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件

下量測並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴

歸將計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 45: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

34

圖 27 AZO 元件在未照射紫外光下量測霍爾效應

圖 28 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下量測 AZO 元件霍爾

效應分別量測 RARBRCRDRARB 的量測是使用自動切換裝置進行控制

並在不外加磁場的條件下量測而 RCRD是在一穩定磁場 170 mT 的條件下量測

並以改變磁場方向進行量測量測完將 RARBRCRD 的數值取線性迴歸將

計算線性回歸後之數值帶入計算電阻率載子濃度遷移率等

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 46: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

35

圖 28 AZO 元件在照射紫外光下量測霍爾效應

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 47: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

36

第四章 結果與討論

41 表面聲波元件光電特性分析

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件的 S 參數其中任一樣品

其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響應但強度均有很大的差異性此點

顯示指叉電極的電阻性應有相當大的差異ZnO 薄膜有寬能隙(32 eV)的特性且

具有可見光穿透及紫外光吸收的光學特性在 I-V 量測上一併探討光生載子對電阻

的影響

411 S 參數量測結果

圖 29 為 ZnO 薄膜沈積 1 小時至 4 小時的 SAW 元件 S 參數ZnO 薄膜沈積 1

小時至 4 小時的元件分別是元件 1~5其中元件 5 與元件 3 是在同一沉積時間與蝕

刻條件下完成的樣品其中任一樣品其 S11 與 S22 在頻率軸上具有相同的頻率響

應但強度均有很大的差異性可以明顯觀察到元件 1~4隨著沉積時間的增加

其頻率逐漸往較低頻移動這是因為 ZnO 的波速比 LiNbO3 波速低而隨著 ZnO

的厚度增加導致元件整體波速降低表面聲波中心頻率則會降低而元件 5 可

以發現雖然與元件 3 在同一製程條件下完成製作但其頻率與強度有明顯的差

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 48: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

37

圖 29 量測 ZnO 沉積 1 小時至 4 小時之 S 參數

42 表面聲波元件在照射紫外光下之 I-V 曲線量測結果

為了瞭解其電阻特性實驗以圖 30 的方式進行測量實驗量測有四種接法

如圖 30 (a)(b)(c)(d)所示但圖 30 與圖 30 實際上為對稱接法所以歸類為

同一種量測為便於說明我們將這三種量測標示為 Case 1-Port ACase 1-Port B

Case 2Case 3

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 49: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

38

A

V

A

V

A

V

A

V

(a) (b)

(c) (d)

Port A Port B

圖 30 量測模式分別為(a)Case 1-Port A (b) Case 1-Port B (c) Case 2-Port A to B (d) Case 2-Port A to B without gnd

421 Case 1 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 31 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以明顯看出元件 1 的電阻變化顯示 365 nm 紫外

線可於 ZnO 薄膜上產生大量的光生載子並引起電阻值變化Port A 有照射與無

照射紫外光的電阻值分別為 71 MΩ39 MΩPort B 有照射與無照射紫外光的

電阻值分別為 54 MΩ13 MΩ

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 50: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

39

圖 31 元件 1 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 32 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 2 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 71 K

Ω45 KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 84 KΩ48 KΩ

圖 32 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 33 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 3 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下顯示出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達 10

倍Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ233 KΩPort B 有照

射與無照射紫外光的電阻值分別為 25 MΩ493 KΩ

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 51: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

40

圖 33 元件 3 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 34 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 4 的實驗結果在有無照射

紫外光的情況下電阻變化不大這是因為元件 4 本身電阻值很低此時光生載

子造成的等效電阻影響太小所以在量測上看不出明顯變化藉由前述實驗

我們可得知紫外線照射所引起的導電性可以並聯電阻視之

圖 34 元件 4 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 35 為 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 5 的實驗結果在無照射紫

外光與照射紫外光的條件下可以看出 Port A 或 Port B 的指叉電極其電阻差異達

12 倍元件 3 與元件 5 都顯示了一個超過 10 倍的電阻差異這顯示製程雖一樣

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 52: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

41

但電阻對稱性不高這是因為元件在同一製程下會因鍍膜或蝕刻不平均造成指

叉電極的不對稱[30]Port A 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 109 KΩ69

KΩPort B 有照射與無照射紫外光的電阻值分別為 23 MΩ186 KΩ元件 1~5

在量測後所得數據顯示於表 5其中元件 3 跟元件 5 在有無照射紫外光的情況

下顯示了一個 10 倍以上的差異而元件 5 更高達 12 倍[31]

圖 35 元件 2 在模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 5 量測模式 Case 1-Port A 與 Case 1-Port B 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外

光與照射紫外光的電阻變化

Without UV With UV

Port A Port B Port A Port B

元件 1 71 MΩ 54 MΩ 39 MΩ 13 MΩ

元件 2 71 KΩ 84 KΩ 45 KΩ 48 KΩ

元件 3 23 MΩ 25 MΩ 233 KΩ 493 KΩ

元件 4 64 Ω 63 Ω 64 Ω 63 Ω

元件 5 109 KΩ 23 MΩ 69 KΩ 186 KΩ

422 Case 2 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 36~圖 40 說明在 Case 2 量測元件下I-V 曲線所呈現出的電阻性變化主要

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 53: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

42

由兩指叉電極決定因此在照射紫外光前後電阻值變化明顯顯見在 Case 2 模式

下 Port A 與 Port B 都具備單一指叉電極的特性此時兩電極以串聯方式呈現電阻

性在與紫外光之光阻並聯所以電阻值有達到 GΩ如表 6量測元件 4 也是呈現

短路其電阻值有稍微的增加與圖 34 元件四所呈現結果相同

圖 36 元件 1 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 37 元件 2 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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Page 54: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

43

圖 38 元件 3 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 39 元件 4 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 40 元件 5 在模式 Case 2 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

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Page 55: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

44

表 6 量測模式 Case 2 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 17 GΩ 46 MΩ

