本實驗元件可藉由簡單兩根單晶結構奈米線交錯製成了高效能及高自由度的奈米異質接面元件，利用本實驗室開發的臨場光譜電訊號分析儀進行材料性質的探討，突破傳統量測技術所存在的極限，解釋了半導體元件中極為重要的感測機制。
    臨場光譜電訊號分析儀的是由高精密電性量測系統及顯微拉曼光譜分析儀所組成，本實驗利用顯微拉曼系統的聚焦光束將波段在532 nm光源聚焦成直徑2微米的光點，對於奈米異質接面元件進行選區照射，並比較元件不同位置的感測能力。此部分的實驗我們成功證明了，半導體異質接面材料的多波光源段感測機制來自於接面處，而非整個元件皆會有感測能力。其中奈米異質接面元件所組成的二氧化錫(SnO2)與鍺(Ge)半導體奈米線，原先能階分別對應在紫外光波段(344 nm)與遠紅外光波段(1850 nm)，但在接觸面上產生能帶彎曲以及新增加的缺陷結構，使得元件只有在接面處產生了包含可見光波段的多波段響應。
    在半導體感測元件的氣體感測部分，在吸附上的原理及機制一直無法明確解釋，而本實驗在拉曼光譜的材料分析與電性量測數據結合下，發現當通入不同氣體時皆會對半導體材料產生影響。對元件通入吸附性氣體(一氧化氮NO)及脫附性氣體(一氧化碳CO)時，兩種性質的氣體皆會和半導體材料表面以化學性吸附方式進行反應，同時與接面處的半導體材料產生化學性鍵結，導致原先材料的特徵峰質產生位移及改變；同時影響奈米異質接面處的能障高度，使得在通入吸附性氣體時電流下降，在通入脫附性氣體時電流值上升。
    經由結合兩種不同量測儀器所開的臨場光譜電訊號分析儀，讓我們對於半導體材料的基礎性質及工作原理更加掌握，未來持續利用這套臨場量測系統探討更多的半導體材料特性，接此設計出更新穎且更高產業應用性的半導體元件，讓未來科技進步的速度能突破摩爾定律的預測。

In this research, the broadband light (from 365-940 nm) and room temperature gas (NO, CO) sensing can be achieved by using nano-heterojunction (Ge and SnO2 nanowire) device; the detail analysis can be measured by in-situ spectrum and electrical measurement system. The in-situ spectrum and electrical measurement can provide the response immediately to investigate the interface defect, band bending and Joule-heating effect through the response of the devices. For broadband light detection experiment, the visible light (532 nm) beam was illuminated at different parts of the nano-heterjunction device (p-type semiconductor, n-type semiconductor, and cross point). The broadband light responses only happen at cross point part, not at both nanowires. For gas detection experiment, the Raman spectrum and electrical signal can be used for studying gas molecule and nano-heterjunction dynamics. Base on the abovementioned experiment, we can find the parameters to create and design new nano-device in smart way.

目錄
 
摘要 ----------------------------------------------------1
第一章	簡介---------------------------------------------2
1.1 半導體材料的演進--------------------------------------2
1.2 異質接面元件------------------------------------------3
1.3 奈米異質接面------------------------------------------4
1.4 拉曼光譜---------------------------------------------10
第二章	研究動機-----------------------------------------11
第三章	儀器介紹與實驗流程--------------------------------13
3.1臨場光譜電訊號分析儀-----------------------------------13
  3.1.1臨場光譜電訊號分析儀-------------------------------13
  3.1.2顯微拉曼光譜儀------------------------------------14 
3.1.3電訊號量測系統 E5270B-------------------------------14
3.2材料表面結構分析儀器-----------------------------------15
3.2.1掃描式電子顯微鏡------------------------------------15
第四章	實驗步驟與方法-----------------------------------16
4.1元件製備---------------------------------------------16
4.2奈米異質接面元件的基本電性量測 ------------------------17
4.3臨場光譜電訊號分析------------------------------------17
  4.3.1聚焦光束光感測------------------------------------17
  4.3.2臨場光譜電訊號分析-拉曼光譜------------------------19
第五章	數據分析與感測機制--------------------------------21
5.1奈米異質接面元件之掃描式電子顯微鏡分析------------------21
5.2奈米異質接面元件的基本電性量測分析---------------------22
5.3臨場光譜電訊號分析-------------------------------------24
  5.3.1聚焦光束光感測分析--------------------------------24
  5.3.2臨場光譜電訊號分析-拉曼光譜------------------------30
第六章 結論----------------------------------------------43
引用文獻-------------------------------------------------45



