TW202239011A - 場效二極體光感測半導體元件 - Google Patents

Abstract

一種場效二極體光感測半導體元件，適用於被施加偏壓且照光時產生光感應電流，該場效二極體光感測半導體元件包含閘極電極、形成在該閘極電極上的介電層及通道層、形成在該通道層上的第一、二電極，及連接線。該連接線電連接該閘極電極與該第一電極或該第二電極，而為雙端場效二極體元件。在施加偏壓於該第一電極且通道層照光能產生光感應電流。利用連接線的設計，使本發明能在單一偏壓下使用，簡化光電流量測電路之設計與成本，且避免傳統薄膜電晶體開啟電壓漂移導致暗電流變動而干擾量測結果之問題，大幅提升光響應度與光靈敏度的穩定性。

Description

場效二極體光感測半導體元件

本發明是有關於一種半導體元件，特別是指一種場效二極體光感測半導體元件。

目前用於光感測裝置的半導體元件，主要有一光感測二極體與一光感測電晶體。

該光感測二極體，例如：一典型的光二極體紫外光感測器，一般以採用反偏壓的光電流模式居多，利用空乏區內建電場，在照射紫外光時，能將主動區(空乏區與其左右兩側少數載子擴散長度之範圍)產生的電子電洞對分離(電洞驅至p型半導體側、電子則驅至n型半導體側)，而產生光電流。然而，傳統採用在一p型半導體與一n型半導體層之間夾置一本質層的p-i-n結構的光二極體紫外光感測器，由於需要設置相對較厚的本質層(或低濃度層)，磊晶成本較高。因此，雖然以累增崩潰操作的該光二極體紫外光感測器的p-i-n結構可獲得相對較高的紫外光響應度與靈敏度的效益，卻須面對高磊晶成本、低操作速度、低穩定性與高雜訊的代價。而如果是利用非晶型氧化物半導體材料製成的光二極體紫外光感測器，由於大多數非晶型氧化物之寬能隙半導體常具高缺陷密度，故不易進行雜質摻雜，導致難以取得異型半導體(例如：ZnO基半導體屬n型，p型ZnO基半導體的製作技術尚未可行)。

因此，為了避免上述問題，目前於紫外光偵測應用上，是採用具有蕭基金半接面結構(Schottky contact)或異質接面的非晶型氧化物基的光二極體紫外光感測器，然而，前者由於受限於不易取得適當功函數與透明的蕭基金屬，也常因擴散位障高度不足而導致過高暗電流；後者則因p型半導體之能隙寬度不足及界面能帶偏移(band offset)問題，造成目前能取得之光二極體紫外光感測器仍待改善。

另一方面，該光感測電晶體包括一閘極、一設置於該閘極上的介電層、一設置於該介電層上的一半導體通道層，及二彼此間隔地設置於該半導體通道層上的汲極與源極，而為一光感測電晶體。該半導體通道層的通道載子濃度在照光時會大幅增加並調降臨界電壓(threshold voltage，以V _th表示之)，既而能在該閘極與該汲極分別被施加二個不同的預定偏壓時，產生一光感應電流。因此，目前的光感測電晶體需採用雙電源來供應該等預定偏壓。

參閱圖1，為對該汲極施加一預定偏壓之該光感測電晶體之照光與未照光之閘極電壓(gate voltage，以V _G表示之)與汲極電流(drain current，以I _D表示之)的轉移特性曲線圖。其中，未照光之汲極電流(I _D)的最小值定義為一暗電流(dark current，以I _Dark表示之)，而其所對應的閘極電壓定義為一開啟電壓(turn-on voltage，以V _on表示之)。此外，在該光感測電晶體受光並對該閘極施加一值為該開啟電壓(V _on)的預定偏壓時，所對應之汲極電流(I _D)與該暗電流(I _Dark)之間的一差值為一光電流(photo-current，以 I _L表示之)與輸入功率(input power，以P _in表示之)之間的比值定義為一光響應度(photoresponsivity，以R _ph表示之)，而該光電流(I _L)與該暗電流(I _Dark)之間的比值定義為一光靈敏度(photosensitivity，以S _ph表示之)。

