TW201032340A - A silicon quantum dot near-infrared phototransistor detector - Google Patents

A silicon quantum dot near-infrared phototransistor detector Download PDF

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TW201032340A TW098106085A TW98106085A TW201032340A TW 201032340 A TW201032340 A TW 201032340A TW 098106085 A TW098106085 A TW 098106085A TW 98106085 A TW98106085 A TW 98106085A TW 201032340 A TW201032340 A TW 201032340A
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Description

201032340 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於-财量子點近紅外光電晶體彳貞測器尤 指-種製程低溫且快速’能與目前半導體工業相容亦可同時表 現出極佳之近紅外光光電響應特性之純梦且具梦量子點超晶 格結構(Si-QDSL,0r„c_Si/MS)之近紅外光電晶體偵測器。 【先前技術】 © 祕地球上最豐富之元素,且辨導體工雜長久之發展 已成為一巨大且完整而獨立之技術領域,因此矽基 (Silicon-Base)材料在非傳統應用領域中,如近來極受褐目之 光電,尤以石夕基奈米材料,包括有奈米多孔梦(p_s s出咖) 及由二氧化矽(Si02)薄膜、氧化矽(si0x<2 〇)薄膜與非晶 矽(a_Sl:H )薄膜鑲嵌或覆蓋之矽奈米晶粒(Silicon Nan〇CiySta〇 ’以及矽奈米量子點(Qu_mD〇t)等而奈米 孔洞二氧化矽(Mesop〇_ Silica,MS)則係近年來從極引人 注目之眾多奈米材料中,由於具有75%之高孔隙率 (Porosity)、極大之表面積(〜1〇〇〇m2/g)及可調之孔洞尺寸 大小(2〜lOnm),可利用其奈米尺寸之規則排列孔道組裝生 成量子點及量子線(Quantum Wire)。目前已有許多研究團隊 朝此方向研究’期望能獲得新之光與電效應等物理特性,更希 望能以此矽基奈米材料取代HI _V族半導體材料而達到節省資 源及降低成本之目的。 雖然矽奈米結構新奇之光學性質吸引了許多目光集中在 201032340 其能帶間(Interband)性質,唯其能帶内(Intra_Band)光學 性質幾乎被忽視。近年來,量子點之能帶内吸收(Intra_Band Absorption)由於係發生在紅外光譜範圍中,可非常適合發展 紅外光偵測器(IPs),因此吸引了相當大地注意;再者,量子 點紅外光偵測器亦可以克服量子井紅外光備測器一個主要缺 點,即其在一般入射光源照射下並不靈敏之缺點;然而,能帶 内之量子躍遷之研究目前幾乎僅限於瓜_v族系統,由於瓜_v 型紅外光偵測器長久以來存在著製程相容性之問題,即其所使 〇 用之材料對矽半導體製程易產生污染問題,不僅成本高且無法 相容於矽半導體工業。此外,量子井或其他如矽/錯量子點產 生方式多需搭配精密之微影、餘刻或其他高溫且耗時之製程技 術,而在經歷如此繁複製程後亦仍然無法產生控制良好、高密 度與三維分佈之量子點。 目前近紅外波段(1.3〜1.5μιη)光偵測器發展普遍應用在 火炎監測、污染分析、醫學儀器、天文觀測、光通訊甚至軍事 上等領域’其中尤以能與矽積體線路整合之矽鍺光偵測器最受 Ο 人嘱目。有鑑於此,史丹佛(Stanford)大學提出了一種新之 金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect
Tiransistoi·,MOSFET)光電開關。該裝置即係利用鍺為閘極, 因鍺具有0.8電子伏特(eV)能隙,當照射13〜丨5μπι之近 紅外光波段時,並在外加電壓下,即可造成能帶彎曲且光激發 產生電子電洞對於鍺閘極中,使正電荷累積在Ge_Si〇2介面而 吸引電子靠近二氧化梦-碎界面,以增高源、汲極間之導通性, 進而可放大光電流於汲極輸出。由此可知,基於錯之能階在 0.8eV,所以能吸收i.55pm光,因此可實現光通訊電晶體光偵 4 201032340 測器。然而,由於鍺材料不若矽基材料般製程技術成熟、成本 低、製程簡單且應用性高,其相對地較為昂貴且與許多介電材 料或矽之介面特性較差,因此整合成電晶體光偵測器較為困 難。另外’雖有施敏教授等人利用多孔矽製作1.55pm紅外波 段之光偵測器’並於2001在OPTICS LETTERS上發表了相關 論文,然而其紅外光波段量測到也只有〇·1安培/瓦(A/W)左 右之光電流響應’同時其也含有不易整合於元件之缺點。 ❺
由於紅外光偵測器已經為成熟且需求量極大之產品,目前 已廣泛地應用在生物醫學至光儲存等方面都有所貢獻。雖然矽 材料在晶片之製作等領域非常成功,唯其能隙型態為116¥大 小之間接能隙’因此至今仍無法在光電轉換之領域上有元件程 度之應用。在奈米尺度下,雖然矽材料之電子能階與其粒子大 小之相關性可使其極有可誠為下健代之光電元件;然而, 目前應用最廣泛之細器材料仍為^々族半導體,並且將其 製備成ιπ·ν^外光侧器尚具錢程_及成本高之缺 點°故’-般㈣者縣法符合使用者於實際使料之所需。 【發明内容】 繼她 =明格結構(鄉SL,OTne.s_)之私外光電刪 伯^連Γ上之目的’本發明係一物量子點近紅外光電1 偵測器’細制可調之奈纽洞二氣切 5 201032340 溫、快速以及肢面積製造之脈賊高密度電_助原子層沉 積法(Plasma Assistant Atomie Uyet Chemied Vapor Deposition, PAALD) ’使用奈米結構化石夕基薄膜為閘極介電質作為紅外光 吸收材料,成為三端奈米結構化矽氧閘極電晶體,其包括有一 基板;一設置於該基板上之類羞晶石夕層(Epi_likeSi),且該類 蟲晶矽層部分區域上係分別具有一源極及一汲極;以及一設置 於該類磊晶矽層上之閘極介電質,其中,該閘極介電質係包括 有兩緩衝層及一夾於該兩緩衝層中間之具矽量子點奈米孔洞 ❹ 二氧化矽層(Si Nanocrystal / Mesoporous Silica,nc-Si/MS ),並 在該閘極介電質上設有一閘極。藉此,利用矽薄膜奈米技術製 造之純珍且具石夕量子點超晶格結構(Si_QD SL,or nc-Si/MS ) 之近紅外光電晶體偵測器,除了具有製程低溫、快速以及可與 目刚半導體工業相容外,亦具備優越之近紅外通訊波段增益光 電響應。 【實施方式】 ® 請參閱『第1圖〜第3圖』所示,係分別為本發明矽量子 點紅外光一極體偵測器一實施例之剖面示意圖、本發明石夕量子 點紅外光偵測器對紫外-近紅外波段光之響應頻譜示意圖、及 本發明矽奈米孔洞二氧化矽層之能階示意圖。如圖所示:本發 明首先係將此具有矽奈米孔洞二氧化矽作為一矽量子點紅外 光二極體偵測器。其係利用孔徑可調且分佈均勻之奈米孔洞二 氧化矽作為模板,搭配脈衝式高密度電漿輔助原子層沉積法 (Plasma Assistant Atomic Layer Chemical Vapor Deposition, PAALD) ’於小於4〇0°C之低溫下且於數分鐘内,在此奈米孔 201032340 /同-氧化碎模板中形成二維分佈且界面良好之高密度奈米量 子點陣列,且該奈米量子點陣列係具有極佳之石夕量子點/二氧 切界面、大量之電偶_表_,同時具有册載子穿遂之 極薄二氧化石夕孔壁,因此可在不需使用非發,例如錄(Ge), 或係瓜々族半導體材料之條件下,即可於近紅外光波段有極 佳之光響應。 ❹ 於-較佳實施例中’可將上述所構成之含梦量子點超晶格 、、。構材料作為歧收層之錢半(Metal_Gxide Sem⑹响麵 M^s)二端光細元件,如第1 ®所示,以本發贿米孔洞 :氧,石夕為模板製作之梦量子點紅外光二極體偵測器丄,此結 糸石夕基板11、-形成於該發基板工工上之具石夕量子點 超晶格結構(Si-QD SL,or㈣祕)工2、以及一形成於該 2量子點超晶格結構i 2上之氧化銦錫層(lndium τώ 層1^〇) 13所構成’且該P型石夕基板11與該氧化銦錫 層13表面上可分別設置一電性連接點丄4、丄 ^^以穿透式電子麵齡析料子_晶格結構工 之尺=,4如?!