TW201201392A - Semiconductor photosensing device - Google Patents

Description

201201392 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-種光債測裝置；具體而言，本發明係 關於一種半導體光感測元件。 【先前技術】 一般的光感測元件多為兩端結構（光二極體）之光感測 器，該等元件無法提供三端（類似光電晶體）可控制增益的 功能。此外，在光感測電晶體設計技術中，常直接以極薄 之金屬層或於一 ITO透明導電層上再沉積一金屬層以作為 光感測閘極電極結構，由於該等閘極結構透光性不佳，致 使大幅限制光感測特性。 而光感測元件當中，高電子移動率電晶體的設計在近年 來已有實質的進步。由於其擁有本質的高速及光偶合能 力’因此尚電子移動率電晶體（HEMT)是可供光電積體電路 (OEIC)及光纖接收(fiber-optic receiver)應用之具有潛力 的電晶體。光檢測技術如勞光（photoluminescence)、電螢 光（electroluminescence)及拉曼光譜皆已應用於HEMT上。 由於緩衝層及基板的光學吸收，而會使測量準减度下降。 目前為止，銦錫氧化物（IT0)是最普遍的透明導電薄膜， 然而ITO的缺點包含不穩定化學穩定性、較高的生產成本 以及銦元素的高擴散性。而氧化鋅因具有較廣的能帶隙於 3 00k有3.3 7eV ’故近來受到重視。並由於其良好的光學、 201201392 電：壓電性質，因此常運用於薄膜電晶體的背閉極材 科:然而上述的HEMT在轉導增益、閘極絕緣、光響應、電流驅 動此力、電子傳輪特性、透光率及光偶合率及電壓可調變增益等方 面仍有改進的空間。 【發明内容】

、，本發明揭不’半導體光感測元件，其包含基板、閑極 土接觸層、；及/源極歐姆接觸層、汲極電極板、源極電 極板及！呂摻雜氧化辞之閘極電極板。閘極肖特基接觸層設 置於基板上，而汲/源極歐姆接觸層設置於閘極肖特基接觸 層上汲極電極板及源極電極板，分別形成於汲/源極歐姆 接觸層上，以供形成半導體光感測元件。此外，閘極電極 板之材質包含鋁摻雜氧化鋅，因此對於其轉導增益、閘極 絕緣、光響應、電流驅動能力、電子傳輸特性、透光率及 光偶合率及電壓可調變增益具有實質改善。 【實施方式】 圖1顯示本發明實施例的半導體光感測元件1〇之剖面示 意圖。半導體光感測元件10包含基板11，基板丨丨為指向性 半絕緣珅化鎵基板11。在此實施例中’ 5〇〇nrn厚之珅化鎵 緩衝層21設置於基板11上。接續是5〇nm厚之砷化鋁鎵 (八1〇.22〇3〇.78八3)之緩衝層22及複合緩衝層23，緩衝層22係 設置於砷化鎵緩衝層21上而複合緩衝層23則設置於緩衝層 22上。在此實施例中，複合緩衝層23包含50nm厚度之坤化 在呂鎵（AlQ.22Ga〇.78As)層及50nm厚度之神化鎵層。在此實施 201201392 例中，複合緩衝層23上設置一第一摻雜層24，其為摻雜密 度1x10 cm之梦δ摻雜所形成。並以厚度5nm之隔絕層 25，其材質為砷化鋁鎵（Al0^Gao.sAs)，設置於第一摻雜層 24上〇