然而，由於目前該光感測電晶體在經過長時間操作施予預定偏壓及照光的情況之下，受該半導體通道層、該介電層以及二者間界面之缺陷的影響，會使得該閘極電壓對應該汲極電流(I _D)的關係曲線往左或往右偏移(如箭頭A所示)，造成該開啟電壓(V _on)隨之變動，而衍生出該光感測電晶體的光響應度(R _ph) 與光敏感度(S _ph)不穩定的問題。

欲解決上述問題，就需要使用一偵測該開啟電壓(V _on)的偵測電路，造成電路設計的複雜程度相對高。

因此，目前該光感測電晶體需要使用雙電源分別供應該閘極與該汲極的偏壓，及使用該偵測電路來動態偵測該開啟電壓，導致使用目前該光感測電晶體的成本相對很高。

因此，本發明之目的，即在提供一種能夠克服先前技術的至少一個缺點的場效二極體光感測半導體元件。

於是，本發明場效二極體光感測半導體元件，適用於在被施加一偏壓並被照光時產生一光感應電流，該場效二極體光感測半導體元件包含一閘極電極、一介電層、一通道層、一第一電極、一第二電極，及一連接線。

該介電層形成在該閘極電極上。

該通道層以一半導體材料製成，並與該閘極電極彼此間隔地形成在該介電層上。

該第一電極形成在該通道層上。

該第二電極與該第一電極彼此間隔地形成於該通道層上。

該連接線由導電材料製成，並電連接該第一電極與該閘極電極，或電連接該第二電極與該閘極電極。

在該施加該偏壓於該第一電極且該通道層被照光時，該通道層能產生在該第一電極與該第二電極(接地)之間的該光感應電流。

本發明之功效在於：該場效二極體光感測半導體元件利用該連接線電連接該第一電極與該閘極電極，或該連接線電連接該第二電極與該閘極電極的設計，而為一雙端元件。因此，在使用該場效二極體光感測半導體元件時，僅需施加單一偏壓，不需如同傳統光感測電晶體地需要分別對該汲極與該閘極施加不同的偏壓，也不需要利用一偵測電路偵測一開啟電壓，操作簡單，且大幅降低使用該場效二極體光感測半導體元件的設置成本與複雜程度，並解決目前在暗電流下的開啟電壓漂移不穩定的問題，並既而提升光響應度與光靈敏度穩定性。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2與圖3，本發明場效二極體光感測半導體元件之一第一實施例，適用於在被施加一偏壓並被照光時，產生一光感應電流。該場效二極體光感測半導體元件包含一基板1、一形成於該基板1上的閘極電極2、一形成於該閘極電極2上的介電層3、一形成於該介電層3上的通道層4、形成於該通道層4上的一第一電極5及一第二電極6，及一連接線7。

該基板1為一板狀基材，且例如但不限於由二氧化矽製成。該基板1的製成材質可配合該閘極電極2的製成材質與形成方式來決定。在本實施例其他變化態樣中，該基板1也能為一電路板。

該閘極電極2為一薄膜，由導電材料製成，並形成於該基板1上。該閘極電極2具有一反向於該基板1的第一連接面21，及一與該第一連接面21同向的第二連接面22。在本實施例中，該閘極電極2由鈦(Ti)製成。在本實施例的其他變化態樣中，該閘極電極2可以但不限於為一重摻雜的n或p型矽基材、一軟性金屬基板材、或一透明導電金屬氧化物。

該介電層3為一薄膜，由介電材料製成，並形成於該閘極電極2的該第一連接面21上，且使閘極電極2的該第二連接面22外露於該介電層3。該介電層3可選自於由HfSiO基、SiO ₂基、AlO ₃基、HfO ₂基、ZrO ₂基、 Ta ₂O ₅基、La ₂O ₃基、TiO ₂基，及上述之一組合為材料所製成。在本實施例中，該介電層3的製成材質為Hf _xSi _(1-x)O，其中，0＜x＜1；更具體地，該介電層3的製成材質為Hf _0.82Si _0.18O。

