TW202327119A - 雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器及其製造方法，主要是先製備一鍺錫混合溶液，然後再將鍺錫混合溶液利用一液相磊晶法在一矽基板上形成一鍺磊晶層，最後在矽基板之一矽表面形成一第一電極層，並在鍺磊晶層之鍺表面形成一第二電極層，藉以形成一雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器。

Description

雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器及其製造方法

本發明係關於一種光偵測器，尤其是指一種具有雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之光偵測器。

一般來說，在日常生活中的各種電子裝置通常會與各式各樣的偵測器進行配合而達到自動運作的功能，常見的感測器有聲音偵測器、壓力偵測器、生理特徵偵測器、影像感測器或光偵測器等，其中又以光偵測器的應用範圍最廣。

承上所述，光偵測器的運作原理主要是將光子轉換成電子，進而產生電訊號，而早期的光偵測器大都是採用三五族半導體材料所製成，其可以透過多元組合來調整吸收的波長範圍，最長波長甚至可以達到3500nm（InAs），但由於這些三五族半導體材料在整合至以矽為基礎的積體電路上較為困難，而矽的光電檢測器僅限於可見光（400-700nm）區域和短波近紅外區域（SWNIR：700–1100 nm），因此矽的光電檢測器通常需要採用其他工藝技術或窄帶隙材料來擴展更長波長的紅外光吸收。例如：透過結合互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術、化合物半導體（III-V）和Ge-Si 材料，光電檢測器可以分別在訊息容量大和傳輸速度快的850nm、1310nm和1550nm等頻帶處表現出良好的特性，但由於金屬或半導體等材料通常是透過沉積製程（例如化學氣相沉積法）形成矽質基板上，且不同材料之間的結合往往存在有晶格匹配率的問題，例如矽與鍺的晶格不匹配度約為4.2%，因此不僅製程難度與製造成本都高，還會因為異質接面所造成的晶格匹配問題而降低磊晶成長率。

有鑒於在先前技術中，現有的光偵測器雖然可以透過沉積層在矽表面上沉積鍺金屬來形成異質接面，但由於沉積製程較為複雜且成本高，甚至還會因為晶格匹配度的問題而降低磊晶成長率；緣此，本發明的主要目的在於提供一種雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器與一種雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，可以以低成本且高成長率的方式將鍺形成於矽基板上。

本發明為解決先前技術之問題，所採用的必要技術手段是提供一種雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，包含以下步驟（A）至步驟（C）。步驟（A）是製備一鍺錫混合溶液；步驟（B）是將鍺錫混合溶液利用一液相磊晶法（Liquid Phase Epitaxy, LPE）在一矽基板上形成一鍺磊晶層，矽基板背向鍺磊晶層處具有一矽表面，鍺磊晶層背向矽基板處具有一鍺表面；步驟（C）是在矽表面形成一第一電極層，並在鍺表面亦形成一第二電極層，藉以形成一雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，步驟（A）是將鍺與錫混合加熱至一飽和溫度，使鍺與錫混合均勻以形成鍺錫混合溶液。

較佳者，步驟（A）在將鍺與錫混合加熱至飽和溫度後，更在飽和溫度之環境下維持一持續時間，持續時間係介於90分鐘至150分鐘。

此外，步驟（B）是先將鍺錫混合溶液置於矽基板上，再以一第一線性降溫速率自飽和溫度降溫至一第一溫度，並以一小於第一線性降溫速率之第二線性降溫速率自第一溫度降溫至一第二溫度。其中，第一線性降溫速率為每分鐘降溫2℃，第二線性降溫速率為每分鐘降溫0.1℃至1℃。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，第一電極層與第二電極層之材質為金、白金或鎳。

