515108 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（) 發明領域： 本發明係有關於氮化鎵金屬-半導體-金屬型紫外光 感測器，特別是有關於以銦錫氧化物（ΙΊΓ0)作為透明電極 的氮化鎵金屬-半導體-金屬型紫外光感測器。 發明背景： 紫外光檢測器可以用在太空通訊（Space Communication)、臭氧層的破裂偵測（〇z〇ne Layer Monitoring)與紫外線指數檢測、火焰的監測（Fraine Detection)、以及農藥檢測儀器等，其功用與目的分別在 下列敘述。在太空通訊方面，由於紫外光的波長較短所以 能量較高’在過程中損失較少，適合做為衛星之間的通訊 方式’所以研發紫外光檢測器有利於發展太空通訊。在臭 氧層的破裂偵測與監測紫外線指數方面，紫外線的增加會 造成許多人體健康的傷害，如曬傷、皮膚癌、白内障及其 它眼球疾病與免疫系統的受損。而目前臭氧層不斷的破 裂，所以必須時時偵測監控臭氧層破裂的情況，並告知民 眾何處的紫外線有多少，以避免民眾暴露在大量的紫外光 下而造成身體的傷害。在火焰偵測方面，當飛彈飛起時， 透過紫外光檢測器，偵測地面對天空、天空對天空及地面 對地面的威脅而能預先獲得警訊，進而利用飛彈防衛系統 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----— 14 114111 ·11111-->π*--— — III I l (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 515108 A7 --—-—-— B7___ — 五、發明說明（） 搁截敵方之飛彈。另外，在農業檢測儀器方面，因為一般 農藥的檢測波長約在2〇〇nm〜 4〇〇nm之間，高效能液相層 ,析儀最ΐ使用的檢測器為紫外光檢測器（U v d e t e c t 〇 r)。 習知的务、外光檢測器是以矽為主的元件，然 而，由於矽半導體本身材料的能隙為i l2eV，而針對檢 測紫外光輻射而言，使用材料之能隙須大於相對應紫外光 光子能量的能隙值，約為3 . i 8eV，因此，當使用石夕作為 紫外光檢測器材料以偵測到紫外光輻射時，也會同時檢測 到可見光甚至遠紅外光的信號反應。理想的紫外光檢測器 對於可見光及遠紅外光的信號應該極不靈敏，也就是所謂 的太陽光盲目（Solar-Blind)或者是可見光盲目（VisiMe_ BUnd)檢測器，所以使用矽作為紫外光檢測器材料顯然並 不恰當。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -------今---Ψ---裝--------訂· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 因此，發展出以寬能隙材料做為紫外光檢測器元件。 寬能隙材料對於紫外光以外等其他波長的光線幾乎是完 全穿透而不吸收的，其中又以氮化鎵（GaN)材料之能隙為 3.4eV,最適合作為紫外光檢測器。氮化鎵材料早在Μ” 年代即開始被研究，但直到1 990年左右，才因緩衝層的引 入，使得磊晶的品質大大提高’而隨著有機金屬氣相沈積 法（MOCVD)逐漸成熟，成長高品質氮化鎵及其相關化合 物並非難事。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 515108 —------—- —__Β7_______ 五、發明說明（） 以氮化鎵材料為主體的各種形式紫外光感測哭，二 ° 曰月ij (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 全世界已經正在逐步研究中，例如正負接面二極體",