該通道層4由半導體材料製成而為一半導體薄膜，並與該閘極電極2彼此間隔地形成於該介電層3上。該通道層4具有一與該介電層3彼此連接的第一表面41，及一反向於該介電層3並作為一受光面的第二表面42。該通道層4可選自於由一n型半導體材料、一p型半導體材料，及上述兩者之組合為材料所製成的一單層結構或一疊接形成的多層結構，在照光後能有光響應特性。在本實施例中，該通道層4的製成材質為氧化銦鎵鋅(IGZO)半導體材料，而為n型半導體材料。

該第一電極5連接於該通道層4且與該介電層3間隔，用以與該通道層4間形成歐姆接觸。在本實施例中，該第一電極5具有一直接形成於該通道層4的該第二表面42而作為一穿隧層的第一緩衝層51，及一直接形成於該第一緩衝層51上的第一金屬電極層52。於本實施例中，該第一金屬電極層52的製成材質可為金屬或一透明金屬氧化物材料。該透明金屬氧化物材料例如但不限於為銦錫氧化物 (indium tin oxide，簡稱ITO) 或摻雜氟的氧化錫 (fluorine-doped tin oxide，簡稱FTO)。在本實施例中，該第一金屬電極層52的製成材質包括鈦。該第一緩衝層51包括摻雜鋁的氧化鋅。

該第二電極6連接於該通道層4且與該介電層3間隔，用以與該通道層4間形成歐姆接觸，並與該第一電極5彼此間隔。在本實施例中，該第二電極6與該第一電極5的態樣大致相同，故該第二電極6也具有一直接形成於該通道層4的該第二表面42而作為一穿隧層的第二緩衝層61，及一直接形成於該第二緩衝層61上的第二金屬電極層62。該第二金屬電極層62的製成材質可為金屬或該透明金屬氧化物材料。於本實施例中，該第二金屬電極層62的製成材質包括鈦。該第二緩衝層61包括摻雜鋁的氧化鋅。

該連接線7由一導電材料製成，並電連接該第一電極5的該第一金屬電極層52與該閘極電極2。該連接線7為一由鈦金屬製成並直接形成於該第一金屬電極層52上與該閘極電極2的該第二連接面22的金屬層體。可選擇地，該連接線7也能由其他金屬製成。

需說明的是，由於該第一電極5與該通道層4間及該第二電極6與該通道層4間能形成歐姆接觸即可，故依據該通道層4的製成材質(例如：是用於感測波長相對較長的光線時)，該第一緩衝層51與該第二緩衝層61也可省略，且該第一金屬電極層52與該連接線7能一體成型地製成。

另外，該基板1能為一電路板(圖未示出)，供該閘極電極2設置於其上，且該連接線7能為一焊接使用的導線(圖未示出)，只要電連接該第一電極5與該閘極電極2即可。

參閱圖4至圖6，該場效二極體光感測半導體元件的製作方法，主要是先利用電子束蒸鍍技術，將該閘極電極2形成於該基板1(如圖2)上；再於充滿氬氣的一腔體中，利用一共濺鍍技術，以一個二氧化鉿(HfO ₂)靶材與一個矽(Si)靶材，在該閘極電極2之反向於該基板1之一表面的部分形成該介電層3。並在形成該介電層3的過程中，以一第一光罩81對應遮蔽該閘極電極2的表面之不需要形成該介電層3的區域。之後，再於氧氣氛圍600 °C溫度下退火10分鐘。

然後，於充滿氬氣的一腔體中，利用一濺鍍技術，以一氧化銦鎵鋅(IGZO)靶材在該介電層3之反向於該閘極電極2的一表面形成該通道層4。並在形成該通道層4的過程中，以一第二光罩82對應遮蔽該介電層3與該閘極電極2之不需要形成該通道層4的區域，再於氮氣氛圍300 °C溫度下退火10分鐘。

接下來，再以一黃光微影技術，在該閘極電極2、該介電層3與該通道層4之外露的表面中之不需要形成該第一電極5與該第二電極6的區域，配合一第三光罩83而形成一經過黃光顯影而硬化的第一光阻層84，用以在該通道層4的該第二表面42定義出欲設置該第一電極5與該第二電極6的一第一預定位置85。