圖所示,由左下角内嵌圖顯示此奈米量子點 寸為4〜U (nm),城以三維 維分佈,其密度可達2.5xl_em3。 ^呈&二 —由此含梦量子點超晶格結構材料作為光吸之 =與三端光偵測元件’其係可表現出極佳之近紅外光光電泣 一般二極體侧器之對照曲線2,作為不: 以太故其於近紅外光波段無光電響應;而其中 =作為錢半二端光制元件而言,由響 曲線〜可知’在320〜1900 nm波段皆可觀察到有 7 201032340 流’並在420、560及770 nm之矽量子點紅外光二極體偵測器 其元件之光響應曲線2a可知分別為〇 4、〇.7及0.9安培/瓦 (A/W),其最高光電轉換效率更可高達16〇%,且反應速度快 於10奈秒(ns)。更值得注意的是,9〇〇〜i 1〇〇nm處有相當明 顯之光電流響應,尤其係在波長為940nm處更高達6 。 而在1300〜1500nm波段’也量測到高達〇2A/w之光電流響 應;而以本材料作為金氧半三端光偵測元件而言,由其所得之 光響應曲線2b (此光響應曲線由曲線6a,Vg=1.2V,Vd= © 3.0V所獲得)亦同樣可知,於近紅外光通訊波段處也可觀察 到有極優異之辨應。因此’本發㈣奈米賴化$基薄膜作 為閘極介電質,藉由其中埋藏直徑為4〜5nm量子點121, 可誘發近紅外光激量子帶缝_遷效應,而錢著光通訊波 長之吸收,以產生明顯光電流效應,並達到純矽近紅外光偵測 器由於本發明之量子點1 2 ;[尺度極小,所以可建立近紅夕卜 波段之量子帶内此隙(Quantum_E任ect Intra Band Transiti〇n ), 使職H遠超過-般量子點光細㈣其内之量子點較大而 〇 僅能應用於粒外光偵測之限制。因此在155〇腦波段中,金 -氧-半三端電晶體光偵測器係可有高達28A/W之響應,不僅 對光儲存、光通訊及光伏特元件有重大助益,且亦明顯優於文 獻報導之鍺量子點光侧器之光電流響應為讀心/w。 此外’該⑦量子點近紅外光工鋪伽⑵i元件在紫外光 照條件下也可展示此元件對紫外光極佳之增益響應。當此石夕量 子點紅外光二極體細器i操作在逆偏屬時,由於該石夕基板i ^形成反轉層’其上之具梦量子點超晶格結構工2會捕獲正電 荷而增強載子由反轉層注入到4極,最終形成該具發量子點 8 201032340 超晶格結構12中產生之光激電流被放大之效應。 ❹ 在此研究中’經由第1圖構成之元件對紫外_近紅外波段 光之響應頻谱,可發現頻譜中1200〜1300nm之波段並沒有明 顯之響應’因此可推斷在1300nm以上之近紅外光響應並不係 由帶尾能態(Band-Tail States)之光學響應所引起。且由第2 圖頻譜中420nm與560nm波段之矽量子點紅外光二極體偵測 器其元件之光響應曲線2a為明顯之偵測峰值,其各自對應之 光子能態能量分別為3.0與2.2電子伏特(eV),其能差為 〇.8eV,由此對應到之光子釋放波長係約在155〇nm近紅外光 之頻譜範圍左右。因此’係可推斷此近紅外波段光之響應應為 量子帶内能隙效應所造成之,如第3圖所示。 凊參閱第4A圖及第4 B圖』所示,係分別為本發明矽 量子點近紅外光電晶體偵測器一實施例之剖面示意圖、及本發 明石夕量子點近紅外光電晶雜啦-實施例之tem照片圖。 如圖所示:本發明係一種發量子點近紅外光電晶體侧器由 =上述奈綠構化絲光魏層具有好冑· ,故將此 不米結構化德薄膜為閘極介電質作為紅外光吸收材料,成為 二端奈米結構切氧_電㈣(MetaK)xide SemieQnd_ =e_eetT_istQ1;M_T>於一較佳實施例中此石夕量 子點近紅外光電晶體_器3之通道長度為_,寬度為 美f至少包括有一石英(QUartZ)基板3 1、一設置於該 ^八之晶梦層3 2,且該_晶_ 3 2部分區域 曰石々IS :有源極3 4及一汲極3 5、以及-設置於該類磊 :兩緩衝層tm1】3 ’且該閘極介電質3 3係包括 37及一夾於該兩緩衝層36、37中間之 9 201032340 ”矽量子點超自格結構3 8,並在 ,,其中,該間極39係為多 汲極3 5之材質係為終屬。將上述 ;及該 (Transmission Electron Micro 〇 料式電子顯微鏡 4B圖所示。 卿^闕所得之橫截面如第 上述具砍量子點超晶格結構3 8係由-奈米孔洞二氧化 ❹ 該奈米孔洞二氧化㈣孔道内壁上之奈米微晶 冋密度i:子點_所構成’該絲微晶為奈麵祕,且該 具梦量子點超晶格結構3 8於魏近紅外光之丨聰〜 1900nm波絲關之杨後會產生-光電響應。