元件 2 584 KΩ 209 KΩ

元件 3 81 MΩ 12 MΩ

元件 4 128 Ω 128 Ω

元件 5 19 MΩ 199 KΩ

423 Case 3 照射紫外光之 I-V 曲線量測結果

圖 41~圖 45 顯示在 Case 3 量測下元件 1元件 2元件 3元件 4元件 5

在照射 UV 光的前後呈現很明顯的差異且電阻值皆在 MΩ以上如表 7此時元

件之電阻由 ZnO 延遲區主導因此電阻值偏高至於在紫外線感測方面電阻變

化幅度高達 242 倍可見光生載子在此種結構下幾乎主宰了元件的導電性此種

特性恰可為一優秀的紫外線感測元件

圖 41 元件 1 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 56: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

45

圖 42 元件 2 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 43 元件 3 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

圖 44 元件 4 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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2007

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技大學電腦與通訊系碩士論文2009

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Rev 76 1886 1949

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61

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and decay mechanism of an individual ZnO nanowire UV sensorrdquo Sensors and

Actuators A 174 (2012) 43ndash46

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D Wang ldquoZnO nanowire UV photodetectors with high internal gainrdquo Nano Lett 7

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ldquoSolution-processed ultraviolet photodetectors based on colloidal ZnO

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ultraviolet radiation detectionrdquo Sens Actuators A 150 (2009) 184ndash187

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properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

Technology Symposium 204-207 (2012)

Page 57: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

46

圖 45 元件 5 在模式 Case 3 量測無照射紫外光與照射紫外光的 I-V 曲線圖

表 7 量測模式 Case 3 量測元件 1~元件 5 在無照射紫外光與照射紫外光的電阻

變化

Without UV With UV

元件 1 117 GΩ 32 GΩ

元件 2 954 MΩ 54 MΩ

元件 3 33 GΩ 31 MΩ

元件 4 24 GΩ 17 GΩ

元件 5 29 GΩ 12 MΩ

43 光調制霍爾效應分析與量測

從 41 的三種量測模式得知元件的電阻由 ZnO 延遲區主導我們依循第三

章說明的量測方法量測在量測 ZnOLiNbO3 元件之前必頇確定鋁線是否銲至 ZnO

薄膜上因其電阻值極大所以我們以大電壓小電流來量測 I-V 並計算其電阻值分別

是圖 46電阻值呈現於表 8從量測結果得知電阻至值範圍在 1 GΩ~10 GΩ不

同量測點的電阻有很大的差異這可能是因為薄膜的不平均所造成的結果光調

制霍爾效應量測是利用 Van Der Pauw 量測法因其量測沒有幾何形狀限制樣品

只要符合量測接觸點位於樣品周圍接觸點小薄膜均勻即可依循 333 的量測

47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

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47

方法以光調制霍爾效應量測系統量測待測物並探討其光電特性

4 1

23

I

V

量測點1 - 2

4 1

23

IV

量測點1 - 3

4 1

23

I

V

量測點1 - 4

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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Page 59: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

48

1 1

23

I

V4

量測點2 - 3

4 1

23

I

V

量測點2 - 4

4 1

23

I

V

量測點3 - 4

圖 46 ZnO 銲線點 I-V 量測

表 8 ZnO 量測 I-V 電阻值

量測位置 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4

電阻 1 GΩ 85 GΩ 1 GΩ 63 GΩ 15 GΩ 10 GΩ

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

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00

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10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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nanoparticlesrdquo Nano Lett 8 (2008) 1649ndash1653

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ultraviolet radiation detectionrdquo Sens Actuators A 150 (2009) 184ndash187

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properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

Technology Symposium 204-207 (2012)

Page 60: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

49

431 ZnOLiNbO3元件在未照射紫外光下量測結果

此實驗所量測的 ZnOLiNbO3 元件是以固定沉積溫度 100 濺鍍壓力 26

mTorr所製作而成再以光調制霍爾效應量測裝置探討電阻率遷移率及載子濃度

並與 AZO 薄膜進行比較圖 47 為以光調制霍爾效應量測裝置在未照射紫外光的

條件下經霍爾計算介面所計算之結果在多次量測結果顯示型態為 n-type 與

ZnO 特性符合

圖 47 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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and decay mechanism of an individual ZnO nanowire UV sensorrdquo Sensors and

Actuators A 174 (2012) 43ndash46

[13] C Soci A Zhang B Xiang SA Dayeh DPR Aplin J Park XY Bao YH Lo

D Wang ldquoZnO nanowire UV photodetectors with high internal gainrdquo Nano Lett 7

(2007) 1003ndash1009

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ldquoSolution-processed ultraviolet photodetectors based on colloidal ZnO

nanoparticlesrdquo Nano Lett 8 (2008) 1649ndash1653

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ultraviolet radiation detectionrdquo Sens Actuators A 150 (2009) 184ndash187

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ldquoHighly sensitive ultraviolet detector using a ZnOSi layered SAW oscillatorrdquo Thin

Solid Films 518 pp 3059-3062 2010 (SCI)

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Ultrason Symp 2 (2003) 1338

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[19] D Ciplys R Rimeika MS Shur S Rumyantsev R Gaska A Sereika J Yang

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[21] S Kumar P Sharma1 and K Sreenivas Semicond Sci Technol 20 (2005) L27

[22] M Rotter A Wixforth W Ruile D Bernklau H Riechert Appl Phys Lett 73

(1998) 2128

[23] D Ciplys MS Shur A Sereika R Rimeika R Gaska Q Fareed J Zhang X

Hu A Lunev Yu Bilenko Phys Stat Sol 203 (2006) 1834

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[31] Da-Long Cheng Bo-Han She Kuo-Sheng Kao ldquoOptical and electrical

properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

Technology Symposium 204-207 (2012)

Page 61: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-50x105

00

50x105

10x106

15x106

20x106

25x106

30x106

Without UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 48 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-40x10

3

-20x103

00

20x103

40x103

60x103

80x103

10x104

12x104

14x104

16x104

18x104

Without UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 49 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之遷移率

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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技大學電腦與通訊系碩士論文2009

