矽材質之正本負感光二極體的製程與量測｜國立中央大學博碩士論文系統

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研究生：	潘俊成 JunCheng Pan
論文名稱：	矽材質之正本負感光二極體的製程與量測 The fabrication and characterization of Silicon PIN photodiode
指導教授：	李文献 Wen-Hsien Li
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 物理學系 Department of Physics
畢業學年度：	88
語文別：	中文
論文頁數：	61
中文關鍵詞：	正本負、感光二極體
外文關鍵詞：	PIN, Photodiode
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光碟機的速度，主要取決於碟機馬達的轉速。但是，當光學讀取頭裡的光檢測器的感應不是如此靈敏的話，那馬達的轉速再快也是徒然。就DVD規格而言，一倍速DVD讀寫頭中的光檢測器的頻寬約為1MHz，當DVD倍速增加時，光檢測器的頻寬就要跟著倍速增加。譬如十倍速的DVD，其光檢測器的頻寬也要有10MHz。
在本論文中，我們主要是針對這個讀寫頭裡的PIN感光二極體的基板材料（基板的電阻率）的選取，對製造完成後的元件，其特性的影響，如暗電流、光響應度、量子效率及反應速度等。
大略可以從結果中看出，選取低阻值的wafer作為PIN感光二極體的基材，較為不妥當，在各方面的測試中都不設理想。

第一章導論
1-1簡介.................................................1
1-2研究動機.............................................2
第二章PIN感光二極體原理
2-1 光的種類..................................................5
2-2 輻射轉換..................................................5
2-3 光的吸收..................................................7
2-4 PN接面...................................................7
2-5 PN與PIN感光二極體.......................................11
第三章元件的製成與量測儀器架設
3-1 先前晶片清洗.............................................21
3-2 改變本質層的載子濃度.....................................22
3-3 第一製成步驟.............................................23
3-4 第二製成步驟.............................................26
3-5 第三製成步驟.............................................26
3-6 第四製成步驟.............................................27
3-7 晶片切割與打線(wire bonding).............................29
3-8 量測儀器的架設...........................................30
第四章元件的量測分析
4-1 暗電流的量測.............................................42
4-2 光生電流（量子效率）的量測...............................43
4-3 頻寬（反應速度）的量測...................................47
第五章結果討論與未來展望
5-1 結論.....................................................60
5-2 未來展望.................................................61
表目錄
表3-1、樣品的阻值與佈植濃度的關係............................22
表4-1、各個樣品與偏壓的暗電流................................42
表4-2、PD1在各偏壓與光照功率所得到的光生電流.................44
表4-3、PD2在各偏壓與光照功率所得到的光生電流.................44
表4-4、PD3在各偏壓與光照功率所得到的光生電流.................44
表4-5、PD4在各偏壓與光照功率所得到的光生電流.................45
表4-6、PD5在各偏壓與光照功率所得到的光生電流.................45
表4-7、各樣品的量子效率......................................47
表4-8、各個樣品與偏壓的頻寬(Hz)..............................47
圖目錄
圖1-1、碟機讀取頭示意圖.......................................4
圖1-2、Se,Si,Ge的光響應涵蓋範圍...............................4
圖2-1、由紫外線區到紅外線區的電磁光譜........................14
圖2-2、電子與光子的三個主要交換作用：
(a)吸收;(b)自發放射;(c)誘發放射.......................14
圖2-3、光的吸收情形：
(a)hn=Eg;(b) hn>Eg;(c) hn 圖2-4、接面二極體的擴散......................................15
圖2-5、熱平衡狀況下p-n接面的能帶圖...........................16
圖2-6、不同之感光二極體之量子效率與波長之關係................16
圖2-7、p-n感光二極體構造圖...................................17
圖2-8、p-i-n感光二極體；
(a)直立式p-i-n感光二極體截面圖；(b)反向偏壓下能帶圖 (c)載子吸收特性..............................................17
圖2-9、PIN接面；
(a)費米能階;(b)空間電荷分佈;(c)電場分佈;(d)電位........18
圖2-10、(a)本質半導體受激發產生電子、電洞對;
(b)電子、電洞對的傳導................................19
圖2-11、(a)加入雜質成n type的半導體載子;
(b)加入雜質成p type的半導體..........................20
圖3-1、旋轉器的側視結構......................................33
圖3-2、熱墊板的側視結構......................................33
圖3-3、SUSS Mask Aligner MA6曝光機...........................34
圖3-4、RIE示意圖.............................................34
圖3-5、顯影後的αstep測量圖..................................35
圖3-6、蝕刻完去光阻前的αstep測量圖..........................35
圖3-7、蝕刻完去光阻後的αstep測量圖..........................35
圖3-8、90%的磷及硼活性之回火溫度對劑量之關係.................36
圖3-9、把pin感光二極體bonding 在一腳座上.....................36
圖3-10、各光罩的pattern......................................37
圖3-11、pin二極體整個製成的剖面圖............................38
圖3-12、完成之樣品照片.......................................39
圖3-13、電路連接圖...........................................40
圖3-14、電路示意圖...........................................40
圖3-15、實驗光路設置.........................................40
圖3-16、感光二極體上升時間取樣圖.............................41
圖4-1、PD1之I-V曲線圖........................................49
圖4-2、PD2之I-V曲線圖........................................49
圖4-3、PD3之I-V曲線圖........................................50
圖4-4、PD4之I-V曲線圖........................................50
圖4-5、PD5之I-V曲線圖........................................51
圖4-6、各樣品暗電流與偏壓的關係圖............................52
圖4-7、 PD1各偏壓之光電流與入射光強度關係圖..................53
圖4-8、 PD2各偏壓之光電流與入射光強度關係圖..................53
圖4-9、 PD3各偏壓之光電流與入射光強度關係圖..................54
圖4-10、PD4各偏壓之光電流與入射光強度關係圖..................54
圖4-11、PD5各偏壓之光電流與入射光強度關係圖..................55
圖4-12、各樣品在0V偏壓下的光電流與入射光強度關係圖...........52
圖4-13、各樣品在1V偏壓下的光電流與入射光強度關係圖...........52
圖4-14、各樣品在2V偏壓下的光電流與入射光強度關係圖...........53
圖4-15、各樣品在5V偏壓下的光電流與入射光強度關係圖...........53
圖4-16、各樣品在8V偏壓下的光電流與入射光強度關係圖...........54
圖4-17、各樣品在10V偏壓下的光電流與入射光強度關係圖..........54
圖4-18、各樣品的量子效率與偏壓的關係圖.......................55
圖4-19、各樣品的頻寬與偏壓的關係圖...........................55