Junction Diode)、正 _本 _ 負二極體（IM-N Diode)、簫特基 月匕P早感測益（Schottky Barrier Detector)及金屬-半導體金 屬型光感測器，其中以金屬_半導體·金屬型光感測器最具 有研發潛力，因為它具有較小的本質電容阻抗、容易製 作、低成本、高增益、高靈敏度及高響應速度等特性，而 且製作過程可和場效電晶體互相配合，而把光感測器與放 大電路作在同一塊基板上，而達成所謂光電積體電路的目 標。 發明目的及概述： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 目前以氮化鎵材料為主體的金屬-半導體-金屬型紫 外光感測器均是以不透光金屬例如鎳（Ni)、金（Au)、鈀 (Pd)、始（Pt)等等來當作指叉狀電極部分，這樣將使得大 部分入射光會被金屬電極反射，而使得光感測效率降低而 無法達到所需要的高響應特性；另一方面，有人採取從基 板背面照光以避免光被基板正面之金屬電極反射的情 況’但這個方法從製程觀點來著墨是非常不恰當的，會產 生一些問題，例如製作感測器元件的圖樣所需的光學微影 製程無法配合這種背面照射製程，會增加元件製程的步驟 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公t ) 515108 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（） 與困難度’成本偏高，而且元件的封裝製程部分也有相當 ^鑒於上述之習知技術之缺點，因此，本發明提供一種 氮化鎵金屬-半導體-金屬之結構及其製造方法，在不破壞 原有製程和封裝步驟且不增加成本的前提之下，使用銦錫 氧化物之透明電極材料來取代原有的指又狀不透光金 屬。本發明利用銦錫氧化物之透明電極材料來取代原有的 指叉狀不透光金屬之金屬·半導體_金屬型紫外光感測器 結構及其製造方法，可使入射光不受電極阻擋而直接射入 半導體薄臈中，能有效提昇感測器的響應特性，並能增加 響應速度。 a 本發明氮化鎵金屬_半導體-金屬型紫外光感測器之 製仏方法，包含：依序形成半導體薄膜、銦錫氧化物之透 明導電層於基板上。接著，進行回火步驟。隨後，形成金 屬連線區於銦錫氧化物之透明導電層上。 本發明氮化鎵金屬-半導體-金屬型紫外光感測器之 製造方法中，上述之基板可為氧化鋁基板，而半導體薄膜 叮選由氮化鎵、氮化銘鎵或氮化紹銦銶等η或p型之II n 族化合物所構成，且銦錫氧化物之透明導電層可由銦氧化 物與錫氧化物之混合物所構成，而金屬接線區係由選自於 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I n m xt i 1 Γ alv n ·1· I · n 11. n i «1— n 一°J* n —1 - n I I n I I n (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515108 A7 B7_ 五、發明說明（） 鉻金合金、鉻之合金與金之合金所組成之一族群所構成。 另外，形成半導體薄膜之步驟係利用低壓有機金屬氣 相蠢晶方法’而形成姻锡氧化物之透明導電層之步驟可利 用電子束蒸鍍法，於溫度約3 00°C之環境下，通入氧氣做 為反應氣體，以形成厚度約為1 000A的銦錫氧化物之透 明導電層。除了電子束蒸鍍法外，也可利用真空蒸著法以 形成銦錫氧化物之透明導電層。上述的銦錫氧化物之透明 導電層可為指叉狀或蚊香狀電極或者是其它形式，端視使 用者需要而定。而上述的回火步驟係例如在氮氣環境之 下，且溫度約3 0 (TC至6 0 0 °C之間，進行回火約5分鐘至 2 0分鐘。其中，較佳的回火步驟為溫度約為6 0 0 °C，且進 行回火約1 5分鐘。 本發明氮化鎵金屬-半導體-金屬型紫外光感測器之 結構，係具有高響應特性，其結構包含：一基板，與依序 位於基板上的半導體薄膜、銦錫氧化物之透明導電層、以 及金屬銲墊。 本發明氮化鎵金屬-半導體-金屬型紫外光感測器之 結構中，上述之基板可為藍寶石基板，而半導體薄膜可為 氮化鎵、氮化鋁鎵或氮化鋁銦鎵等η或p型之III-V族化 合物。另外，上述之銦錫氧化物之透明導電層可為指叉狀 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） n I n ϋ n n —Ay n n «ϋ I · n n ϋ n n n n 一OJ· n n n ϋ n n ϋ I an l$m (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 5151〇8 A7 B7 ^ . -I、發明說明（） 戒蚊香狀電極，而金屬銲墊可為鉻金合金、鉻之合金與金 之合金所構成。 