如圖1所示之實施例中，隔絕層25上進一步設置載子通道 層26 ’此載子通道層26係為15nm厚之砷化銦鎵 (Ino.zGao.sAs)。並在載子通道層26上更設置一隔絕層27， 隔絕層27的厚度與材質與隔絕層25並無差異。在此實施例 中，隔絕層27進一步設置一第二摻雜層28，其摻雜密度較 第一摻雜層24高4倍，而為4xl012 cm-2，第二摻雜層28與第 一摻雜層24皆為矽δ摻雜所形成。在此實施例中，第二摻雜 層28上設置閘極肖特基接觸層12，其原本厚度為8〇nm但因 中央區域包含閘極缺口 3 1 ’因此閘極缺口 3丨附近的閘極肖 特基接觸層12之厚度僅為4〇nm，該閘極肖特基接觸層丨2為 無穆雜肖特基接觸層丨2其密度為3xl0" cm·3，並以l〇nm厚 之石申化銦鎵（In。QiGa〇 "As)之蓋層Μ，其密度為3χ1〇丨8 cm_3 而覆蓋閘極肖特基接觸層12。回火後之金鍺/金合金用來當 成汲/源極歐姆接觸層13 ’並以射頻反應性磁控電子管濺鍍 系統开^成11 〇nm厚之2%重量百分比之鋁摻雜氧化鋅（AZO) 閘極電極板14於砷化鋁鎵（Al0jGao.sAs)之閘極肖特基接觸 層12上。沉積功率、腔室氣壓及沉積速率分別為15W，1 mTorr及 133 nm/min。 在此以具金（Au)閘極之傳統高電子移動率電晶體（閘極厚 度80〇A)為對照組’其閘極尺寸為1 χ 1 〇〇。通常低頻雜訊 201201392 頻雜二ί反應表面的性質。如圖2所示，兩者相似的低 生’、㈣證實以低射頻_功率而形成的αζ◦沉積並不會 造成半導體表面明顯的損傷 '然而，在其他實“

導體光感測元件10亦可只包含基板u、設置於該：板η: 閘極宵特基接觸層12、設置於該閘極肖特基接觸層以上之 汲/源極歐姆接觸層13、沒/源極電極板分別形成於該汲/源 極歐姆接觸層13上以及材質為銘換雜氧化鋅之閑極電極板 14,形成於閘極肖特基接觸層12之上。在此實施例中，汲/ 源極歐姆接觸層13係經Ν型摻雜處理。在其他變化實施例 中，亦可進一步包含設置於該基板u上之緩衝層22、設置 於該緩衝層22上之載子通道層26、設置於該載|通道層％ 上之隔絕層2 5以及設置於該隔絕層2 5上之載子供應層2 8。 其中閘極肖特基接觸層12設置於載子供應層28上。 在上述實施例中，基板11之材質係選自矽、二氧化矽、 鍺化矽、砷化鎵、磷化銦、碳化矽及氧化鋁所組成之族群 中的一種材質。而緩衝層22之材質係選自鍺化矽 '磷化物' 銻化物、砷化物及氮化物所組成之族群中的一種材質。且 載子通道層26之材質係選自麟化物、錄化物、神化物及氮 化物所組成之族群中的一種材質。隔絕層27之材質係選自 填化物、録化物、神化物及I化物所組成之族群中的一種 材質。其中載子供應層28可藉由δ摻雜層或均勻摻雜層膜所 構成。而該閘極肖特基接觸層12係選自鍺化矽、磷化物、 録化物、砷化物及氮化物所組成之族群中的一種材質。且 該汲/源極歐姆接觸層13係選自鍺化矽、磷化物、銻化物、

LSI 201201392 砷化物及氮化物所組成之族群中的一種材質。其中汲/源極 極板材質包含鍺化金/鎳/金/銀，並經由回火製程所形成之 多層合金組成。然而，閘極電極板14係藉由射頻磁控濺鍍 技術所製成。在本發明中，氧化鋅可進一步摻雜之雜質係 選自（Ga)、氮（N)、氟（F)、鐵（Fe)、錳（Mn)、鈷（c〇)、pr3+、