而後，於充滿氬氣的一腔體中，利用一射頻濺鍍技術，於該通道層4第一預定位置85上形成該第一緩衝層51與該第二緩衝層61；再利用該電子束蒸鍍技術，分別於該第一緩衝層51與該第二緩衝層61上形成該第一金屬電極層52與該第二金屬電極層62；而後，移除該第一光阻層84。

繼續，利用該黃光微影技術，在該閘極電極2、該介電層3、該通道層4、該第一電極5與該第二電極6之外露的表面中之不需要形成該連接線7的區域，配合一第四光罩86而形成一經過黃光顯影而硬化的第二光阻層87，用以在該閘極電極2的該第二連接面22定義出該連接線7的一第二預定位置88。

最後，利用該電子束蒸鍍技術，於該閘極電極2與該第一電極5之外露於該第二光阻層87的第二預定位置88上形成該連接線7；而後，移除該第二光阻層87，而完成該場效二極體光感測半導體元件的製作。

參閱圖3，利用該場效二極體光感測半導體元件感測光時，是將一偏壓施加於該第一電極5，也就是該第一電極5相較於該第二電極6的電壓差為該偏壓，並將光線照射至該通道層4的受光面，使得該通道層4能產生在該第一電極5與該第二電極6間的該光感應電流。

其中，照射於該通道層4的光波長是依據該通道層4的能隙(band gap)來決定。在本實施例中，該通道層4之氧化銦鎵鋅(IGZO)半導體材料為該n型半導體材料，並用於在照射到紫外光時，能產生電子電洞對。於本實施例的其他變化態樣中，該通道層4的製成材質也能以能隙相對較低的半導體材料製成，用以感測可見光或紅外光。

更詳細地說，由於該通道層4由n型半導體材料製成，故本發明為一全空乏型之多數載子為n型的光感測場效電晶體，其中，該第一電極5作為一汲極，該第二電極6作為一源極。在該連接線7連接該閘極電極2與該第一電極5情況下，施加該偏壓於該第一電極5時，表示是對該閘極電極2與該汲極同時施加該偏壓，且該閘極電極2與該汲極的電壓差值為0。在該偏壓大於0伏特且增大時，隨著汲極電壓的增加，該通道層4由部分空乏狀態經無空乏狀態而進入電子堆積狀態，使一汲極電流(I _D)為導通狀態的高電流。在該偏壓小於0伏特且減小時，隨著該汲極電壓的降低，該通道層4的空乏程度增大，使該場效二極體光感測半導體元件在一截止（cut-off）狀態，該汲極電流(I _D)主要為該閘極電極2的漏電流。因此，該場效二極體光感測半導體元件具備類似一傳統pn二極體的順向整流特性，故可作為一順向場效二極體（forward field effect diode，以F-FED表示之）。

參閱圖7，為本發明場效二極體光感測半導體元件的一第二實施例，該第二實施例與該第一實施例相似，其不同處在於，該連接線7電連接該第二電極6與該閘極電極2，而不連接於該第一電極5與該閘極電極2之間。

需說明的是，該第二緩衝層61也可省略，使該連接線7與該第二電極6一體成型地製成。

使用該第二實施例時，是施加該偏壓於該第一電極5，也就是該第一電極5相較於該第二電極6的電壓差為該偏壓，且該光線同樣是照射在該通道層4，該通道層4產生在該第一電極5與該第二電極6之間的該光感應電流。

更詳細地說，在上述情況下，該第一電極5也是作為該汲極，該第二電極6作為該源極，表示是對該汲極施加該偏壓，且該閘極電極2與該源極的電壓差值為0。在該偏壓大於0伏特且增大時，該通道層4的空乏程度增大，直到該場效二極體光感測半導體元件在該截止（cut-off）狀態，此時，該汲極電流(I _D)主要為閘極電極2的漏電流。在該偏壓小於0伏特且減小時，該通道層4自部分空乏狀態進入電子堆積狀態，使該汲極電流(I _D)為導通狀態的高電流。因此，該場效二極體光感測半導體元件具有相反於該傳統pn二極體之反偏壓整流特性，可作為一反向場效二極體（backward field effect diode，以B-FED表示之）。