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(1998) 2128

[23] D Ciplys MS Shur A Sereika R Rimeika R Gaska Q Fareed J Zhang X

Hu A Lunev Yu Bilenko Phys Stat Sol 203 (2006) 1834

[24] S Kumar GH Kim K Sreenivas RP Tandon J Electroceram 22 (2009) 198

[25] E H Putley 1968 ldquoThe Hall effect and semiconductor physicsrdquo Dover

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文2010

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Phys Rev791023-24

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Wiley New York

63

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IEEE SENSORS JOURNAL VOL 10 NO 4 APRIL 2010

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properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

Technology Symposium 204-207 (2012)

Page 62: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

51

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-2x10

11

-1x1011

0

1x1011

2x1011

3x1011

4x1011

5x1011

Without UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 50 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光之載子濃度

表 9 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在未照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

Without UV 467times105 689times10

2 194times10

10 n

Without UV 217times106 935times10

3 307times10

8 n

Without UV 24times106 876times10

3 297times10

8 n

Without UV 31times105 154times10

3 131times10

10 n

Without UV 251times105 255times10

3 445times10

9 n

Without UV 616times105 155times10

3 655times10

9 n

Without UV 525times105 285times10

2 417times10

10 n

Without UV 118times106 236times10

2 224times10

10 n

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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[2] RM White and FW Voltmer ldquoDirect Piezoelectric Coupling to Surface Elastic

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properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

Technology Symposium 204-207 (2012)

Page 63: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

52

Without UV 117times106 666times10

2 802times10

9 n

Without UV 27times105 674times10

1 344times10

11 n

Without UV 193times105 207times10

3 156times10

10 n

Without UV 749times105 51times10

1 164times10

11 n

Without UV 265times105 222times10

2 106times10

11 n

Without UV 272times105 514times10

2 447times10

10 n

Without UV 447times105 225times10

1 622times10

11 n

Without UV 139times105 378times10

3 119times10

10 n

Without UV 234times105 425times10

3 629times10

9 n

Without UV 278times105 193times10

2 117times10

11 n

Without UV 325times105 692times10

2 278times10

10 n

Without UV 396times105 376times10

3 42times10

9 n

Without UV 413times105 757times10

2 2times10

10 n

Without UV 916times104 126times10

4 54times10

9 n

Without UV 178times105 484times10

3 727times10

9 n

Without UV 273times105 398times10

3 574times10

9 n

Without UV 669times105 726times10

2 129times10

10 n

Without UV 153times106 419times10

2 974times10

9 n

Without UV 104times105 119times10

4 505times10

9 n

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

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25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

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0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

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den

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(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

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UV 305times105 258times10

2 796times10

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UV 434times105 811times10

2 178times10

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UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

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UV 172times105 175times10

3 208times10

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UV 207times105 193times10

3 156times10

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UV 225times105 165times10

2 168times10

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UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

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UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

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UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

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UV 166times105 292times10

2 129times10

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UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

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UV 205times105 993times10

1 308times10

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433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

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434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

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第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

[1] L Rayleigh Proc London Math Soc 17 4(1885)

[2] RM White and FW Voltmer ldquoDirect Piezoelectric Coupling to Surface Elastic

Wavesrdquo Appl Phys Lett vol 17 pp 314-316 1965

[3] Neil W Ashcroft N David Mermin 1976 SOLID STATE PHYSICS

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[4] V M Ristic Principles of Acoustic Devices pp 103 (WileyNew York 1983)

[5] 吳朗ldquo電子陶瓷壓電陶瓷rdquo全欣資訊1994

[6] 傅俊霖ldquoZnOLiNbO3 表面聲波振盪器之研製暨感測應用研究rdquo樹德科技大

學電腦與通訊系碩士論文2008

[7] 鄧志文ldquo薄膜體聲波共振器之研製rdquo國立中山大學電機工程學系碩士論文

2007

[8] 吳光宗ldquo應用於紫外光感測之表面聲波振盪器暨頻率轉換電壓電路rdquo樹德科

技大學電腦與通訊系碩士論文2009

[9] B Matthias and J P Remeika ldquoFerroelectricity in the illmenite structurerdquo Phys

Rev 76 1886 1949

[10] 育英科技有限公司2006ldquo數位類比通訊實習(修訂版) rdquo滄海書局台中

61

[11] W Yang S S Hullavarad B Nagaraj I Takeuchi R P Sharma T Venkatesan

R D Vispute and H Shen Appl Phys Lett 82 3424 (2003)

[12] Ying Lang Hong Gaolowast Wei Jiang Lingling Xu Hongtao Houlowast ldquoPhotoresponse

and decay mechanism of an individual ZnO nanowire UV sensorrdquo Sensors and

Actuators A 174 (2012) 43ndash46

[13] C Soci A Zhang B Xiang SA Dayeh DPR Aplin J Park XY Bao YH Lo

D Wang ldquoZnO nanowire UV photodetectors with high internal gainrdquo Nano Lett 7

(2007) 1003ndash1009

[14] YZ Jin JP Wang BQ Sun JC Blakesley NC Greenham

ldquoSolution-processed ultraviolet photodetectors based on colloidal ZnO

nanoparticlesrdquo Nano Lett 8 (2008) 1649ndash1653

[15] GY Chai O Lupan L Chow H Heinrich ldquoCrossed zinc oxide nanorods for

ultraviolet radiation detectionrdquo Sens Actuators A 150 (2009) 184ndash187

[16] C L Wei Y C Chen C C Cheng K S Kao D L Cheng and P S Cheng

ldquoHighly sensitive ultraviolet detector using a ZnOSi layered SAW oscillatorrdquo Thin

Solid Films 518 pp 3059-3062 2010 (SCI)