而透過一系列以銦錫氧化物為透明導電層的指叉狀 金屬-半導體-金屬型紫外光感測器之研製，我們發明了具 有最大光電流（約〇. 1 2 A)、光電流與暗電流感測範圍差高 達5個數量級（即1〇5倍）以及在入射光波長為345nm、反 句偏壓為5V及0.5V以下’其光響應度（responsivity)分 別可達到7.2 A/W及〇·9 A/W，這是以往傳統使用一般不 透光金屬作為接觸（contact)所無法比擬的。 明 說 單 簡 式 圖 列 下 以 輔 中 字 文 明 說 之 後 往 於： 將中 例其 施， 實述 佳闡 較的 的細 明詳 發更 本做 形 圖 第之 器 測 感 光 外 紫 型 屬 金 I 體 導 半 I 屬 金 鎵 化 E 為 示 繪 所 圖 圖 意 示 案 圖 極 電 型 叉 感 光 外 紫 型 屬 金 I 體 導 半 I 屬 金 鎵 化 IL 為 示 繪 所 圖 2 第 圖 意 示 案 圖 極 電 型 香 蚊 之 器 測 -------^--------裝--------訂 i H IV ·1 ϋ n n I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發 本1-為屬 示金 繪鎵 所化 圖氮 3 型 第叉 指 之 明 導 屬件 金元 極之 電器 明測 透感 物光 化外 氧紫 錫型 姻屬 有金 具 - 體 上 璃 玻 寧 康 在 鍍 膜 薄 物 化 氧 錫 銦 將 為 示 繪 ;所 圖圖 意 4 示第 構 結 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 515108 A7 ^__B7____— 五、發明說明（） 經不同溫度回火之光穿透特性曲線圖； 第5 a圖所繪示為本發明具有銦錫氧化物透明電極之氮 化鎵半導體，經不同溫度回火之順向偏壓之電流電壓特性 曲線圖， 第5 b圖所繪示為將銦錫氧化物薄膜鍍在氮化鎵半導體 上，經不同溫度回火之逆向偏壓之電流電壓特性曲線圖； 第6圖所繪示為本發明將銦錫氧化物透明電極經4 〇 〇 。{:及600 °C回火處理後，應用於指叉型氮化鎵金屬-半導體· 金屬型紫外光感測器之光電流響應及暗電流之電流電壓曲 線圖；以及 第7圖所繪示為在不同反向偏壓下，本發明具有鋼锡 氧化物透明導電膜之氮化鎵金屬-半導體-金屬型紫外光咸 測器之光頻譜響應圖。 圖號對照說明： 10 藍寶石基板 12 氮化鎵緩衝層 13 氮化叙層 14 銦錫氧化物之透明電極 16 銲墊 -----------*---· I I I I---訂·-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 明 說 細 詳 明 發 紫 型 屬 金 - 體 導 半 - 屬 金 的 體 主 為 料 材 鎵 化 氣 以 前 ¥公 29Γ X 10 2 /IV 格 規 4 )A S) N (C 準 標 家 國 國 中 用 適 度 尺 張 i紙 本 515108 五、發明說明（） 外光感測器均是以不透光金屬例如鎳（Ni)、金（Au)、 (Pd)、翻（Pt)等等來當作指叉狀電極部分，使得大部八上 射光會被金屬電極反射，而造成光感測效率降低，無、去、 到所需要的高響應特性。然而，另一種從基板背面照光$ 避免光被基板正面之金屬電極反射的改良方式會產生 些製程方面的問題，例如，製作感測器元件的圖樣所需的 光學微影製程無法配合這種背面照射製程，而增加元件製 程的步驟與困難度，並且成本偏高，在元件的封裝製 分也有相當的困難度。 因此 料來取代 型紫外光 阻擋而直 特性，並 器具有容 且可適用 物透明導 可用在高 以取代原 ’本發明提供一種利用銦錫氧化物的透明電極材 原有的指叉狀不透光金屬之金屬-半導體-金屬 感測器結構及其製造方法，可使入射光不受電極 接射入半導體薄膜中，能有效提昇感測器的響應 能增加響應速度。指叉狀金屬-半導體-金屬感測 易製造、高增益、高靈敏度、高響應速度等特性， 於光電積體電路的整合部分，本發明的銦錫乳化 電層薄膜，其透光度在紫外波段町達9 8 %，故 響應特性的金屬-半導體_金屬型紫外光感測裔， 本使用的不透光金屬層。 I n n n n n n M4 h h ϋ n 1 Φ I 1 Γ请先閱tt背面之>i意事項再填寫本頁)
