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可撓式鍺錫中紅外線光電元件之研發

為了解決半導體製程ocw的問題，作者戴業臻 這樣論述：

目 錄第一章 緒論 11-1 前言 11-2 研究動機 21-3 論文架構 3第二章 研究背景及文獻回顧 42-1 元件之材料性質 42-1-1矽、鍺材料性質 52-1-2鍺錫合金材料性質 52-1-3 PET材料性質 72-2受應變之四族半導體 72-2-1應變對鍺錫半導體之影響 82-2-2雙軸應變釋放方式 92-3半導體光偵測器 102-3-1 光偵測器種類 102-3-2光偵測器之原理與特性 102-3-3光偵測器指標參數 112-3-4可撓式鍺、鍺錫光偵測器結構 122-4半導體發光原理 122-4-1 光致螢光(Photoluminescenc

e)之原理與特性 122-5材料性質檢測原理 132-5-1 XRD檢測原理 132-5-2 拉曼光譜檢測原理 132-6文獻回顧 142-6-1鍺光偵測器 142-6-2鍺錫光偵測器 172-6-3受應變之鍺光偵測器 202-6-4受應變之鍺錫光偵測器 232-6-5受應變鍺之光致螢光 272-6-6受應變鍺錫合金之光致螢光 302-7文獻回顧總結 31第三章 元件設計、分析及量測系統 333-1元件設計理念 333-2元件應變與能隙分析 343-2-1元件應變分析 343-2-2元件能隙分析 363-3光偵測器量測系統 383-3-1 暗電流與光電流之量

測系統 383-3-2 光電流與時間響應之量測系統 393-3-3 響應度之量測系統 393-3-4 反射率之量測系統 403-4發光器量測系統 413-4-1 光致螢光之量測系統 41第四章 可撓式鍺近紅外線光電元件 434-1可撓式鍺近紅外線光偵測器製程 434-2可撓式鍺近紅外線光偵測器 464-2-1可撓式鍺近紅外線光偵測器之暗電流與光電流 464-2-2可撓式鍺近紅外線光偵測器之響應度 464-2-3可撓式鍺近紅外線光偵測器之反射率 494-3可撓式鍺近紅外線光偵測器理論分析 504-3-1可撓式鍺近紅外線光偵測器之應變分析 504-3-2可撓式鍺近紅外線

光偵測器之能隙分析 54第五章 可撓式鍺錫中紅外線光電元件 565-1可撓式鍺錫中紅外線光偵測器製程 565-2可撓式鍺錫中紅外線光電元件材料分析 595-2-1鍺錫合金之X射線繞射 595-2-2可撓式鍺錫光電元件之拉曼光譜 635-3可撓式鍺錫中紅外線光偵測器 655-3-1可撓式鍺錫中紅外線光偵測器之暗電流與光電流 655-3-2可撓式鍺錫中紅外線光偵測器之光電流與時間響應 665-3-3可撓式鍺錫中紅外線光偵測器之響應度 675-3-4可撓式鍺錫中紅外線光偵測器之反射率 705-4可撓式鍺錫中紅外線發光元件 715-4-1可撓式鍺錫中紅外線發光元件之光致螢光

715-5可撓式鍺錫中紅外線光電元件理論分析 725-5-1可撓式鍺錫中紅外線光偵測器之應變分析 725-5-2可撓式鍺錫中紅外線光偵測器之能隙分析 77第六章 結論與未來工作 786-1總結 786-2未來工作 786-3研究貢獻 79口試委員之問題與答覆 80參考文獻 83圖目錄圖1-1 1.6兆位元矽光子平台光發送晶片示意圖[2] 2圖1-2 受到拉伸應變之鍺的能隙變化圖[3] 3圖2-1 直接能隙材料與間接能隙材料能帶結構示意圖[4] 4圖2-2 矽與鍺之晶格示意圖[5] 5圖2-3 (a)鍺與錫的直接能隙圖[6]，(b)鍺錫合金的能隙與錫濃度之關係圖[7]…

…..6圖2-4 PET材料之應力-應變曲線圖[8] 7圖2-5 平面壓縮應變-錫含量-直接與間接能隙差值之模擬關係圖[9] 9圖2-6 假晶鍺錫合金與應變釋放鍺錫合金之吸收係數-能隙關係圖 [9] 9圖2-7 (a) Ge-PET，(b) GeSn-PET光偵測器結構圖 12圖2-8 光致螢光原理[11] 13圖2-9 拉曼光譜量測原理[13] 14圖2-10 (a) MSM鍺光偵測器結構示意圖，(b)MSM鍺光偵測器之光電流圖[14] 15圖2-11 MSM鍺光偵測器結構示意圖[15] 16圖2-12在波長1.55 um的響應度-逆偏壓關係圖[15] 16圖2-13 (a