[17] A Talbi F Sarry L Le Brizoual M Elhakiki O Elmazria P Alnot IEEE

Ultrason Symp 2 (2003) 1338

[18] T Shiosaki T Yamamoto A Kawabata IEEE Ultrason Symp 1 (1977) 814

62

[19] D Ciplys R Rimeika MS Shur S Rumyantsev R Gaska A Sereika J Yang

M Asif Khan Appl Phys Lett 80 (2002) 2020

[20] P Sharma K Sreenivas Appl Phys Lett 83 (2003) 3617

[21] S Kumar P Sharma1 and K Sreenivas Semicond Sci Technol 20 (2005) L27

[22] M Rotter A Wixforth W Ruile D Bernklau H Riechert Appl Phys Lett 73

(1998) 2128

[23] D Ciplys MS Shur A Sereika R Rimeika R Gaska Q Fareed J Zhang X

Hu A Lunev Yu Bilenko Phys Stat Sol 203 (2006) 1834

[24] S Kumar GH Kim K Sreenivas RP Tandon J Electroceram 22 (2009) 198

[25] E H Putley 1968 ldquoThe Hall effect and semiconductor physicsrdquo Dover

Publications New York

[26] 陳韋竹ldquo霍爾效應量測裝置開發與應用rdquo樹德科技大學電腦與通訊系碩士論

文2010

[27] van der Pauw L J1958ldquoA method of measuring specific resistivity and Hall

effect of discs of arbitrary shaperdquo Philips Res Reports131-9

[28] J Volger 1950 ldquoNote on the Hall potential across an inhomogeneous conductorrdquo

Phys Rev791023-24

[29] D K Schroder 1998 ldquoSemiconductor material and device characterizationrdquo

Wiley New York

63

[30] V S Chivukula D Cˇ iplys R Rimeika M S Shur J Yang and R Gaska

ldquoImpact of Photocapacitance on Phase Response of GaNSapphire SAW UV Sensorrdquo

IEEE SENSORS JOURNAL VOL 10 NO 4 APRIL 2010

[31] Da-Long Cheng Bo-Han She Kuo-Sheng Kao ldquoOptical and electrical

properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

Technology Symposium 204-207 (2012)

Page 64: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

53

432 ZnOLiNbO3元件在照射紫外光下量測結果

圖 51 為 ZnOLiNbO3 以光調制霍爾效應量測裝置在照射紫外光的條件下測量

之結果多次量測結果顯示ZnO 型態由 n-type 轉變為 p-type這可能是因為紫

外光照射 ZnO 薄膜後產生的光生載子填補鋅間隙與氧空缺造成 ZnO 薄膜的轉

圖 51 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

tiv

ity

(o

hm

-cm

)

Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

3

-50x102

00

50x102

10x103

15x103

20x103

25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

bil

ity

(cm

2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

[1] L Rayleigh Proc London Math Soc 17 4(1885)

[2] RM White and FW Voltmer ldquoDirect Piezoelectric Coupling to Surface Elastic

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[22] M Rotter A Wixforth W Ruile D Bernklau H Riechert Appl Phys Lett 73

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Page 65: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

54

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

365 nm UVR

esis

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Number of Test

圖 52 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之電阻率

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-10x10

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25x103

30x103

365 nm UV

Number of Test

Mo

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2V

s)

圖 53 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之遷移率

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

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365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

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-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

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UV 295times105 194times10

1 11times10

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UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

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UV 172times105 175times10

3 208times10

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UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

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UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

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UV 169times105 198times10

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UV 166times105 292times10

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UV 192times105 347times10

1 937times10

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UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

[1] L Rayleigh Proc London Math Soc 17 4(1885)

[2] RM White and FW Voltmer ldquoDirect Piezoelectric Coupling to Surface Elastic

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[6] 傅俊霖ldquoZnOLiNbO3 表面聲波振盪器之研製暨感測應用研究rdquo樹德科技大

學電腦與通訊系碩士論文2008

[7] 鄧志文ldquo薄膜體聲波共振器之研製rdquo國立中山大學電機工程學系碩士論文

2007

[8] 吳光宗ldquo應用於紫外光感測之表面聲波振盪器暨頻率轉換電壓電路rdquo樹德科

技大學電腦與通訊系碩士論文2009

[9] B Matthias and J P Remeika ldquoFerroelectricity in the illmenite structurerdquo Phys

Rev 76 1886 1949

[10] 育英科技有限公司2006ldquo數位類比通訊實習(修訂版) rdquo滄海書局台中

61

[11] W Yang S S Hullavarad B Nagaraj I Takeuchi R P Sharma T Venkatesan

R D Vispute and H Shen Appl Phys Lett 82 3424 (2003)

[12] Ying Lang Hong Gaolowast Wei Jiang Lingling Xu Hongtao Houlowast ldquoPhotoresponse

and decay mechanism of an individual ZnO nanowire UV sensorrdquo Sensors and

Actuators A 174 (2012) 43ndash46

[13] C Soci A Zhang B Xiang SA Dayeh DPR Aplin J Park XY Bao YH Lo

D Wang ldquoZnO nanowire UV photodetectors with high internal gainrdquo Nano Lett 7

(2007) 1003ndash1009

[14] YZ Jin JP Wang BQ Sun JC Blakesley NC Greenham

ldquoSolution-processed ultraviolet photodetectors based on colloidal ZnO

nanoparticlesrdquo Nano Lett 8 (2008) 1649ndash1653

[15] GY Chai O Lupan L Chow H Heinrich ldquoCrossed zinc oxide nanorods for

ultraviolet radiation detectionrdquo Sens Actuators A 150 (2009) 184ndash187

[16] C L Wei Y C Chen C C Cheng K S Kao D L Cheng and P S Cheng

ldquoHighly sensitive ultraviolet detector using a ZnOSi layered SAW oscillatorrdquo Thin

Solid Films 518 pp 3059-3062 2010 (SCI)