It · 丨線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明氮化鎵金屬-半導體-金屬型紫外光感測器之 結構及其製造方法分別說明如下： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公g ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 515108 A7 __B7 五、發明說明（） 本發明氮化鎵金屬-半導體-金屬型紫外光感測器之 製造方法包括：首先，使用例如有機金屬化學氣相沈積技 術在例如氧化鋁基板上成長低溫氮化鎵薄膜作為緩衝 層，此低溫氮化鎵薄膜厚度約為3 00 A。接著，再沈積一 層厚度約為2 μιη的高溫η型氮化鎵半導體薄膜，在本發 明之實施例中，經過霍爾量測後可得知此高溫η型氮化鎵 半導體薄膜之濃度為 1 X 1017/cm3，霍爾移動率為 210 cm2/V-sec。其中，上述之氧化鋁基板即為藍寶石基板， 另外，上述之氮化鎵薄膜可由η型或p型之IH-V族化合 物，如氮化鎵、氮化鋁鎵或氮化鋁鎵銦或其他材質所構 成。 隨後再於氮化鎵薄膜上，以不同的成長方法，例如真 空蒸著法、電子束蒸鍍法、離子濺鍍法等，改變不同成長 條件，例如成長溫度、成長壓力、成長速率等，鑛上一層 銦錫氧化物的透明導電層。本發明的較佳實施例中，根據 光學反射穿透計算，利用電子束蒸鍍法在成長壓力約1 X 1CT3 Torr、成長溫度約3 00°c ，長成厚度約1 000 Α的銦 錫氧化物之透明導電膜為較佳，藉此可獲得較良好的穿透 光學特性。 接著，形成光阻層於銦錫氧化物薄膜上，並利用曝光 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ，--->---裝--------訂i n ei In In I— n I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 515108 A7 ______B7___ 五、發明說明（） 技術將光感’則器元件圖樣’例如第1圖所示之指又型圖 案，轉移到光阻之上。第1圖所繪示為氮化鎵金屬_半導體 -金屬型紫外光感測器之指叉型電極圖案示意圖，其中，指 叉狀結構之指長約為1 00 μηι，兩指間隙約為2 μιη。另一 種電極圖案如第2圖所示，第2圖所緣示為氣㈣金屬_ 半導體-金屬型紫外光感測器之蚊香型電極圖案示意圖。接 著再以例如濕式或乾式姓刻法’去除圖形外多餘的銦錫 氧化物薄膜，以完成感測器主體結構。隨後，將置入氧化 爐ΐ中^過不同的溫度及時間之回火以除去缺陷，以獲 得最佳的光穿透特性及導電特性。另外，值得注意的是本 發明之電極圖案並非限定於指叉型或蚊香型，本發明之電 極圖案也可是任何其他形式，端視使用者需要而定，本發 明不限於此。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ---------------裝--------訂· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 上述本發明氮化鎵金屬-半導體-金屬型紫外光感測 器之製造方法中，所使用之光阻劑係為可抗酸性溶液或乾 式電漿離子的腐蝕，其使用方法可和熟悉此技藝者所知之 光學U影技術互相配合。另外，後續去除多餘銦錫氧化物 所使用的蝕刻方法可為濕式蝕刻及乾式蝕刻。其中，濕式 钮刻法可使用例如氣化氫（HC1)溶液作為蝕刻液，而乾式 触刻法可使用活性離子蝕刻（RIE)、電子迴旋共振蝕刻 (ECR)、感應耦合式電漿蝕刻（ICp)等，操作者可視製程與 產品需要而加以應用，本發明不限於此。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 515108 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（ 之後’在銦錫氧化物薄腺〜 寻膜上势鍍上接線區金屬之銲 墊，如鉻金合金，以作為金屬 旬逆深之用，如第3圖所示， 其結構可例如由上而下為：鲜塾16/銦錫氧化物之透” 極14/氮化鎵層13/氮化鎵緩衝層12/藍寶石基板。其 中，上述做為金層連線區之鲜塾16除了可使用络金合金 外，還可使用例如路之合金、金之合金或其混合物或者是 其它材質，本發明不限於此。 