利用本發明之該連接線7電連接該第一電極5與該閘極電極2或電連接該第二電極6與該閘極電極2的設計，僅需對第一電極5施加該偏壓，即可依據該通道層4的製成材質，感測到特定波長範圍的光線，相較於還需要在操作上施加多個不同的偏壓值，及設置用以動態量測該開啟電壓(V _on)之偵測電路的傳統光感測電晶體，使用上相對簡易，且有效簡化電路及降低設置成本。

再者，由於該場效二極體光感測半導體元件的導通電流是透過該通道層4的堆積狀態之多數載子所控制，而非少數載子效應，而具備相對高的電流整流比例與反應速度。另一方面，由於該場效二極體光感測半導體元件之未照光且為反偏電流的一暗電流主要由閘極漏電流決定，故該暗電流也相對穩定，既而能有效提升光響應度(R _ph)與光靈敏度(S _ph)的穩定性。

量測結果

參閱圖2、圖3與圖7，以下先說明該場效二極體光感測半導體元件之一具體例1與一具體例2的元件結構。

該具體例1的結構即為該第一實施例，該具體例2的結構即為該第二實施例。在該具體例1與該具體例2中，該介電層3之等效氧化層厚度(Equivalent Oxide Thickness，以EOT表示之)約為10 nm，介電常數約為21.4。該通道層4的厚度為30 nm。該第一緩衝層51與該第二緩衝層61的厚度皆為25 nm，該第一金屬電極層52與該第二金屬電極層62的厚度皆為200 nm。該通道層4在該第一電極5與該第二電極6之間形成的一通道的寬度W為200 μm，長度L為20 μm。

參閱圖2與圖8，圖8為對該具體例1的第一電極5施加該偏壓但該具體例1未照光之該偏壓對汲極電流(I _D)的關係。此狀態下的該具體例1是作為F-FED。參閱圖7與圖9，為對該具體例2的該第一電極5施加該偏壓但該具體例2未照光之該偏壓對汲極電流(I _D)的關係。此狀態下的該具體例2是作為B-FED。從圖8與圖9可以看得出來，F-FED與B-FED具有對稱的整流特性。

參閱圖2與圖10，是對該具體例1的第一電極5施加該偏壓，並對該通道層4照射不同波長的光線之該偏壓對汲極電流(I _D)的關係。

在圖10中，橫軸是對該第一電極5所施加的偏壓，記號「□」表示未照光，記號「○」表示所照光線的波長為630nm，記號「△」表示所照光線的波長為530nm，記號「◇」表示所照光線的波長為400nm，記號「▽」表示所照光線的波長為365nm，記號「w」表示所照光線的波長為310 nm，記號「t」表示所照光線的波長為275nm。又，已照光的汲極電流(I _D)也就是該光感應電流。由圖10可以得知，該具體例1在受到波長範圍在400nm以下的光線照射時，其I-V特性曲線與未照光的I-V特性曲線不同，表示本具體例1確實能作為一場效二極體紫外光感測半導體元件。

參閱圖11，是對一比較例的汲極電極施加一值為4V的固定偏壓，並對該比較例的一通道層照射不同波長的光線時，該閘極偏壓(V _G)對汲極電流(I _D)的轉移特性曲線。該比較例與該具體例1的差異在於：該比較例不具有該連接線。記號「□」表示未照光，記號「○」表示所照光線的波長為630nm，記號「△」表示所照光線的波長為530nm，記號「◇」表示所照光線的波長為400nm，記號「▽」表示所照光線的波長為365nm，記號「w」表示所照光線的波長為310 nm，記號「t」表示所照光線的波長為275nm。又，已照光的汲極電流(I _D)也就是該光感應電流。由圖11可以得知，該比較例受到波長範圍在400nm以下的光線照射時，其轉移特性曲線與未照光的轉移特性曲線不同，表示該比較例為一紫外光感測電晶體。

參閱圖12至圖15，圖12至圖15分別是該比較例之傳統光感測電晶體與本發明具體例1進行一負偏壓應力(negative bias stress，以NBS表之)與一正偏壓應力(positive bias stress，以PBS表之)測試後的元件特性量測結果。一偏壓應力測試主要是先對元件的閘極施加固定偏壓一預定時間之後，再進行元件特性量測。由於需要分別對元件進行負偏壓應力測試不同的預定時間與正偏壓應力測試不同的預定時間，所以需要準備多個所述比較例與多個所述具體例。