)垂直式鍺錫光偵測器示意圖，(b)不同尺寸的光照射的開口[16] 17圖2-14 (a)不同尺寸的鍺錫光偵測器暗電流圖，(b)鍺錫光偵測器之量子效應-波長之關係圖[16] 18圖2-15 (a)垂直式鍺錫光偵測器之結構示意圖，(b)元件的二次離子質譜 [17] 18圖2-16 4.7%錫濃度鍺錫光偵測器在室溫下的(a)反射率圖，(b)響應度圖，(c) 溫度從77 K至300 K響應度的變化圖[17] 19圖2-17 (a) SOQ，(b)SOI，(c)SOS的SEM圖[18] 20圖2-18 三種不同基板上的鍺受到的水平應變與拉曼位移的關係圖[18] 21圖2-19 Ge/SOQ、

Ge/SOI、Ge/SOS元件的響應度-能隙關係圖[18] 21圖2-20 (a)GOI元件結構圖，(b)GOI基板詳細結構圖[19] 22圖2-21 (a)GOI元件內部之共振腔，(b)GOI上之的鍺與純鍺的拉曼位移之比較圖[19] 22圖2-22 擁有0.16%拉伸應變之鍺光偵測器的吸收係數-波長關係圖[19] 23圖2-23 垂直式p-i-n之受應變鍺錫光偵測器結構圖[20] 24圖2-24 垂直式p-i-n之受應變鍺錫光偵測器的響應度與波長關係圖[20] 24圖2-25 磊晶的鍺錫光偵測器結構圖[21] 25圖2-26 不同錫含量、應力釋放的元件之響應度-波長關係圖[21

] 25圖2-27 PET上MSM鍺錫光偵測器之結構[22] 26圖2-28 在直徑為(a)155 nm與(b)285 nm球型載台上量測之暗電流與光電流的密度[22] 27圖2-29 不同應變之鍺與拉曼位移之變化圖[23] 28圖2-30 在不同溫度下，具有不同應變的鍺之光致螢光強度變化圖[23] 28圖2-31用 XRD、Raman、PL檢測來測量水平應變與In_x Ga_(1-x) As晶格之關係圖[24] 29圖2-32不同含量In的In_x Ga_(1-x) As的PL與波長之關係圖[24] 29圖2-33錫濃度10 %的鍺錫元件(a)micro-disk結構示意圖，(

b)，(c)上視圖(d)拉曼光譜圖[25] 30圖2-34錫濃度10 %的鍺錫元件之光致螢光光譜[25] 31圖3-1 鍺錫樣品轉移至PET之示意圖 33圖3-2元件放置於(a)凸載台，(b)凹載台之示意圖 35圖3-3元件受載台曲率半徑影響之原理圖[28] 35圖3-4(a)Ge-PET，(b)GeSn-PET之中性軸位置 36圖3-5 (a)暗電流與，(b)光電流量測架構示意圖 38圖3-6光電流與時間響應量測系統架構圖 39圖3-7傅立葉轉換紅外光譜儀量測響應度系統圖. 40圖3-8反射率量測系統架構圖 41圖3-9光致螢光光路系統架構示意圖 42圖4-1 可撓式鍺

中紅外線光電元件研究流程 43圖4-2 GeOI結構圖 44圖4-3 Ge-PET元件製程圖 44圖4-4 Ge-PET元件3D製程流程圖 45圖4-5 Ge-PET鍍電極光罩示意圖 45圖4-6 Ge-PET暗電流與光電流-電壓關係圖 46圖4-7 Ge-PET受到拉伸應變之響應度圖 47圖4-8 Ge-PET受到壓縮應變之響應度圖 48圖4-9 Ge-PET在1382 nm受應變之響應度圖 48圖4-10 Ge-PET受應變之截止波段-應變圖 49圖4-11 Ge-PET之反射率圖 50圖4-12放在方向，Ge-PET放在凸載台的x方向應變變化 51圖4-13 放在