基於矽對於13GG〜155Gnm波段而言係透明之,所以發在 此段係不魏,其主魏由切量子點之絲孔輒化頻合 材料所吸收,即該具發量子點超晶格結構3 8。⑽卜來之紅外 光源則相當於一附加之閘極電壓來整流該汲極3 5端因此照 光時會造成臨界電壓(Threshold Voltage, Vtii)改變,進而可 放大光電流於該汲極3 5輸出。因此本發明之石夕量子點近紅外 光電晶體偵測器係可在近紅外波段展示極佳之光電響應,以達 到提供一純梦材料之近紅外光偵測器。 請參閱『第5圖〜第6圖』所示,係分別為本發明含發量 子點電晶體偵測器對不同波長及不同能量光線照射下其Id_Vg 特性表現比較示意圖、及本發明於1330/1550nm光源下不同問 極電壓下其Id-Vd關係比較以及光響應示意圖。如圖所示··其 係將第4 A圖之矽量子點近紅外光電晶體偵測器分別在 1550、1310及532nm雷射光照下測量各自之id_Vg特性表現 與Id-Vd關係。其中,於第5圖上層係顯示,以一無雷射光照 201032340
射之暗電流曲線4為對照組,在汲極電壓(Vd)設定為0.1 V 下,經上述三種波長以雷射功率4nW/pm2光照後,可各自量 測得光電響應電流曲線4a、4b及4c;於第5圖下層係顯示, 經1550nm波長以雷射功率4η\^/μιη2光照後所得之光電響應 電流曲線4a及以雷射功率2nW/nm2光照後所得之光電響應 電流曲線4d。而於第6圖左邊係顯示,以一無雷射光照射之 暗電流曲線5為對照組’於閘極電壓(Vg)設定為1.6及1.2V 下’經上述1550、1310及532nm波長以雷射功率4nW/nm2 〇 之光照後,可各自量測得光電響應電流曲線5a、5b及5c與 5d、5e及5f;於第6圖右邊係顯示,上述三種1550、1310 及532nm波長於Vg=1.6V及Vd=3.0V之操作電壓下,在雷射 功率為41^化1112之光照後,所得之光電響應曲線6&、615及 由上述可知,在1310nm及1550nm波長以雷射功率為 4nW&m2之光照下,會於奈米結構化矽基薄膜中產生電子電 洞對’而此奈米結構匕矽基薄膜中之矽氧介面能階會捕獲正電 荷而增強閘極電壓(+VG)於碎基底增強電子反轉層,經由電 晶體電流增益機制放大光電響應及光激電流,因此在131〇〜 1550nm光通訊波長可展示高達2.8A/W之光電響應。 藉此’本發明在近紅外波段係展示極佳之光電響應。基於 量子點之能帶内吸收係發生在近紅外光譜範圍,因此非常適合 發展近紅外光偵測器;此外,本發明量子點近紅外光偵測器亦 可克服量子井紅外光偵測器在一般入射光源照射下並不靈敏 之主要缺點。 請參閱『第7圖』所示,係本發明與其他相關研究成果之 11 201032340 比較示意圖。如圖所示:係本發明比較目前有名之紅外光偵測 器論文,可明顯發現此利用脈衝式高密度電漿辅助原子層化學 氣相沉積法’製造具高密度之發量子點超晶格(Si_QDsL)或 矽量子點/二氧化矽陣列(nC_Si/MS)之近紅外光電晶體偵測 器,其不僅可在近紅外波段展示極佳之光電響應,同時更放大 其光電響應電流,除了性能優異及可同時具備梦基紅外光_ 器與量子點型偵測器之紅外光光電響應特性優點外,更能克服 ιπ-_ν型紅外光偵測器製程不相容於矽製程技術性,而達到節 ❹ 省·及降低成本之目的。婦造上係使用與超大型積體電路 (Very Large Scale Integrated Circuit,VLSI)技術相容之旋轉塗 佈、及脈衝式高密度電漿辅助原子層沉積法等低溫、快速製 程’且完全能整合於發基材料,除了可與目前半導體工業相容 彳’聘亦絲現出極佳之近紅外光光電響麟性,因此對於 光儲存、光通訊及光伏特元件係有重大助益。 