Dy3+、Ho3+ ' Er3+、Tm3+、Sm3+、Dy3 +及稀 土離子（RE3+) 所組成之族群中的一種材質。 如圖3所示之典型的電流-電壓於3〇〇κ：的特性。圖4顯示 外部轉換互導（gm)及汲/源極電流密度（/ds)的特性。 AZO-HEMT之最高外部轉換互導（gm max)、汲/源極飽和電流 进度（7dss，定義於VGS=〇V)及最高/Ds分別為137 mS/mm， 220.4 mA/mm 及 326 mA/mm。而 Au-HEMT(金-HEMT)之最 问外部轉換互導（gm max)、汲/源極飽和電流密度（，Dss，定義 於 VGS = 〇V)及最高 /ds(/ds 臟）分別為 14〇 mS/mm，21〇 5 mA/mm及335.7 mA/mm。兩種HEMT證明在偏壓厂DS=3V 時’在量方面有較好的0n/0ff /DS比率約5級。較佳的夾止 特性係起因於所設計的砷化鋁鎵/砷化鎵複合緩衝層23，其 可有效地降低基板11的漏電流β AZO及Au-HEMT以UV光電 子光4 AC-2模式及氦氣燈以21.2eV發射所測得的功函數 分別為4.8(5·1 )eV。而AZO及（Au-)HEMT分別之肖特基能障 问（Φβ)、理想因子、飽和電流密度各別為〇 55(〇 69)eV， 1-38(1.27)及4.8x10-6(2.8X1〇-8)mA/mm。上述結果是由正偏 壓閘/汲極電流特性所產生，如同圖5所示。厚丨1〇nmAZ〇 層在玻璃基板上之電阻係數經28〇SI四點探針系統量測為 201201392 6.05χ1(Γ4Ω cm ;而厚800A之金層在玻璃基板上之電阻係數 經280SI四點探針系統量測為8χ10·4Ω cm。而AZO及 (金）HEMT分別相應的單位面積阻值為55(1)Ω,/|Ι!。AZO閘 極比金閘極具有較低的肖特基能障高（ΦΒ)將導致於 KGS=0V時ΑΖΟ閘極具有較高的二維電子氣（2DEG)濃度 〇2deg)。這也是為何AZO-HEMT比Au-HEMT顯示出較高的 /DSS。而AZO-HEMT比Au-HEMT具有較低的/DS,max係由於 AZO電極較高的電阻係數。這將造成AZO-HEMT比 Au-HEMT的閘極調變能力較低。其臨限電壓（Fth)可如下列 方程式一所表現： Φβ W2DEG(^d + Δί/)

Kth =—----式一 q q ε 其中g為電荷、ε為半導體介電常數、（☆+△ A為閘極與 2DEG位置之間的距離，以及AEc為異質結構導電帶不連 續。藉由式一，本發明AZO-HEMT預期比傳統Au-HEMT顯 示出較低的臨限電壓（Fth)值，這是因為它具有較低的肖特 基能障高（ΦΒ)與較高的二維電子氣濃度（《2DEG)。藉由汲/源

I 極電流密度（/ds)的平方根相對於KGS軸的截距，決定出 AZO-HEMT與（Au-HEMT)各別的臨限電壓（Fth)值為-1.9V 及-1.55V。而閘極電極變動率（GVS)定義為可行的FGS範 圍，其中外部轉換互導（gm)不小於最高外部轉換互導（gm，max) 之90%。AZO-HEMT顯示出1.1 8V之改善的閘極電極變動 率，其相對於1.01V的/DS範圍為166mA/mm，而Au-HEMT 的/ds範圍為145mA/mm。因此，現存的AZO-HEMT適合於 E S) -9- 201201392 製造為具有南線性的放大器。 輪出傳導率（gd)，相關的gm及本質電壓增益（Αν)等實驗裝 置於300Κ，如圖6所示。本質電壓增益（av)可定義如下列 式二：