本發明所採用之另一必要技術手段是提供一種雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器，包含一鍺矽基板、一第一電極層以及一第二電極層。鍺矽基板係透過一液相磊晶法（Liquid Phase Epitaxy, LPE）將一鍺錫混合溶液置於一矽基板上所形成，並具有彼此背向之一鍺表面與一矽表面。第一電極層，係形成於矽表面上。第二電極層係形成於鍺表面上。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，第一電極層包含一第一指叉電極以及一第二指叉電極。第一指叉電極包含一第一匯流段與複數個第一指叉段，第一匯流段係沿一第一方向延伸，第一指叉段係分別自第一匯流段沿一垂直於第一方向之第二方向延伸。第二指叉電極包含一第二匯流段與複數個第二指叉段，第二匯流段係沿第一方向延伸，第二指叉段係分別自第二匯流段沿一與第二方向相反之第三方向延伸，且第二指叉段與第一指叉段係沿第一方向交錯地排列。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，第二電極層包含一第一指叉電極以及一第二指叉電極。第一指叉電極包含一第一匯流段與複數個第一指叉段，第一匯流段係沿一第一方向延伸，第一指叉段係分別自第一匯流段沿一垂直於第一方向之第二方向延伸。第二指叉電極包含一第二匯流段與複數個第二指叉段，第二匯流段係沿第一方向延伸，第二指叉段係分別自第二匯流段沿一與第二方向相反之第三方向延伸，且第二指叉段與第一指叉段係沿第一方向交錯地排列。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，第一電極層與第二電極層之材質為金、白金或鎳。

如上所述，本發明主要是利用液相磊晶法在矽基板上形成鍺磊晶層，進而製造出可以吸收超寬頻譜（400nm至1600nm）之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構，有效地降低製造成本，還能提升磊晶成長率。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。

請參閱第一圖與第二圖，第一圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之立體示意圖；第二圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器另一視角之立體示意圖。

如第一圖至第三圖所示，一種雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器100，包含一鍺矽基板1、一第一電極層2以及一第二電極層3。

鍺矽基板1包含一矽基板11與一鍺磊晶層12。鍺磊晶層12是透過一液相磊晶法（Liquid Phase Epitaxy, LPE）將一鍺錫混合溶液GSL（標示於第五圖）置於矽基板11上所形成；其中，矽基板11具有一矽表面111，鍺磊晶層12是形成於矽基板11相對於矽表面111之另一面，且鍺磊晶層12具有一與矽表面111彼此背向之一鍺表面121。

第一電極層2是形成於矽表面111上，且第一電極層2包含一第一指叉電極21以及一第二指叉電極22。第一指叉電極21包含一第一匯流段211與三個第一指叉段212，第一匯流段211係沿一第一方向D1延伸，三個第一指叉段212是分別自第一匯流段211沿一垂直於第一方向D1之第二方向D2延伸。第二指叉電極22包含一第二匯流段221與三個第二指叉段222，第二匯流段221是沿第一方向D1延伸，三個第二指叉段222是分別自第二匯流段221沿一與第二方向D2相反之第三方向D3延伸，且三個第二指叉段222與三個第一指叉段212是沿第一方向D1交錯地排列。

第二電極層3是形成於鍺表面121上，且第二電極層3包含一第一指叉電極31以及一第二指叉電極32。第一指叉電極31包含一第一匯流段311與三個第一指叉段312，第一匯流段311係沿第一方向D1延伸，三個第一指叉段312是分別自第一匯流段311沿第二方向D2延伸。第二指叉電極32包含一第二匯流段321與三個第二指叉段322，第二匯流段321是沿第一方向D1延伸，三個第二指叉段322是分別自第二匯流段321沿第三方向D3延伸，且三個第二指叉段322與三個第一指叉段312是沿第一方向D1交錯地排列。

在本實施例中，上述之第一電極層2與第二電極層3之材質皆為金，但不限於此，亦可為白金或鎳等其他高功函數之金屬材質。

請繼續參閱第三圖，第三圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之剖面示意圖。如第一圖至第三圖所示，在本實施例中，矽基板11為一P型矽基板，而鍺磊晶層12為一N型鍺磊晶層，因此當鍺磊晶層12形成於矽基板11後，兩者相接處會形成一PN接面之緩衝區域PNL。

如上所述，由於矽基板11與矽表面111之第一指叉電極21以及第二指叉電極22所形成的金屬半導體金屬結構可以吸收頻帶於400nm至1100nm的光，而鍺磊晶層12與鍺表面121之第一指叉電極31以及第二指叉電極32所形成的金屬半導體金屬結構可以吸收頻帶於600nm至1600nm的光，因此本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器100可以有效的吸收頻帶於400nm至1600nm的光。