圖目錄

【圖1.3.1】奈米異質接面元件SEM圖---------------------------4
【圖1.3.2】二氧化錫奈米線低倍率TEM，及選區繞射條紋-----------5
【圖 1.3.3】 二氧化錫奈米線高解析度TEM影像，成長方向為(002)
，晶格常數0.19 nm-----------------------------------------5
【圖1.3.4】鍺奈米線低倍率TEM影像，及選區繞射條紋-------------6
【圖1.3.5】鍺奈米線高解析度TEM影像，成長方向為(111)，晶格常數0.33 nm--------------------------------------------------6
【圖1.3.6】二氧化錫與鍺奈米異質接面元件在-1.5 V至1.5 V操作電壓下，電流-電壓特性曲線--------------------------------------7
【圖1.3.7】二氧化錫與鍺奈米異質接面元件在1.5 V順向偏壓下，多波段光源光感測----------------------------------------------8
【圖1.3.8】二氧化錫與鍺奈米異質接面元件在順向偏壓50度下，對氧氣與一氧化碳濃度50 ppm氣體週期性之電流-時間曲線---------------9
【圖3.1.1】臨場光譜電訊號分析儀示意圖----------------------13
【圖4.1.1】奈米異質接面元件SEM影像------------------------16
【圖4.3.1】臨場光譜電訊號分析儀-聚焦光束感測實驗示意圖------18
【圖4.3.2】聚焦光束感測實驗選區聚焦奈米異質接面處、N-type半導體二氧化錫 (SnO¬2)、及P-type半導體鍺(Ge)示意圖--------------18
【圖4.3.3】臨場光譜電訊號分析儀-拉曼光譜分析實驗示意圖------19
【圖4.3.4】奈米異質接面元件拉曼光譜分析實驗-示意圖----------20
【圖5.1.1】奈米異質接面電性量測元件在不同倍率下聚焦在奈米異質接面處(Nano-Heterojunction Cross Point)、N-type半導體二氧化錫 (SnO¬2)、及P-type半導體鍺(Ge)處SEM影像-------------------21
【圖5.2.1】奈米異質接面元件在-1.5 V至1.5 V操作電壓下，LED全域照射電流-電壓特性曲線------------------------------------22
【圖5.2.2】奈米異質接面元件在1.5 V順向偏壓下，LED全域照射週期性多波段光源光感測-----------------------------------------23
【圖5.3.1】聚焦光束感測實驗選區聚焦奈米異質接面處、N-type半導體二氧化錫 (SnO¬2)、及P-type半導體鍺(Ge)示意圖--------------24
【圖5.3.2】聚焦光束聚焦於奈米異質接面處OM影像--------------25
【圖5.3.3】聚焦光束聚焦於二氧化錫奈米線(SnO2 NW)處OM影像---25
【圖5.3.4】聚焦光束聚焦於鍺奈米線(Ge NW)處OM影像-----------26
【圖5.3.5】奈米異質接面元件在-1.5 V至1.5 V操作電壓下，聚焦光束照射電流-電壓特性曲線------------------------------------27
【圖5.3.6】奈米異質接面元件在1.5 V順向偏壓下，聚焦光束照射週期性多波段光源光感測---------------------------------------27
【圖5.3.7】二氧化錫與鍺材料能帶結構圖----------------------29
【圖5.3.8】二氧化錫與鍺奈米異質接面在順向偏壓下能帶結構圖----29
【圖5.3.9】奈米異質接面元件在順向偏壓且加溫至50度時，對一氧化氮(NO)及一氧化碳(CO)的電流變化圖----------------------------31
【圖5.3.10】奈米異質接面元件在順向偏壓下，對一氧化氮(NO)的感測機制----------------------------------------------------32
【圖5.3.11】奈米異質接面元件在順向偏壓下，對一氧化碳(CO)的感測機制----------------------------------------------------32
【圖5.3.12】奈米異質接面元件在通入不同氣體下(真空Vacuum、
一氧化碳CO、及一氧化氮NO)的拉曼能譜圖----------------------33
【圖5.3.13】奈米異質接面元件在通入不同氣體下(真空Vacuum、一氧化碳CO、及一氧化氮NO)，在拉曼位移 200至500 cm-1範圍的拉曼能譜圖---------------------------------------------------------34
【圖5.3.14】奈米異質接面元件在通入不同氣體下(真空Vacuum、
一氧化碳CO、及一氧化氮NO)在拉曼位移 600至850 cm-1範圍的拉曼能譜圖----------------------------------------------------38