[17] A Talbi F Sarry L Le Brizoual M Elhakiki O Elmazria P Alnot IEEE

Ultrason Symp 2 (2003) 1338

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62

[19] D Ciplys R Rimeika MS Shur S Rumyantsev R Gaska A Sereika J Yang

M Asif Khan Appl Phys Lett 80 (2002) 2020

[20] P Sharma K Sreenivas Appl Phys Lett 83 (2003) 3617

[21] S Kumar P Sharma1 and K Sreenivas Semicond Sci Technol 20 (2005) L27

[22] M Rotter A Wixforth W Ruile D Bernklau H Riechert Appl Phys Lett 73

(1998) 2128

[23] D Ciplys MS Shur A Sereika R Rimeika R Gaska Q Fareed J Zhang X

Hu A Lunev Yu Bilenko Phys Stat Sol 203 (2006) 1834

[24] S Kumar GH Kim K Sreenivas RP Tandon J Electroceram 22 (2009) 198

[25] E H Putley 1968 ldquoThe Hall effect and semiconductor physicsrdquo Dover

Publications New York

[26] 陳韋竹ldquo霍爾效應量測裝置開發與應用rdquo樹德科技大學電腦與通訊系碩士論

文2010

[27] van der Pauw L J1958ldquoA method of measuring specific resistivity and Hall

effect of discs of arbitrary shaperdquo Philips Res Reports131-9

[28] J Volger 1950 ldquoNote on the Hall potential across an inhomogeneous conductorrdquo

Phys Rev791023-24

[29] D K Schroder 1998 ldquoSemiconductor material and device characterizationrdquo

Wiley New York

63

[30] V S Chivukula D Cˇ iplys R Rimeika M S Shur J Yang and R Gaska

ldquoImpact of Photocapacitance on Phase Response of GaNSapphire SAW UV Sensorrdquo

IEEE SENSORS JOURNAL VOL 10 NO 4 APRIL 2010

[31] Da-Long Cheng Bo-Han She Kuo-Sheng Kao ldquoOptical and electrical

properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

Technology Symposium 204-207 (2012)

Page 66: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1x10

12

0

1x1012

2x1012

3x1012

4x1012

5x1012

6x1012

365 nm UV

Number of Test

Car

rier

den

sity

(cm

-3)

圖 54 ZnOLiNbO3 元件照射紫外光之載子濃度

表 10 光調制霍爾量測裝置量測 ZnOLiNbO3 元件在照射紫外光下之結果

光調制 Resistivity (Ω-cm) Mobility (cm2Vs) Carrier density (cm

-3) Type

UV 441times105 145times10

3 98times10

9 p

UV 476times105 701times10

2 187times10

10 p

UV 475times105 581times10

2 226times10

10 p

UV 248times105 186times10

3 136times10

10 p

UV 295times105 194times10

1 11times10

12 p

UV 313times105 156times10

3 128times10

10 p

UV 305times105 258times10

2 796times10

10 p

UV 434times105 811times10

2 178times10

10 p

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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[7] 鄧志文ldquo薄膜體聲波共振器之研製rdquo國立中山大學電機工程學系碩士論文

2007

[8] 吳光宗ldquo應用於紫外光感測之表面聲波振盪器暨頻率轉換電壓電路rdquo樹德科

技大學電腦與通訊系碩士論文2009

[9] B Matthias and J P Remeika ldquoFerroelectricity in the illmenite structurerdquo Phys

Rev 76 1886 1949

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61

[11] W Yang S S Hullavarad B Nagaraj I Takeuchi R P Sharma T Venkatesan

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and decay mechanism of an individual ZnO nanowire UV sensorrdquo Sensors and

Actuators A 174 (2012) 43ndash46

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D Wang ldquoZnO nanowire UV photodetectors with high internal gainrdquo Nano Lett 7

(2007) 1003ndash1009

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ldquoSolution-processed ultraviolet photodetectors based on colloidal ZnO

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ultraviolet radiation detectionrdquo Sens Actuators A 150 (2009) 184ndash187

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ldquoHighly sensitive ultraviolet detector using a ZnOSi layered SAW oscillatorrdquo Thin

Solid Films 518 pp 3059-3062 2010 (SCI)

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Ultrason Symp 2 (2003) 1338

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62

[19] D Ciplys R Rimeika MS Shur S Rumyantsev R Gaska A Sereika J Yang

M Asif Khan Appl Phys Lett 80 (2002) 2020

[20] P Sharma K Sreenivas Appl Phys Lett 83 (2003) 3617

[21] S Kumar P Sharma1 and K Sreenivas Semicond Sci Technol 20 (2005) L27

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[23] D Ciplys MS Shur A Sereika R Rimeika R Gaska Q Fareed J Zhang X

Hu A Lunev Yu Bilenko Phys Stat Sol 203 (2006) 1834

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[30] V S Chivukula D Cˇ iplys R Rimeika M S Shur J Yang and R Gaska

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[31] Da-Long Cheng Bo-Han She Kuo-Sheng Kao ldquoOptical and electrical

properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

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Page 67: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

56

UV 358times105 294times10

1 594times10

11 p

UV 518times105 714times10

2 169times10

10 p

UV 172times105 175times10

3 208times10

10 p

UV 207times105 193times10

3 156times10

10 p

UV 225times105 165times10

2 168times10

11 p

UV 237times105 519times10

2 508times10

10 p

UV 185times105 195times10

3 173times10

10 p

UV 169times105 379times10

1 974times10

11 p

UV 2times105 219times10

2 142times10

11 p

UV 216times105 359times10

2 81times10

10 p

UV 235times105 126times10

2 211times10

11 p

UV 268times105 729times10

1 32times10

11 p

UV 234times105 628 442times10

12 p

UV 169times105 198times10

2 187times10

11 p

UV 166times105 292times10

2 129times10

11 p

UV 192times105 347times10

1 937times10

11 p

UV 352times105 391times10

2 435times10

10 p

UV 377times105 332times10

1 499times10

11 p

UV 205times105 993times10

1 308times10

11 p

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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2007

[8] 吳光宗ldquo應用於紫外光感測之表面聲波振盪器暨頻率轉換電壓電路rdquo樹德科

技大學電腦與通訊系碩士論文2009

[9] B Matthias and J P Remeika ldquoFerroelectricity in the illmenite structurerdquo Phys

Rev 76 1886 1949

[10] 育英科技有限公司2006ldquo數位類比通訊實習(修訂版) rdquo滄海書局台中

61

[11] W Yang S S Hullavarad B Nagaraj I Takeuchi R P Sharma T Venkatesan

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and decay mechanism of an individual ZnO nanowire UV sensorrdquo Sensors and

Actuators A 174 (2012) 43ndash46

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D Wang ldquoZnO nanowire UV photodetectors with high internal gainrdquo Nano Lett 7