請繼續參閱第一圖至第七圖，第四圖係顯示製造本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器時所使用之矽基板之平面示意圖；第五圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，將鍺錫混合溶液置於第四圖之矽基板之平面示意圖；第六圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，透過冷卻第五圖之鍺錫混合溶液而使鍺磊晶層形成於矽基板上之平面示意圖；第七圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，在第六圖之矽表面與鍺表面分別形成第一電極層與第二電極層之平面示意圖。如第一圖至第七圖所示，本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器100的形成過程主要是將鍺錫混合溶液GSL放置於矽基板11上，使鍺錫混合溶液GSL冷卻而在矽基板11上磊晶形成鍺磊晶層12，然後再分別於矽表面111與鍺表面121上分別形成第一電極層2與第二電極層3。

請繼續參閱第一圖至第八圖，第八圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法之步驟流程圖。如第一圖至第八圖所示，在本實施例中，是以一種雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法製造上述之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器100，而雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法包含以下步驟S101至S301。

首先，步驟S101是將鍺與錫混合加熱至一飽和溫度；其中，飽和溫度在本實施例中例如為950℃。

接著，步驟S102是在飽和溫度之環境下維持一持續時間，使鍺與錫混合均勻以形成一鍺錫混合溶液；其中，持續時間係介於90分鐘至150分鐘，且在本實施例中例如為120分鐘。

再來，步驟S201是先將鍺錫混合溶液GSL置於矽基板11上，然後步驟S202是將鍺錫混合溶液GSL以一第一線性降溫速率自飽和溫度降溫至一第一溫度；接著，步驟S203是以一小於第一線性降溫速率之第二線性降溫速率自第一溫度降溫至一第二溫度，以在矽基板11上形成鍺磊晶層12。

其中，第一線性降溫速率為每分鐘降溫2℃，第二線性降溫速率為每分鐘降溫0.1℃至1℃，而在本實施例中，鍺錫混合溶液GSL例如是以第一線性降溫速率（-2℃/min）自950℃之飽和溫度降溫120分鐘至710℃之第一溫度，然後再以第二線性降溫速率（-0.8℃/min）自710℃之第一溫度降溫150分鐘至590℃之第二溫度。此外，在鍺錫混合溶液GSL以第二線性降溫速率降溫至第二溫度後，既可自然降溫冷卻至常溫。

最後，步驟S301是在矽表面111形成第一電極層2，並在鍺表面121形成第二電極層3，藉以形成雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器矽100。其中，本實施例之第一電極層2與第二電極層3是透過電子束蒸鍍所形成，但不限於此。

綜上所述，由於現有技術在使用直接接合法（direct bonding）鍵結矽與鍺時，容易發生矽鍺鍵結不穩定的問題；而在使用CVD與MBE法成長矽與鍺時，則有成長速度較慢且時間成本較高的問題。相較於此，本發明使用液相磊晶法不僅可以讓矽與鍺的鍵結較穩固，且磊晶成長速度也較快，進而可以有效的降低製造成本。此外，本發明所得之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器，可以藉由矽基板有效吸收波長介於400 nm至1100nm的光線，並可藉由鍺磊晶層吸收波長介於600 nm~1600 nm的光線，因此確實可以達到超寬頻譜的光偵測特性。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

100:雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器 1:鍺矽基板 11:矽基板 111:矽表面 12:鍺磊晶層 121:鍺表面 2:第一電極層 21:第一指叉電極 211:第一匯流段 212:第一指叉段 22:第二指叉電極 221:第二匯流段 222:第二指叉段 3:第二電極層 31:第一指叉電極 311:第一匯流段 312:第一指叉段 32:第二指叉電極 321:第二匯流段 322:第二指叉段 D1:第一方向 D2:第二方向 D3:第三方向 PNL:緩衝區域 GSL:鍺錫混合溶液