表格目錄
 
【表5.3.1】奈米異質接面元件在真空下，鍺特徵峰值範圍拉曼能譜數值-----------------------------------------------------35
【表5.3.2】奈米異質接面元件在一氧化碳下，鍺特徵峰值範圍拉曼能譜數值---------------------------------------------------35
【表5.3.3】奈米異質接面元件在一氧化氮下，鍺特徵峰值範圍拉曼能譜數值---------------------------------------------------36
【表5.3.4】奈米異質接面元件在真空下，二氧化錫特徵峰值範圍拉曼能譜數值-------------------------------------------------36
【表5.3.5】奈米異質接面元件在一氧化碳下，二氧化錫特徵峰值範圍拉曼能譜數值---------------------------------------------37
【表5.3.6】奈米異質接面元件在一氧化氮下，二氧化錫特徵峰值範圍拉曼能譜數值---------------------------------------------37
【表5.3.7】奈米異質接面元件在真空下，二氧化錫特徵峰值範圍拉曼能譜數值-------------------------------------------------39
【表5.3.8】奈米異質接面元件在一氧化碳下，二氧化錫特徵峰值範圍拉曼能譜數值---------------------------------------------39
【表5.3.9】奈米異質接面元件在一氧化氮下，二氧化錫特徵峰值範圍拉曼能譜數值---------------------------------------------40
【表5.3.10】奈米異質接面元件在真空下，二氧化錫特徵峰值範圍拉曼能譜數值-----------------------------------------------40
【表5.3.11】奈米異質接面元件在一氧化碳下，二氧化錫特徵峰值範圍拉曼能譜數值--------------------------------------------41
【表5.3.12】奈米異質接面元件在一氧化氮下，二氧化錫特徵峰值範圍拉曼能譜數值--------------------------------------------41