(2007) 1003ndash1009

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ldquoSolution-processed ultraviolet photodetectors based on colloidal ZnO

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[16] C L Wei Y C Chen C C Cheng K S Kao D L Cheng and P S Cheng

ldquoHighly sensitive ultraviolet detector using a ZnOSi layered SAW oscillatorrdquo Thin

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62

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M Asif Khan Appl Phys Lett 80 (2002) 2020

[20] P Sharma K Sreenivas Appl Phys Lett 83 (2003) 3617

[21] S Kumar P Sharma1 and K Sreenivas Semicond Sci Technol 20 (2005) L27

[22] M Rotter A Wixforth W Ruile D Bernklau H Riechert Appl Phys Lett 73

(1998) 2128

[23] D Ciplys MS Shur A Sereika R Rimeika R Gaska Q Fareed J Zhang X

Hu A Lunev Yu Bilenko Phys Stat Sol 203 (2006) 1834

[24] S Kumar GH Kim K Sreenivas RP Tandon J Electroceram 22 (2009) 198

[25] E H Putley 1968 ldquoThe Hall effect and semiconductor physicsrdquo Dover

Publications New York

[26] 陳韋竹ldquo霍爾效應量測裝置開發與應用rdquo樹德科技大學電腦與通訊系碩士論

文2010

[27] van der Pauw L J1958ldquoA method of measuring specific resistivity and Hall

effect of discs of arbitrary shaperdquo Philips Res Reports131-9

[28] J Volger 1950 ldquoNote on the Hall potential across an inhomogeneous conductorrdquo

Phys Rev791023-24

[29] D K Schroder 1998 ldquoSemiconductor material and device characterizationrdquo

Wiley New York

63

[30] V S Chivukula D Cˇ iplys R Rimeika M S Shur J Yang and R Gaska

ldquoImpact of Photocapacitance on Phase Response of GaNSapphire SAW UV Sensorrdquo

IEEE SENSORS JOURNAL VOL 10 NO 4 APRIL 2010

[31] Da-Long Cheng Bo-Han She Kuo-Sheng Kao ldquoOptical and electrical

properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

Technology Symposium 204-207 (2012)

Page 68: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

57

433 AZO 薄膜在未照射紫外光下量測結果

為驗證紫外光生成之載子對薄膜的影響該以何種方式呈現於等效電路實驗

一併進行 AZO 在紫外光照射下的霍爾量測其中AZO 所沉積的薄膜厚度為 013

μm

實驗顯示因為 AZO 的導電性好因此霍爾效應量測裝置測量結果相當穩定

結果呈現於圖 55電阻率遷移率及載子濃度整理於表 11

圖 55 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在未照射紫外光下之結果

表 11 AZO 薄膜在未照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

Without UV 70939times10-05

11265times101 78211times10

21 n

Without UV 71016times10-05

11953times101 73631times10

21 n

Without UV 71122times10-05

12902times101 68109times10

21 n

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

[1] L Rayleigh Proc London Math Soc 17 4(1885)

[2] RM White and FW Voltmer ldquoDirect Piezoelectric Coupling to Surface Elastic

Wavesrdquo Appl Phys Lett vol 17 pp 314-316 1965

[3] Neil W Ashcroft N David Mermin 1976 SOLID STATE PHYSICS

SAUNDERS COLLEGE

[4] V M Ristic Principles of Acoustic Devices pp 103 (WileyNew York 1983)

[5] 吳朗ldquo電子陶瓷壓電陶瓷rdquo全欣資訊1994

[6] 傅俊霖ldquoZnOLiNbO3 表面聲波振盪器之研製暨感測應用研究rdquo樹德科技大

學電腦與通訊系碩士論文2008

[7] 鄧志文ldquo薄膜體聲波共振器之研製rdquo國立中山大學電機工程學系碩士論文

2007

[8] 吳光宗ldquo應用於紫外光感測之表面聲波振盪器暨頻率轉換電壓電路rdquo樹德科

技大學電腦與通訊系碩士論文2009

[9] B Matthias and J P Remeika ldquoFerroelectricity in the illmenite structurerdquo Phys

Rev 76 1886 1949

[10] 育英科技有限公司2006ldquo數位類比通訊實習(修訂版) rdquo滄海書局台中

61

[11] W Yang S S Hullavarad B Nagaraj I Takeuchi R P Sharma T Venkatesan

R D Vispute and H Shen Appl Phys Lett 82 3424 (2003)

[12] Ying Lang Hong Gaolowast Wei Jiang Lingling Xu Hongtao Houlowast ldquoPhotoresponse

and decay mechanism of an individual ZnO nanowire UV sensorrdquo Sensors and

Actuators A 174 (2012) 43ndash46

[13] C Soci A Zhang B Xiang SA Dayeh DPR Aplin J Park XY Bao YH Lo

D Wang ldquoZnO nanowire UV photodetectors with high internal gainrdquo Nano Lett 7

(2007) 1003ndash1009

[14] YZ Jin JP Wang BQ Sun JC Blakesley NC Greenham

ldquoSolution-processed ultraviolet photodetectors based on colloidal ZnO

nanoparticlesrdquo Nano Lett 8 (2008) 1649ndash1653

[15] GY Chai O Lupan L Chow H Heinrich ldquoCrossed zinc oxide nanorods for

ultraviolet radiation detectionrdquo Sens Actuators A 150 (2009) 184ndash187

[16] C L Wei Y C Chen C C Cheng K S Kao D L Cheng and P S Cheng

ldquoHighly sensitive ultraviolet detector using a ZnOSi layered SAW oscillatorrdquo Thin

Solid Films 518 pp 3059-3062 2010 (SCI)