第一圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之立體示意圖； 第二圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器另一視角之立體示意圖； 第三圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之剖面示意圖； 第四圖係顯示製造本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器時所使用之矽基板之平面示意圖； 第五圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，將鍺錫混合溶液置於第四圖之矽基板之平面示意圖； 第六圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，透過冷卻第五圖之鍺錫混合溶液而使鍺磊晶層形成於矽基板上之平面示意圖； 第七圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，在第六圖之矽表面與鍺表面分別形成第一電極層與第二電極層之平面示意圖；以及 第八圖係顯示本發明之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法之步驟流程圖。

100:雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器

1:鍺矽基板

11:矽基板

12:鍺磊晶層

121:鍺表面

3:第二電極層

31:第一指叉電極

311:第一匯流段

312:第一指叉段

32:第二指叉電極

321:第二匯流段

322:第二指叉段

D1:第一方向

D2:第二方向

D3:第三方向

Claims (10)

1. 一種雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，包含以下步驟： （A） 製備一鍺錫混合溶液； （B） 將該鍺錫混合溶液利用一液相磊晶法（Liquid Phase Epitaxy, LPE）在一矽基板上形成一鍺磊晶層，該矽基板背向該鍺磊晶層處具有一矽表面，該鍺磊晶層背向該矽基板處具有一鍺表面；以及 （C） 在該矽表面形成一第一電極層，並在該鍺表面形成一第二電極層，藉以形成一雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器。
2. 如請求項1所述之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，其中，步驟（A）係將鍺與錫混合加熱至一飽和溫度，使鍺與錫混合均勻以形成該鍺錫混合溶液。
3. 如請求項2所述之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，其中，步驟（A）在將鍺與錫混合加熱至該飽和溫度後，更在該飽和溫度之環境下維持一持續時間，該持續時間係介於90分鐘至150分鐘。
4. 如請求項2所述之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，其中，步驟（B）係先將該鍺錫混合溶液置於該矽基板上，再以一第一線性降溫速率自該飽和溫度降溫至一第一溫度，並以一小於該第一線性降溫速率之第二線性降溫速率自該第一溫度降溫至一第二溫度。
5. 如請求項4所述之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，其中，該第一線性降溫速率為每分鐘降溫2℃，該第二線性降溫速率為每分鐘降溫0.1℃至1℃。
6. 如請求項1所述之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器之製造方法，其中，該第一電極層與該第二電極層之材質為金、白金或鎳。
7. 一種雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器，包含： 一鍺矽基板，係透過一液相磊晶法（Liquid Phase Epitaxy, LPE）將一鍺錫混合溶液置於一矽基板上所形成，並具有彼此背向之一鍺表面與一矽表面； 一第一電極層，係形成於該矽表面上；以及 一第二電極層，係形成於該鍺表面上。
8. 如請求項7所述之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器，其中，該第一電極層包含： 一第一指叉電極，包含一第一匯流段與複數個第一指叉段，該第一匯流段係沿一第一方向延伸，該些第一指叉段係分別自該第一匯流段沿一垂直於該第一方向之第二方向延伸；以及 一第二指叉電極，包含一第二匯流段與複數個第二指叉段，該第二匯流段係沿該第一方向延伸，該些第二指叉段係分別自該第二匯流段沿一與該第二方向相反之第三方向延伸，且該些第二指叉段與該些第一指叉段係沿該第一方向交錯地排列。
9. 如請求項7所述之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器，其中，該第二電極層包含： 一第一指叉電極，包含一第一匯流段與複數個第一指叉段，該第一匯流段係沿一第一方向延伸，該些第一指叉段係分別自該第一匯流段沿一垂直於該第一方向之第二方向延伸；以及 一第二指叉電極，包含一第二匯流段與複數個第二指叉段，該第二匯流段係沿該第一方向延伸，該些第二指叉段係分別自該第二匯流段沿一與該第二方向相反之第三方向延伸，且該些第二指叉段與該些第一指叉段係沿該第一方向交錯地排列。
10. 如請求項7所述之雙層堆疊式金屬半導體金屬結構之超寬頻譜光偵測器，其中，該第一電極層與該第二電極層之材質為金、白金或鎳。

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