Ay =— 式二 茗d 當 AZO-HEMT及（Au-HEMT)分別受到偏壓 FGS=-1.5(-1.0)V以及 FDS=3V時，最佳的 Av、gm,max 及 gd 各別 為 257(214)、133.5(135.5) mS/mm 以及 0.52(0.63) mS/mm。 AZO-HEMT已經顯示出比Au-HEMT改善20%的Av。這是因 為改善的gd特性對於ΑΖΟ-ΗΕΜΤ，是下降至閘極偏壓以至 於獲得gm,max，而具有較低肖特基能障高。經使用HP8510B 向量網路分析儀運用連續探針來量測單增益斷流頻率。 AZO-HEMT及（Au-HEMT)裝置偏壓條件個另J為FDS=3V及 FGS=-1.5(-1.0)V。由 AZO-HEMT及（Au-HEMT)於 300K所獲 得之可比較的/τ值為20.5 GHz。這主要是由於兩種裝置的 gm，max對於/τ值的影響相似。順向導通電壓（Κοη)及閘/汲崩潰 電壓（BVGD)經定義為閘/沒電流密度的程度為imA/mm。由 圖5可知，AZO-HEMT與Au-HEMT於300K時，其閘/汲崩潰 電壓（BVGD)與順向導通電壓分別各自為-63(-13.4)及 3·4(1.2)ν。本發明AZO-HEMT較佳的閘/汲隔絕是由於AZO 閘極的良好絕緣特性^這是因為鋁摻雜氧化鋅能有效抑制 結晶生長並能改善微結構的一致性。AZO-HEMT所改良的 閘/汲隔絕特性能經由上述之四點探針系統量測其電阻係 201201392 數證實之。 1 lOnm厚而設置於玻璃基板上之AZ〇薄膜經〇“犯 Opticas USB4000光譜儀（以LS_1CAL標準源校準）測量所 顯示出的穿透光譜，如圖7所示。AZ〇薄膜經證實於波長 400-900nm之間具有88_98%的穿透率。這很適合應用於 850nm光纖通訊接受器。除此之外，在HEMT結構中，砷化 銦鎵電子通道之不同次能帶之間的電子與電洞的輻射重合 φ 將導致不同光子能量。而光子輻射很容易經由PL測量所監 控。PL特徵係經由具有以半導體雷射（532mn，70mW)為激 發源之DM500i系統而測量。如圖8所示，於300K對於 AZO-HEMT及無進一步精製之磊晶樣本的PL光譜。可以明 顯地觀察到較低（較高）的能量射出波峰分別為 1.27(1.33)eV，e丨-hhKerhh!)，這是由於電子從珅化麵鎵電 子通道之第一（第二）電子次能帶ei/ej躍遷至第一重電洞 帶hh。這些現象經由比較半導體雷射之計算能帶隙能量而 _ 證實本發明HEMT具有PL波峰的輻射能量。幾乎相同的 e,-hh1(e2-hh1)波峰寬度半高值 0.0723/0.0731 (0.073/0.0741)eV於AZO-HEMT製造前後的樣本中獲得。因 此，本發明之設計能應用於裝置上當HEMT操作時具有光 學特性。 除此之外’如圖9所示’顯示出AZO-HEMT與Au-HEMT 的室溫/- K特性之黑暗與白光照明的比較。入射光光功率 (户。pt)為13dBm。很明顯地’ Au-HEMT並無光照反應被觀察 到，正因為其不透光的閘極。在光照明下’ AZO-HEMT的 m -11 - 201201392 汲/源極電流密度（/DS)是增加的。光電流（/ph)定義為在光照 明之前與之後的jDS差異。而反應率（及）可表現為： R=-^~ 戶Dpi 式三 AZO-HEMT經證實的可調變電壓反應率特性為〇. i，〇」i， 0.13, 0.16, 0.13及 0.01 A/W，當 KDS=3V，而 KGS分別為 〇.5, 0, -0.5，-1，-1.5及-2V。相對的 /ph值則為 2，2.2, 2.5, 3.1, 2.5及 〇·2 mA。本發明良好的光感測能力是由於azo閘極的高透 明度及背景漏電流的下降。後者是由於本發明Az〇_HEMT 設計的閘/汲極隔絕的改善並下降基板電流所導致。 本發明之技術内容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本 項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不 背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍 應不限於實施範例所揭示者，而應包括各種不背離本發明 之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。 【圖式簡要說明】 圖1顯示根據本發明一實施範例的半導體光感測元件之 結構剖面示意圖； 圖2顯示根據本發明一實施範例的半導體光感測元件之 雜訊比較示意圖； 圖3顯不根據本發明與傳統閘極（Au)元件之特性曲線 比較示意圖； 圖4顯示根據本發明與傳統閘極（Au)元件之IDS、gm特性 比較示意圖； -12- 201201392 圖5顯示根據本發明與傳統閘極（Au)元件之1〇特性比較 示意圖； 圖6顯示根據本發明與傳統閘極（Au)元件之A\,、g 、以比 較示意圖； 圖7顯示根據本發明之AZO閘極透明度光譜示意圖； 圖8顯示根據本發明元件結構成長透明閘極前後其凡比 較示意圖；及 φ 圖9顯示根據本發明與傳統閘極（Au)元件照光前後之ϊ—ν 特性光響應比較示意圖。