具體地，所述比較例的負偏壓應力測試主要是先將該等比較例的其中數個的源極電極與汲極電極接地，並分別對所述比較例的閘極電極施加值為-4V的偏壓不同的預定時間，該預定時間分別為0、10、100及1000秒，而為多個經負偏壓應力測試的比較例，其中，進行負偏壓應力測試0秒的比較例即未受負偏壓應力。之後，再對所述經負偏壓應力測試的比較例的汲極電極施加值為4V的偏壓，並量測所述經負偏壓應力測試的比較例之該閘極偏壓(V _G)對汲極電流(I _D)的轉移特性曲線(如圖12)。

而所述比較例的正偏壓應力測試主要是先將該比較例的其餘數個的源極電極與汲極電極接地，並分別對所述比較例的閘極電極施加值為4V的偏壓不同的預定時間，該預定時間分別為0、10、100及1000秒，而為多個經正偏壓應力測試的比較例，其中，進行正偏壓應力測試0秒的比較例即未受正偏壓應力，而與進行負偏壓應力測試0秒的比較例相同。之後，再對所述經正偏壓應力測試的比較例的汲極電極施加值為4V的偏壓，並量測所述經正偏壓應力測試的比較例之該閘極偏壓(V _G)對汲極電流(I _D)的轉移特性曲線(如圖13)。

配合參閱圖2，另一方面，所述具體例1的負偏壓應力測試主要是先對所述具體例1的其中數個進行類似於所述比較例的負偏壓應力測試的步驟，而分別對其該閘極電極4施加值為-4V的偏壓0、10、100及1000秒，成為多個經負偏壓應力測試的具體例1。由於具體例1已為雙端場效二極體元件，所以對閘極電極4施加偏壓等同於對第一電極5施加偏壓。之後，再量測所述經負偏壓應力測試的具體例1之對該第一電極施加該偏壓對汲極電流(I _D)的I-V特性曲線關係圖(如圖14)。而所述具體例1的正偏壓應力測試主要是先對所述具體例1的其餘數個進行類似於所述比較例的正偏壓應力測試的步驟而分別對其該閘極電極4施加值為4V的偏壓0、10、100及1000秒，成為多個經正偏壓應力測試的具體例1。而後，再量測所述經正偏壓應力測試的具體例1之施加於該第一電極的偏壓與汲極電流(I _D)的I-V特性曲線關係圖(如圖15)。

因此，圖12是所述比較例分別進行0、10、100與1000秒之負偏壓(-4 V)應力測試後的轉移特性曲線，圖13是所述比較例分別進行0、10、100與1000秒之正偏壓(4 V)應力測試後的轉移特性曲線，圖14是該所述具體例1分別進行0、10、100與1000秒之負偏壓(-4 V)應力測試後的I-V特性曲線，圖15是該具體例1分別進行0、10、100與1000秒之正偏壓(4 V)應力測試後的I-V特性曲線。在圖12至圖15中，記號「□」表示應力測試時間為0秒，記號「○」表示應力測試時間為10秒，記號「△」表示應力測試時間為100秒，記號「▽」表示應力測試時間為1000秒。

參閱圖16，是所述經正、負偏壓應力測試的比較例與所述經正、負偏壓應力測試的具體例1之施加偏壓應力的時間與汲極電流(I _D)的關係圖，所述經正、負偏壓應力測試的比較例之汲極電流(I _D)是在汲極電壓(V _D)為4 V定電壓，且閘極電壓(V _G) 以未進行應力測試之比較例的開啟電壓(V _on)作為定電壓的情況下所測得。所述經正、負偏壓應力測試的具體例1之汲極電流(I _D)是在該第一電極5之偏壓為-1.5V定電壓的情況下所測得。記號「■」表示所述比較例進行負偏壓應力(NBS)測試時間與汲極電流(I _D)的關係圖，記號「□」表示所述具體例1進行負偏壓應力(NBS)測試時間與汲極電流(I _D)的關係圖，記號「●」表示所述比較例進行正偏壓應力(PBS)測試時間與汲極電流(I _D)的關係圖，記號「○」表示所述具體例1進行正偏壓應力(PBS)測試時間與汲極電流(I _D)的關係圖。