                                

1.S. M. Sze, J. Y. Zhang, ”Semiconductor Devices Physics and Technology”, Wiley Intersciwnce, pp.336.
2. S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices,2nd ed., Wiley, New York, 1981, Chapter 12-14.
3.S. R. Forrest, “Photodiodes for Long-Wavelengths Commmunication Systems,” Laser Focus, 18, 81(1982)
4.M.Aceves,P.Rosales,A.Cerdeira,M.Estrada,A.E.Cabal,Jramirez.”Investigation on the Reduction of the Dark Current for PIN Silicon Photodiodes Using Statistical Methods.”IEEE 98 IRW FINAL REPORT,pp.107-108,1998
5.M.Shi,J.Y.Zhang,”Semiconductor Devices Physics and Technology”, Wiley Intersciwnce,pp503
6.For a discussion on ion implantation in silicon,see,for example, T.E.Seidel, ”Ion Implantation,”in S.M.Sze,Ed.,VLSI Technology, McGraw-Hill,New York,1983
7.B.L.Crowder and F.F.Morehead,Jr.,”Annealing Characteristics of n-type Dopants in Ion Implanted Silicon,”Appl. Phys. Lett.,14,313(1969)
8.齊丕智, 何民才, “光敏感器件及其應用”, 科學出版社, 105∼109頁
9.Wen Luh Yang, Tan Fu Lei, Chung Len Lee,”A self-aligned vertical kelvin test structure to measure contact resistivites of Al and Ti on Si”, IEEE, pp.267, June 1989
10. Peter T. Wright, William M. Loh, KRISHNA C. SARASWAT,”Low-resistance sumicrometer contacts to silicon”,IEEE Transactions on electron devices, vol 35, no 8,pp1328, August 1988
11.HIROSHI ONODA,”Dependence of Al-Si/Si contact resistance on substrate surface orientation”, IEEE electron device letters, vol 9, no 11, pp613, November 1988

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