【主要元件符號說明】 10 半導體光感測元件 11 基板 12 閘極肖特基接觸層 13 汲/源極歐姆接觸層 14 閘極電極板 21 砷化鎵緩衝層 22 緩衝層 23 複合緩衝層 24 第一#雜層 25 隔絕層 26 載子通道層 27 隔絕層 28 第一摻雜層 '載子供 29 蓋層 LS] -13- 201201392 31 閘極缺口

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Claims (1)

1. 201201392 七、申請專利範園： 1 · 一種半導體光感測元件，包含. 一基板； 一設置於該基板上之閘極肖特基接觸層； 觸 一設置於該閉極肖特基接觸層上之没/源極歐姆接 層； 一沒極電極板及-源極電極板，分卿成於該没/源極 歐姆接觸層上；以及 -材質為紹摻雜氧化鋅之閘極電極板，形成於間極肖 特基接觸層之上。 2·根據請求項丄之半導體光感測元件，其中該汲/源極歐姆 接觸層係經N型掺雜處理。 3·根據請求項丨之半導體光m件，進—步包含一緩衝 層’該緩衝層設置於該基板上。 4. 根據請求項3之半導體光感测元件，進一步包含一載子通 道層，該載子通道層設置於該緩衝層上。 5. 根據請求項4之半導體光感剛元件，進-步包含一隔絕 層，該隔絕層設置於該載子通道層上。 6. 根據請求項5之半導體光感測元件，進一步包含一載子供 應層’該栽子供應層設置於該隔絕層上，其中該閘極肖特 基接觸層設置於該載子供應層上。 7. 根據請求項1之半導體光感測元件，其中該基板之材質係 [S1 •15- 201201392 k目r、二氧化矽、鍺化矽、砷化鎵、磷化銦、碳化矽及 氧化紹所組成之族群中的一種材質。 8. 根據請求項3之半導體光感測元件，其中該緩衝層之材哲 係選自鍺化矽、磷化物、銻化物、砷化物及氮化物所組成 之族群中的一種材質。 9. 根據請求項4之半導體光感測元件，其中該載子通道層之 材質係選自磷化物、銻化物、砷化物及氮化物所組成之族 群中的一種材質。 10. 根據請求項5之半導體光感測元件，其中該隔絕層之材 質係選自磷化物、銻化物、砷化物及氮化物所組成之族群 中的一種材質。 11. 根據請求項6之半導體光感測元件，其中該載子供應層 可藉由δ摻雜層或均勻摻雜層膜所構成。 12. 根據味求項丨之半導體光感測元件，其中該閘極肖特基 接觸層係選自錯化石夕、磷化物、録化物、石申化物及氣化物 所組成之族群中的一種材質。 根據π求項1之半導體光感測元件，其中該汲/源極歐姆 接觸層係選自鍺化石夕、填化物、録化物、石申化物及氣化物 所組成之族群中的一種材質。 柜據月托項1之半導體光感測元件，其中該没/源極極板 材質e_> s錯化金/錄/金/銀，並經由回火製程所形成之多層 [S] -16· 201201392 合金組成。 15. 根據請求項丨之半導體光感測元件，其中該閘極電極板 係藉由射頻磁控濺鍍技術所製成。 16. 根據請求項1之半導體光感測元件’其中該氧化辞可進 一步掺雜之雜質係選自（Ga)、氮（N)、氟（F)、鐵（Fe)、鐘 (Μη)、姑（C〇)、pr3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Sm3+、 Dy3 +及稀土離子（RE3+)所組成之族群中的一種材質。 17. 根據請求項丨之半導體光感測元件，其中閘極肖特基接 觸層更包含一閘極缺口，該閘極電極板設置於該閘極缺口 〇 1 8.根據明长項17之半導體光感測元件，其中該閘極電極板 係以射頻反應'|±磁控電子管藏錢系、统而形成於該閉極缺 口 °

   m -17.