單一氮化鎵奈米線之光電導與電傳導的尺寸效應

Size-dependent photoconductivity and electroic transport in single GaN nanowire

陳新鎰(Hsin-Yi Chen)

指導教授 ： 楊英杰

共同指導教授 ： 陳貴賢 ； 林麗瓊(Li-Chyong Lin)

國立臺灣大學/電機資訊學院/電子工程學研究所/碩士(2005年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2005.00779

摘要

本論文針對一維奈米結構結構(1-D nanostructure)氮化鎵奈米線(GaN nanowire)的光電導(photoconductivity)和電傳導行為(electronic transport)做分析，並探討尺寸效應(size effect)對光電導和電子傳導的影響。

我們發現不同直徑的奈米線在光電導和電傳導實驗會有不同的現象產生，當奈米線直徑在小於臨界直徑(critical diameter,80-100nm)時的結果會和大於臨界直徑時的電傳導特性完全不同，這顯示了一維奈米結構的尺寸侷限效應(size confinement effect)。而尺寸效應造成的光電導和電傳導特性可用奈米線的能帶圖(energy band)來解釋，我們發現奈米線表面的氧化層表面態會導致奈米線的費米能階釘住(fermi level pinning)而產生能帶彎曲(band-bending)，此彎曲的程度會決定電子的傳輸特性。因此在此論文中，我們提出三種不同尺寸下的奈米線能帶圖，並藉此來解釋不同尺寸下的光電導和電傳導特性。

根據我們的假設和實驗結果，我們認為奈米線表面最易為氧原子所吸附。而由於氧原子表面態(oxygen donor-like state)的存在，且此表面態扮演一個施子(donor)的角色，因此每個氧原子會丟出一個電子，所以表面會產生大量的電子。而大量表面電子濃度導致電子會往中央擴散，因此需要一個飄移電流（drift current）平衡，故會產生內建電場（built-in potential）由右向左，因此電子會往表面集中產生表面累積(surface accumulation)。故能帶圖應為凸形能帶(convex band-bending)，而非一般由表面鎵原子所造成的凹形能帶(concave band-bending)。且我們認為此表面態的位置高於氮化鎵的費米能階，根據這些假設我們可以提出三種不同尺寸（大於、小於、等於臨界直徑）時的能帶圖（圖2-4所示）。
在光電導實驗下我們發現在照射310nm的UV light時，直徑越小時其反應度(responsivity)越高，這可用直徑小於臨界直徑時的能帶圖來解釋。當照光時電子電洞會往兩端分開（spatial separation），因此增加了載子的生命期（carrier lifetime）並減少了復合（recombination）的機率。所以直徑越小時彎曲的程度越高，電子電洞越往兩端分開，復合機率也越小，所以當奈米線的直徑越小時其反應度越高。因此由光電導實驗可證實尺寸效應的存在。而在低溫的電導實驗中我們發現，當直徑小於臨界直徑時，奈米線的電導呈現幾乎不隨溫度而變（temperature-independent）的現象，而直徑大於臨界直徑的奈米線則呈現一般半導體的行為。這亦可由凸型能帶圖來解釋，當直徑小於臨界直徑時，此時電子被累積在表面且費米能階在導電帶底部上面，因此無論低溫或高溫時電子都被累積在表面且在導電帶底部上面，故其電導幾乎不隨溫度而變。而當直徑大於臨界直徑時，此時會有中性區（neutral region）存在奈米線內。故低溫時電子在活化能階（activation energy）上，而隨著溫度增加，越來越多的電子會被激發到導電帶上面，所以電導隨溫度上升而呈指數增加，呈現一般半導體現象，故由低溫電導實驗也證明了尺寸效應的存在。故由我們建立的三種不同尺寸能帶模型，我們可以完整的解釋氮化鎵奈米線的光電導和電子傳導特性，同時尺寸效應也一併被證明存在於一維結構的氮化鎵奈米線。

關鍵字

氮化鎵 ； 奈米線 ； 光電導 ； 電子傳輸 ； 電子電洞分隔 ； 表面電子累積

並列摘要

The thesis corroborates the size-dependent photoconductivity and electronic transport in GaN single nanowire. By calculating GaN SNW (single nanowire) responsivity in different diameter, we find that single nanowire with smaller diameter has higher responsivity and higher gain. On the contrary, bigger nanowires have opposite results. On the other hand, the temperature-dependent result also reveals size-dependent in GaN SNW. Bigger nanowires show bulk GaN semiconductor properties and smaller ones (D<80nm) show temperature-independent
behavior.These phenomena imply size-effect in single GaN nanowire.

The size effect which reveals in photoconductivity and low temperature results could be explained by donor-type oxygen surface state on the nanowire surface. In order to illustrate how oxygen surface state affects electron transport, we propose three important suggestions to explain it. One is spatial separation, the other is that oxygen atom plays a role of donor type, which leads to convex band-bending, another is that oxygen surface state is above conduction band. These suggestions could completely interpret nanowire electronic transport in different diameter. And all suggestions that we proposed have been confirmed to be consistent with our experimental results.

並列關鍵字

GaN ； nanowire ； photoconductivity ； electronic transport ； spatial separation ； surface accumulation

參考文獻

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