[17] A Talbi F Sarry L Le Brizoual M Elhakiki O Elmazria P Alnot IEEE

Ultrason Symp 2 (2003) 1338

[18] T Shiosaki T Yamamoto A Kawabata IEEE Ultrason Symp 1 (1977) 814

62

[19] D Ciplys R Rimeika MS Shur S Rumyantsev R Gaska A Sereika J Yang

M Asif Khan Appl Phys Lett 80 (2002) 2020

[20] P Sharma K Sreenivas Appl Phys Lett 83 (2003) 3617

[21] S Kumar P Sharma1 and K Sreenivas Semicond Sci Technol 20 (2005) L27

[22] M Rotter A Wixforth W Ruile D Bernklau H Riechert Appl Phys Lett 73

(1998) 2128

[23] D Ciplys MS Shur A Sereika R Rimeika R Gaska Q Fareed J Zhang X

Hu A Lunev Yu Bilenko Phys Stat Sol 203 (2006) 1834

[24] S Kumar GH Kim K Sreenivas RP Tandon J Electroceram 22 (2009) 198

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effect of discs of arbitrary shaperdquo Philips Res Reports131-9

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[31] Da-Long Cheng Bo-Han She Kuo-Sheng Kao ldquoOptical and electrical

properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

Technology Symposium 204-207 (2012)

Page 69: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

58

434 AZO 薄膜在照射紫外光下量測結果

實驗隨後以霍爾效應量測裝置在照射紫外光條件下量測同一片 AZO其電阻

率遷移率以及載子濃度在照射紫外光後並沒有明顯的變化這是因為 AZO 的導

電性已經很好在紫外光照射後薄膜表面所產生的光生載子不足以影響 AZO 薄

膜量測的結果測量結果呈現於圖 56電阻率遷移率及載子濃度整理於表 12

圖 56 光調制霍爾量測裝置量測 AZO 薄膜在照射紫外光下之結果

表 12 AZO 薄膜在照射紫外光下之電阻率遷移率載子濃度

光調制 Resistivity(Ohm-cm) Mobility(cm2Vs) Carrier density(cm

-3) Type

UV 71040times10-05

12002times101 73301times10

21 n

UV 71050times10-05

12108times101 72650times10

21 n

UV 71212times10-05

12832times101 68394times10

21 n

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

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學電腦與通訊系碩士論文2008

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[9] B Matthias and J P Remeika ldquoFerroelectricity in the illmenite structurerdquo Phys

Rev 76 1886 1949

[10] 育英科技有限公司2006ldquo數位類比通訊實習(修訂版) rdquo滄海書局台中

61

[11] W Yang S S Hullavarad B Nagaraj I Takeuchi R P Sharma T Venkatesan

R D Vispute and H Shen Appl Phys Lett 82 3424 (2003)

[12] Ying Lang Hong Gaolowast Wei Jiang Lingling Xu Hongtao Houlowast ldquoPhotoresponse

and decay mechanism of an individual ZnO nanowire UV sensorrdquo Sensors and

Actuators A 174 (2012) 43ndash46

[13] C Soci A Zhang B Xiang SA Dayeh DPR Aplin J Park XY Bao YH Lo

D Wang ldquoZnO nanowire UV photodetectors with high internal gainrdquo Nano Lett 7

(2007) 1003ndash1009

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ldquoSolution-processed ultraviolet photodetectors based on colloidal ZnO

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[15] GY Chai O Lupan L Chow H Heinrich ldquoCrossed zinc oxide nanorods for

ultraviolet radiation detectionrdquo Sens Actuators A 150 (2009) 184ndash187

[16] C L Wei Y C Chen C C Cheng K S Kao D L Cheng and P S Cheng

ldquoHighly sensitive ultraviolet detector using a ZnOSi layered SAW oscillatorrdquo Thin

Solid Films 518 pp 3059-3062 2010 (SCI)

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Ultrason Symp 2 (2003) 1338

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62

[19] D Ciplys R Rimeika MS Shur S Rumyantsev R Gaska A Sereika J Yang

M Asif Khan Appl Phys Lett 80 (2002) 2020

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[21] S Kumar P Sharma1 and K Sreenivas Semicond Sci Technol 20 (2005) L27

[22] M Rotter A Wixforth W Ruile D Bernklau H Riechert Appl Phys Lett 73

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[23] D Ciplys MS Shur A Sereika R Rimeika R Gaska Q Fareed J Zhang X

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[31] Da-Long Cheng Bo-Han She Kuo-Sheng Kao ldquoOptical and electrical

properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

Technology Symposium 204-207 (2012)

Page 70: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

59

第五章 結論

本研究主要分為兩部分第一部分是量測製作完成的表面聲波元件以不同

量測方式觀察薄膜在有無照射紫外光下的 I-V 曲線變化並探討元件在相同製程下

完成的差異性實驗顯示SAW 在相同的製程條件下雖然 SAW 的 Port APort

B 所設計的製程參數都一樣但是製程過程中不管是薄膜的成長或指叉電極的蝕

刻都會導致 Port A 和 Port B 的電阻值有很大的差異此外紫外光感測的實驗

發現SAW 元件照射 UV 光前後ZnO 薄膜可產生大量載子在適當的電路配置

下可達到 242 倍的變化量

第二部分我們透過光調制霍爾量測裝置來量測並觀察 ZnO 與 AZO 在未照

射與照射紫外光後的光電特性藉以探討 SAW 兩對指叉電極的各項光電特性並解

釋相關成因光調制霍爾量測裝置是以一 170 mT 穩定磁場所構成並在磁場中心

位置上方架設一波長為 365 nm 可調制紫外光源實驗結果發現 ZnOLiNbO3 元

件其電阻率在照射紫外光後明顯降低且形態由 n-type 轉變成 p-type至於 AZO

元件在經過光調制霍爾量測裝置量測後其電阻率載子濃度及遷移率則無明顯

的變化這是因為 AZO 本身載子濃度極高光生載子並不足以明顯改變其電性

60

參考文獻

[1] L Rayleigh Proc London Math Soc 17 4(1885)

[2] RM White and FW Voltmer ldquoDirect Piezoelectric Coupling to Surface Elastic

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[7] 鄧志文ldquo薄膜體聲波共振器之研製rdquo國立中山大學電機工程學系碩士論文

2007

[8] 吳光宗ldquo應用於紫外光感測之表面聲波振盪器暨頻率轉換電壓電路rdquo樹德科

技大學電腦與通訊系碩士論文2009

[9] B Matthias and J P Remeika ldquoFerroelectricity in the illmenite structurerdquo Phys