從圖16可以看出，所述比較例與所述具體例1於負偏壓應力(NBS)測試下，在經過不同的偏壓應力測試時間後，汲極電流(I _D)變化量較正偏壓應力(PBS)測試下嚴重。此量測結果可歸因於負偏壓應力(NBS)測試時，其臨界電壓(V _th)往負電壓方向移動，而往應力測試前之開啟電壓(V _on)靠近，故產生相當劇烈的次臨界電流變化；而於正偏壓應力(PBS)測試時，臨界電壓(V _th)往正電壓方向移動，電流變化主要由閘極漏電流所主導，與臨界電壓(V _th)的相關性低，因而汲極電流(I _D)變化量較小。由於一般光感測電晶體與光感測二極體於待機模式時處於一負偏壓應力(NBS)狀態，故應以負偏壓應力(NBS)測試下之汲極電流(I _D)變化為討論重點。在經過不同的偏壓應力測試時間之後，所述比較例於負偏壓應力(NBS)測試後之汲極電流(I _D)變化量約為兩個數量級，反觀所述具體例1則相對穩定。此量測結果歸因於所述具體例1之截止電流(off current，以I _off表之)為閘極漏電流主導，與臨界電壓(V _th)相依性低因而汲極電流(I _D)變化量較小。因此，圖16之量測結果證實本發明場效二極體光感測半導體元件可靠度佳，確實能到相對穩定的暗電流。

參閱圖17與圖18，在圖17中，記號「□」表示經負偏壓應力(NBS)測試10、100與1000秒後之所述具體例1與未進行負偏壓應力(NBS)測試之具體例1之間的光響應度(R _ph)變化量，記號「○」表示經負偏壓應力(NBS)測試10、100與1000秒後之所述比較例與未進行負偏壓應力(NBS)測試之比較例之間的光響應度(R _ph)變化量。在圖18中，記號「□」表示經負偏壓應力(NBS)測試10、100與1000秒後之所述具體例1與未進行負偏壓應力(NBS)測試之具體例1之間的光靈敏度(S _ph)變化量，記號「○」表示經負偏壓應力(NBS)測試10、100與1000秒後之所述比較例與未進行負偏壓應力(NBS)測試之比較例之間的光靈敏度(S _ph)的變化量。在量測過程中，所照射的量測紫外光的光波長為365 nm。由圖17與圖18的量測結果可知，經負偏壓應力(NBS)測試的具體例1的光響應度(R _ph)與光靈敏度(S _ph) 變化量較小故相對穩定，表示本發明場效二極體光感測半導體元件確實能到相對穩定的光響應度(R _ph)與光靈敏度(S _ph)。

綜上所述，本發明場效二極體光感測半導體元件，利用該連接線7電連接該第一電極5與該閘極電極2或電連接該第二電極6與該閘極電極2的設計，在單一偏壓下即能使用，除了操作簡易，不需如同傳統光感測電晶體地另外設置偵測開啟電壓(V _on)的偵測電路而大幅簡化電路設計之外，還能避免目前在暗電流(I _dark)下的開啟電壓(V _on)漂移不穩定的問題，有效提高該光響應度(R _ph)與光靈敏度(S _ph)的穩定性，進而提升元件可靠度。能避免故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

3:基板 4:閘極電極 21:第一連接面 22:第二連接面 3:介電層 4:通道層 41:第一表面 42:第二表面 5:第一電極 51:第一緩衝層 52:第一金屬電極層 6:第二電極 61:第二緩衝層 62:第二金屬電極層 7:連接面 81:第一光罩 82:第二光罩 83:第三光罩 84:第一光阻層 85:第一預定位置 86:第四光罩 87:第二光阻層 88:第二預定位置 W:寬度 L:長度