1.    P. Wadhwa, G. Seol, M. K. Petterson, J. Guo and A. G. Rinzler. "Electrolyte-induced inversion layer Schottky junction solar cells." Nano letters 11(6): 2419-2423. (2011)
2.    J. Zhou, Y. Gu, Y. Hu, W. Mai, P.-H. Yeh, G. Bao, A. K. Sood, D. L. Polla and Z. L. Wang. "Gigantic enhancement in response and reset time of ZnO UV nanosensor by utilizing Schottky contact and surface functionalization." Applied Physics Letters 94(19): 191103. (2009)
3.    B. Polyakov, B. Daly, J. Prikulis, V. Lisauskas, B. Vengalis, M. A. Morris, J. D. Holmes and D. Erts. "High‐Density Arrays of Germanium Nanowire Photoresistors." Advanced Materials 18(14): 1812-1816. (2006)
4.   T.-Y. Wei, P.-H. Yeh, S.-Y. Lu and Z. L. Wang. "Gigantic enhancement in sensitivity using Schottky contacted nanowire nanosensor." Journal of the American Chemical Society 131(48): 17690-17695. (2009)
5.   L.-J. Bie, X.-N. Yan, J. Yin, Y.-Q. Duan and Z.-H. Yuan. "Nanopillar ZnO gas sensor for hydrogen and ethanol." Sensors and Actuators B: Chemical 126(2): 604-608. (2007)
6.    M.-W. Ahn, K.-S. Park, J.-H. Heo, D.-W. Kim, K. J. Choi and J.-G. Park. "On-chip fabrication of ZnO-nanowire gas sensor with high gas sensitivity." Sensors and Actuators B: Chemical 138(1): 168-173. (2009)
7.    P. H. Yeh, Z. Li and Z. L. Wang. "Schottky‐Gated Probe‐Free ZnO Nanowire Biosensor." Advanced Materials 21(48): 4975-4978. (2009)
8.    G.-J. Zhang, L. Zhang, M. J. Huang, Z. H. H. Luo, G. K. I. Tay, E.-J. A. Lim, T. G. Kang and Y. Chen. "Silicon nanowire biosensor for highly sensitive and rapid detection of Dengue virus." Sensors and Actuators B: Chemical 146(1): 138-144. (2010)
9.    C. Xie, B. Nie, L. Zeng, F.-X. Liang, M.-Z. Wang, L. Luo, M. Feng, Y. Yu, C.-Y. Wu and Y. Wu. "Core–shell heterojunction of silicon nanowire arrays and carbon quantum dots for photovoltaic devices and self-driven photodetectors." Acs Nano 8(4): 4015-4022. (2014)
10.   Y. Wang, S. Li, H. Shi and K. Yu. "Facile synthesis of p-type Cu 2 O/n-type ZnO nano-heterojunctions with novel photoluminescence properties, enhanced field emission and photocatalytic activities." Nanoscale 4(24): 7817-7824. (2012)
11.   Y. Guo, Q. Tang, H. Liu, Y. Zhang, Y. Li, W. Hu, S. Wang and D. Zhu. "Light-controlled organic/inorganic P− N junction nanowires." Journal of the American Chemical Society 130(29): 9198-9199. (2008)
12.   L. Ma, W. Hu, Q. Zhang, P. Ren, X. Zhuang, H. Zhou, J. Xu, H. Li, Z. Shan and X. Wang. "Room-temperature near-infrared photodetectors based on single heterojunction nanowires." Nano letters 14(2): 694-698. (2014)
13.   C.-M. Chang, C.-H. Hsu, Y.-W. Liu, T.-C. Chien, C.-H. Sung and P.-H. Yeh. "Interface
 engineering: broadband light and low temperature gas detection abilities using a nano-heterojunction device." Nanoscale 7(47): 20126-20131. (2015)
14.   J. Wang, D. Liu, X. Yan, H. Yuan, L. Ci, Z. Zhou, Y. Gao, L. Song, L. Liu and W. Zhou. "Growth of SnO2 nanowires with uniform branched structures." Solid State Communications 130(1-2): 89-94. (2004)
15.   J. Zhou, M. Zhang, J. Hong and Z. Yin. "Raman spectroscopic and photoluminescence study of single-crystalline SnO2 nanowires." Solid State Communications 138(5): 242-246. (2006)
16.   A. Leonardy, W.-Z. Hung, D.-S. Tsai, C.-C. Chou and Y.-S. Huang. "Structural features of SnO2 nanowires and raman spectroscopy analysis." Crystal Growth and Design 9(9): 3958-3963. (2009)
17.   W. Wang, C. Xu, G. Wang, Y. Liu and C. Zheng. "Synthesis and Raman scattering study of rutile SnO 2 nanowires." Journal of Applied Physics 92(5): 2740-2742. (2002)
18.   M. S. Park, Y. M. Kang, G. X. Wang, S. X. Dou and H. K. Liu. "The effect of morphological modification on the electrochemical properties of SnO2 nanomaterials." Advanced Functional Materials 18(3): 455-461. (2008)
19.   L. Li, X. Fang, H. G. Chew, F. Zheng, T. H. Liew, X. Xu, Y. Zhang, S. Pan, G. Li and L. Zhang. "Crystallinity‐Controlled germanium nanowire arrays: Potential field emitters." Advanced Functional Materials 18(7): 1080-1088. (2008)
20.   Y. Zhang, Y. Tang, N. Wang, C. S. Lee, I. Bello and S. Lee. "Germanium nanowires sheathed with an oxide layer." Physical Review B 61(7): 4518. (2000)
21.   R. Jalilian, G. Sumanasekera, H. Chandrasekharan and M. Sunkara. "Phonon confinement and laser heating effects in Germanium nanowires." Physical Review B 74(15): 155421. (2006)
22.   H.-Y. Chang, L. Tsybeskov, S. Sharma, T. Kamins, X. Wu and D. Lockwood. "Photoluminescence and Raman scattering in axial Si/Ge nanowire heterojunctions." Applied physics letters 95(13): 133120. (2009)
23.   A. Kolobov. "Raman scattering from Ge nanostructures grown on Si substrates: Power and limitations." Journal of Applied Physics 87(6): 2926-2930. (2000)