Rev 76 1886 1949

[10] 育英科技有限公司2006ldquo數位類比通訊實習(修訂版) rdquo滄海書局台中

61

[11] W Yang S S Hullavarad B Nagaraj I Takeuchi R P Sharma T Venkatesan

R D Vispute and H Shen Appl Phys Lett 82 3424 (2003)

[12] Ying Lang Hong Gaolowast Wei Jiang Lingling Xu Hongtao Houlowast ldquoPhotoresponse

and decay mechanism of an individual ZnO nanowire UV sensorrdquo Sensors and

Actuators A 174 (2012) 43ndash46

[13] C Soci A Zhang B Xiang SA Dayeh DPR Aplin J Park XY Bao YH Lo

D Wang ldquoZnO nanowire UV photodetectors with high internal gainrdquo Nano Lett 7

(2007) 1003ndash1009

[14] YZ Jin JP Wang BQ Sun JC Blakesley NC Greenham

ldquoSolution-processed ultraviolet photodetectors based on colloidal ZnO

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[15] GY Chai O Lupan L Chow H Heinrich ldquoCrossed zinc oxide nanorods for

ultraviolet radiation detectionrdquo Sens Actuators A 150 (2009) 184ndash187

[16] C L Wei Y C Chen C C Cheng K S Kao D L Cheng and P S Cheng

ldquoHighly sensitive ultraviolet detector using a ZnOSi layered SAW oscillatorrdquo Thin

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[18] T Shiosaki T Yamamoto A Kawabata IEEE Ultrason Symp 1 (1977) 814

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[19] D Ciplys R Rimeika MS Shur S Rumyantsev R Gaska A Sereika J Yang

M Asif Khan Appl Phys Lett 80 (2002) 2020

[20] P Sharma K Sreenivas Appl Phys Lett 83 (2003) 3617

[21] S Kumar P Sharma1 and K Sreenivas Semicond Sci Technol 20 (2005) L27

[22] M Rotter A Wixforth W Ruile D Bernklau H Riechert Appl Phys Lett 73

(1998) 2128

[23] D Ciplys MS Shur A Sereika R Rimeika R Gaska Q Fareed J Zhang X

Hu A Lunev Yu Bilenko Phys Stat Sol 203 (2006) 1834

[24] S Kumar GH Kim K Sreenivas RP Tandon J Electroceram 22 (2009) 198

[25] E H Putley 1968 ldquoThe Hall effect and semiconductor physicsrdquo Dover

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[26] 陳韋竹ldquo霍爾效應量測裝置開發與應用rdquo樹德科技大學電腦與通訊系碩士論

文2010

[27] van der Pauw L J1958ldquoA method of measuring specific resistivity and Hall

effect of discs of arbitrary shaperdquo Philips Res Reports131-9

[28] J Volger 1950 ldquoNote on the Hall potential across an inhomogeneous conductorrdquo

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[29] D K Schroder 1998 ldquoSemiconductor material and device characterizationrdquo

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[30] V S Chivukula D Cˇ iplys R Rimeika M S Shur J Yang and R Gaska

ldquoImpact of Photocapacitance on Phase Response of GaNSapphire SAW UV Sensorrdquo

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[31] Da-Long Cheng Bo-Han She Kuo-Sheng Kao ldquoOptical and electrical

properties of ZnO based surface acoustic wave devicerdquo 2012 Electronic

Technology Symposium 204-207 (2012)

Page 71: ZnO/LiNbO 表面聲波元件之光調制霍爾效應研究 - stu.edu.tw 率、載子濃度及元件型態。實驗設計一可調變的365 nm 紫外光源,並進行霍爾效 應的測量。實驗結果發現ZnO

60

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[8] 吳光宗ldquo應用於紫外光感測之表面聲波振盪器暨頻率轉換電壓電路rdquo樹德科

技大學電腦與通訊系碩士論文2009

[9] B Matthias and J P Remeika ldquoFerroelectricity in the illmenite structurerdquo Phys

Rev 76 1886 1949

[10] 育英科技有限公司2006ldquo數位類比通訊實習(修訂版) rdquo滄海書局台中

61

[11] W Yang S S Hullavarad B Nagaraj I Takeuchi R P Sharma T Venkatesan

R D Vispute and H Shen Appl Phys Lett 82 3424 (2003)

[12] Ying Lang Hong Gaolowast Wei Jiang Lingling Xu Hongtao Houlowast ldquoPhotoresponse

and decay mechanism of an individual ZnO nanowire UV sensorrdquo Sensors and

Actuators A 174 (2012) 43ndash46

[13] C Soci A Zhang B Xiang SA Dayeh DPR Aplin J Park XY Bao YH Lo

D Wang ldquoZnO nanowire UV photodetectors with high internal gainrdquo Nano Lett 7

(2007) 1003ndash1009

[14] YZ Jin JP Wang BQ Sun JC Blakesley NC Greenham

ldquoSolution-processed ultraviolet photodetectors based on colloidal ZnO

nanoparticlesrdquo Nano Lett 8 (2008) 1649ndash1653

[15] GY Chai O Lupan L Chow H Heinrich ldquoCrossed zinc oxide nanorods for

ultraviolet radiation detectionrdquo Sens Actuators A 150 (2009) 184ndash187

[16] C L Wei Y C Chen C C Cheng K S Kao D L Cheng and P S Cheng

ldquoHighly sensitive ultraviolet detector using a ZnOSi layered SAW oscillatorrdquo Thin

Solid Films 518 pp 3059-3062 2010 (SCI)

[17] A Talbi F Sarry L Le Brizoual M Elhakiki O Elmazria P Alnot IEEE

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[18] T Shiosaki T Yamamoto A Kawabata IEEE Ultrason Symp 1 (1977) 814

62

[19] D Ciplys R Rimeika MS Shur S Rumyantsev R Gaska A Sereika J Yang

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[21] S Kumar P Sharma1 and K Sreenivas Semicond Sci Technol 20 (2005) L27

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(1998) 2128

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