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一閘極偏壓與汲極電流的關係圖，說明一傳統光感測電晶體之在未照光與照光的汲極電流，及一暗電流所對應之一開啟電壓的會左右漂移； 圖2是一剖視示意圖，說明本發明一場效二極體光感測半導體元件的一第一實施例； 圖3是一立體示意圖，說明該第一實施例； 圖4到圖6是說明該第一實施例的製作方法的剖視示意流程圖； 圖7是一剖視示意圖，說明本發明一場效二極體光感測半導體元件的一第二實施例； 圖8是以該第一實施例作為一具體例1而為一順向場效二極體(F-FED)，在未照光時之一偏壓與一汲極電流的關係圖； 圖9是以該第二實施例作為一具體例2而為一反向場效二極體(B-FED)，在未照光時之該偏壓與該汲極電流的關係圖； 圖10是該具體例1在未照光與不同波長光線照射時之該預定偏壓與該汲極電流的關係圖； 圖11是該比較例在未照光與不同波長光線照射時之閘極偏壓與汲極電流的轉移特性曲線圖； 圖12是所述比較例在分別進行0、10、100與1000秒之負偏壓應力測試後之閘極偏壓與汲極電流的轉移特性曲線圖； 圖13是所述比較例在分別進行0、10、100與1000秒之正偏壓應力測試後之閘極偏壓與汲極電流的轉移特性曲線圖； 圖14是所述具體例1在分別進行0、10、100與1000秒之負偏壓應力測試後之該偏壓與該汲極電流的關係圖； 圖15是所述具體例1在分別進行0、10、100與1000秒之正偏壓應力測試後之該偏壓與該汲極電流的關係圖； 圖16是所述比較例與所述具體例1之偏壓應力測試時間與該汲極電流的關係圖； 圖17是一負偏壓應力測試時間與光響應度變化的關係圖，說明所述比較例與所述具體例1分別經負偏壓應力測試10、100與1000秒後，與未進行偏壓應力測試之比較例與具體例1之間的光響應度變化量；及 圖18是一負偏壓應力測試時間與光靈敏度變化的關係圖，說明所述比較例與所述具體例1分別經負偏壓應力測試10、100與1000秒後，與未進行偏壓應力測試之比較例與具體例1之間的之光靈敏度變化量。

1:基板

2:閘極電極

21:第一連接面

22:第二連接面

3:介電層

4:通道層

41:第一表面

42:第二表面

5:第一電極

51:第一緩衝層

52:第一金屬電極層

6:第二電極

61:第二緩衝層

62:第二金屬電極層

7:連接面

Claims (7)

1. 一種場效二極體光感測半導體元件，適用於在被施加一偏壓並被照光時產生一光感應電流，該場效二極體光感測半導體元件包含： 一閘極電極； 一介電層，形成在該閘極電極上； 一通道層，以一半導體材料製成，並與該閘極電極彼此間隔地形成在該介電層上； 一第一電極，形成在該通道層上； 一第二電極，與該第一電極彼此間隔地形成於該通道層上；及 一連接線，由導電材料製成，並電連接該第一電極與該閘極電極，或電連接該第二電極與該閘極電極， 在施加該偏壓於該第一電極且該通道層被照光時，該通道層能產生在該第一電極與該第二電極之間的該光感應電流。
2. 如請求項1所述的場效二極體光感測半導體元件，其中，該連接線電連接該閘極電極與該第一電極，且該第一電極與該連接線一體成型。
3. 如請求項1所述的場效二極體光感測半導體元件，其中，該連接線電連接該閘極電極與該第二電極，且該第二電極與該連接線一體成型。
4. 如請求項1所述的場效二極體光感測半導體元件，還包含一供該閘極電極設置於其上的基板。
5. 如請求項4所述的場效二極體光感測半導體元件，其中，該連接線為一導線。
6. 如請求項1所述的場效二極體光感測半導體元件，其中，該道通層選自於由一n型半導體材料、一p型半導體材料，及上述二者之組合為材料所製成的一單層結構或一多層結構。
7. 如請求項1所述的場效二極體光感測半導體元件，其中，該介電層選自於由HfSiO基、SiO ₂基、AlO ₃基、HfO ₂基、ZrO ₂基、 Ta ₂O ₅基、La ₂O ₃基、TiO ₂基，及上述之一組合為材料所製成。

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