綜上所述,本發明係一種矽量子點近紅外光電晶體偵測 器’可有效改善習用之種種缺點,建構之三維奈米純石夕碎量子 ❹‘點超晶格之近紅外光電晶體偵測器,係利用低溫、快速以及易 大面積製ie之脈衝式電漿技術,使用完全與梦半導體工業相容 之材料與製程,可表現出極佳之紅外軌波段增益光電響應, 因此對於光儲存、光通訊及光雜元件係有重切益,進而使 本發明之産生能更進步、更實用、更符合使用者之所須,確已 符合發明專利申請之要件’爰依法提出專利申請。 准以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以 此限疋本發明實施之範圍;故,凡依本發明申請專利範圍及發 明說明書内容所作之簡單的等效變化與修飾,皆應仍屬本發明 12 201032340 專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 體偵測器—實施例 第1圖,係本發明矽量子點紅外光二極 之剖面示意圖。 ’係本發:子脉外光侧器對紫外近 波段光之響應頻譜示意圖。 第2圖 第3圖,係本發明奈米孔洞二氧化销之能階示意圖。
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第4 A圖’係本發明矽量子點近紅外光電晶體偵測器一實 施例之剖面示意圖。 第4 B圖,係本發明矽量子點近紅外光電晶體偵測器一實 施例之TEM照片圖。 第5圖’係本發明含矽量子點電晶體偵測器對不同波長及 不同能量光線照射下其Id-Vg特性表現比較示意 圖0 第6圖,係本發明於1330/1550nm光源下不同閘極電壓下 其Id-Vd關係比較以及光響應示意圖。 第7圖,係本發明與其他相關研究成果之比較示意圖。 【主要元件符號說明】 矽量子點紅外光二極體偵測器1 矽基板1 1 具矽量子點超晶格結構12 量子點121 氧化銦錫層13 電性連接點14、15 13 201032340 對照曲線2 光響應曲線2a 矽量子點近紅外光電晶體偵測器3 石英基板31 類磊晶矽層3 2 閘極介電質3 3 源極3 4 没極3 5 〇 緩衝層3 6、3 7 具矽量子點超晶格結構3 8 閘極3 9 暗電流曲線4 光電響應電流曲線4 a〜4 d 暗電流曲線5 光電響應電流曲線5 a〜5 f 光電響應曲線6 a〜6 c 〇

Claims (1)

  1. 201032340 .· 七、申請專利範圍: -量子點近紅外光電晶體偵測器,係以孔洞可調之奈米 雷^作氧切作為模板’藉由絲結構切基薄膜為閘極介 =紅外光吸收材料,成為三端奈米結構化魏問極電 日日骽,其包括有: 一基板; 二類蟲晶韻,係設置於該基板上,且該晶石夕層部 为區域上係分別具有-源極及-汲極; ❹ i極介電質,係設置於該晶销上,包括有兩緩 f s. ίϊπ一夾於該兩緩衝層中間之具⑦量子點超晶格結構 W-QD SL,Gr ne德s) ’並在刻極介電質上設有一閑 極,以及 中、該具♦量子點超晶格結構係由—奈米孔洞二氧化 :成於該奈米孔洞二氧化石夕中孔道内壁上之奈米微晶 =„子點_所構成,該奈米微晶為奈米微晶梦,且 二石夕篁子點超晶格結構於吸收紫外·近紅外光之挪〜謂 不米(nm) S長細社光源後會產生 。 2·:ΠΓ範圍第1項所述之概略 ,其中,該基板係為一石英(Q崎)基板。 、則ί申利範圍第1項所述之梦量子點近紅外光電晶體偵 /、以’其中’該奈米微晶之密度係為25χ1鳴心 •=申範圍第1項所述之梦量子點近紅外光電晶蠢 籍二其中,該量子點陣列係由該料米微晶以三維方式堆 積而成。 5.依據申請專利範圍第上項所述之梦量子點近紅外光電晶體伯 15 201032340 測器’其中,該量子點之直徑為4〜5nm。 6.依據t請專利範圍第1項所述之梦量子點近紅外 測器,其中,該高密度量子點陣列係以脈衝式高密度電聚輔 助原子層化學氣相沉積法⑺asmaA Chemical Vapor Deposition,PAALD )形成。 町沈 7 ·依據申請專利範圍第丄項所述之_ ° 測器,其中,該閘極係為多晶秒。子點近紅外光電晶體偵 ❹
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