方向，Ge-PET放在凹載台的x方向應變變化 51圖4-14 放在方向，Ge-PET放在凸載台的y、z方向應變變化 51圖4-15 放在方向，Ge-PET放在凹載台的y、z方向應變變化 52圖4-16 放在方向，Ge-PET放在凸載台的x、y方向應變變化 52圖4-17 放在方向，Ge-PET放在凹載台的x、y方向應變變化 53圖4-18 放在方向，Ge-PET放在凸載台的z方向應變變化 53圖4-19 放在方向，Ge-PET放在凹載台的z方向應變變化 53圖4-20 放在方向，Ge-PET放在凸載台的ε_xy剪應變變化 54圖4-21 放在方向，Ge-PET放在凹載台的ε_x

y剪應變變化 54圖4-22 Ge-PET元件在不同曲率半徑載台上的能隙變化圖 55圖5-1 可撓式鍺錫中紅外線光電元件研究流程 56圖5-2 GeSn on SOI的結構圖 57圖5-3 GeSn-PET元件製程圖 58圖5-4 GeSn-PET元件3D製程圖 58圖5-5 GeSn-PET鍍電極光罩示意圖 59圖5-6 As-grown GeSn的XRD圖 61圖5-7 As-grown GeSn(004)方向之RSM圖 62圖5-8 As-grown GeSn(224)方向之RSM圖 62圖5-9 GeSn-PET在晶格(a)，(b)方向之單軸應變與拉曼位移之關係圖

64圖5-10 GeSn-PET在晶格方向拉曼位移與x軸應變之線性擬合圖 64圖5-11 GeSn-PET元件轉移前後之拉曼位移變化圖 65圖5-12 GeSn-PET暗電流與光電流-電壓關係圖 66圖5-13 不同光強度下的光電流-時間響應圖 67圖5-14 GeSn-PET轉移前後響應度的比較圖 68圖5-15 GeSn-PET受到拉伸應變之響應度圖 69圖5-16 GeSn-PET受到壓縮應變之響應度圖 69圖5-17 GeSn-PET在1336 nm受應變之響應度圖 70圖5-18 GeSn-PET受應變之截止波段-應變圖 70圖5-19 GeSn-PET反射率-波

長關係圖 71圖5-20 GeSn-PET之PL光譜圖 72圖5-21 放在方向，GeSn-PET放在凸載台的x方向應變變化 73圖5-22 放在方向，GeSn-PET放在凹載台的x方向應變變化 73圖5-23 放在方向，GeSn-PET放在凸載台的y、z方向應變變化 74圖5-24 放在方向，GeSn-PET放在凹載台的y、z方向應變變化 74圖5-25 放在方向，GeSn-PET放在凸載台的x、y方向應變變化 75圖5-26 放在方向，GeSn-PET放在凹載台的x、y方向應變變化 75圖5-27 放在方向，GeSn-PET放在凸載台的z方向應變變化 76圖5-28 放在

方向，GeSn-PET放在凹載台的z方向應變變化 76圖5-29 放在方向，GeSn-PET放在凸載台的ε_xy剪應變變化 76圖5-30 放在方向，GeSn-PET放在凹載台的ε_xy剪應變變化 77圖5-31 GeSn-PET元件在不同曲率半徑載台上的能隙變化圖 77表目錄表3-1Ge-PET、GeSn-PET能隙計算之參數[30] 37表5-1GeSn on OSI之材料特性 63

結合MAGFET與磁電晶體之三維磁場微感測器

為了解決半導體製程ocw的問題，作者陳煒仁 這樣論述：

本研究利用台灣積體電路有限公司 (TSMC) 0.18 μm標準CMOS (Complementary metal oxide semiconducto)製程製作三維磁感測器，並採用磁電晶體 (Magnetotransistor)結構結合MAGFET (Magnetic field effect transistor)結構，磁電晶體運作原理為電子電洞的擴散與複合，相同於雙載子接面電晶體(Bipolar junction transistor, BJT)，而加入電晶體結構中特有之閘極，因閘極結構具有改變下方矽基板載子分佈的能力，藉以改善結構內之感測載子濃度與遷移率，設計概念類似MAGFET結構

，故採用此設計，使得感測靈敏度能夠得到提升，該設計利用CMOS製程中，標準NPN型雙載子接面電晶體結構為基礎，藉由改變端點配置，以達到磁場感測效果，並利用電晶體中閘極結構覆蓋感測區域，以達到強化感測靈敏度的效果。設計之磁場感測器，其感測靈敏度能夠達到149.3 mV/T，元件耗能低於40 mW。本研究採用TSMC 0.18 μm標準製程製作磁場感測器，且製程完成之晶片不需經由後製程處理，即可封裝使用。該設計結構擁有低功耗、容易整合的優點，而利用標準製程製造，能夠提高生產良率，故未來能夠應用於可攜式裝置中，達成偵測磁場之能力，即可增加可攜式產品的功能性。