在本發明較佳實施例中’係利用上述之製造方法，將 此銦錫氧化物薄膜鍍在例如康寧玻璃（本發明亦可應用於 其它玻璃）上，以利用光學穿裱禚旦、^ 芽透儀里測銦錫氧化物薄膜本 身的光學穿透頻譜特性，其結果如第4圖所示。第4圖所 繪示為將銦錫氧化物薄膜鍍在康寧玻璃上，經不同溫度回 火之光穿透特性曲線圖，請參照第4圖’其中，當長 為390 nm時，在沒有回火過程、4〇〇βς回火過二或、二 ^回火過程，可獲得85%穿料，但是，經過6啊回火 過程的姻錫氧化物薄膜卻可以獲得高 率。不t如此，此具有嶋穿透率之鋼錫氧1:勿= 的低光損耗度（Responsivity)分別可遠刭7 9 /wn, ^ z A/ w 及 〇 9 A/W，這是習知使用一般不透光金屬作為接觸所無法比擬 的0 12 本紙張足度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----.---^--------t--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515108 A7 B7 五、發明說明（) 接著，再利用上述之製造方法，在本發明銦錫氧化物 導電物質之上，以光學顯影技術做成蕭特基接觸以量測銦 錫氧化物薄膜的電特性參數，如第5 a圖及第5 b圖所示。 第5 a圖所繪示為本發明具有銦錫氧化物透明電極之氮化鎵 半導體，經不同溫度回火之順向偏壓之電流電壓特性曲線 圖，而第5b圖所繪示為將銦錫氧化物薄膜鍍在氮化鎵半導 體上，經不同溫度回火之逆向偏壓之電流電壓特性曲線 圖。利用第5 a圖及第5 b圖經過分析計算後可知，銦錫氧 化物薄膜400 °C、5 00 °C及600 °C回火後的蕭特基接觸能障 值分別為0.68 eV、0.88eV及0.98 eV。因此綜合以上所 知，經過600°C回火的銦錫氧化物薄膜，其光學特性及電 氣特性均為較佳。 另外，將本發明具有銦錫氧化物導電薄膜之氮化鎵金 屬-半導體-金屬紫外線感測器，經光照射前及照射後量測 其暗電流和光電流，以得知回火溫度對本發明之重要 性，，係利用4 0 0 °C及6 0 0 °C回火溫度做為數據對照，如 第6圖所示。其中，在暗電流部分，6 0 0 °C回火比4 0 0 °C 回火具有更小的暗電流，這意味著本元件使用600 °C回火 將較不受雜訊之干擾。另外，在光電流部分，6 0 0 °C回火 較400°C回火具有更大的光電流，這顯示出600°C回火可 以使感測器具有更大的光靈敏度及光增益，其中600 °C回 火之光電流已高達0 · 1 2 A，而再從光感測器的感測範圍 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------*------I----訂---------*線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515108 A7 B7_ 五、發明說明（） 來看，所謂感測範圍即指光電流和暗電流之差別，6 0 0 °C 回火更可高達5個數量級的感測範圍，亦即光電流與暗電 流相差達1 0 5倍。 最後，量測本發明感測器之光響應度對於入射光的波 長之影響，如第7圖所示。第7圖所繪示為在不同反向偏 壓下，本發明具有銦錫氧化物透明導電膜之氮化鎵金屬-半 導體-金屬型紫外光感測器之光頻譜響應圖，其中，在3 5 1 nm附近具有一個截止頻率，可以完成所謂的可見光盲目 之目標，並藉著5V及0.5V不同偏壓之下，分別可以獲 得7.2 A/W及0.9 A/W，其中7.2 A/W已經是氮化鎵系列 UV感測器之中最高的響應度。 透過一系列以銦錫氧化物為透明導電層的指叉狀金 屬-半導體-金屬型紫外光感測器之研製，本發明之感測器 具有最大光電流（約0.1 2 A)、光電流與暗電流感測範圍差 高達5個數量級（即105倍）以及在入射光波長為345nm、 反向偏壓為5 V及0.5 V以下，其光響應度分別可達到7.2 A/W及0.9 A/W，這些優點係為習知使用一般不透光金屬 作為接觸之感測器所無法比擬的。 如熟悉此技術之人員所暸解的，以上所述僅為本發明 之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公t ) i n n ϋ H II «> ί ϋ —1» n m I · u ·ϋ an u n n i 一 0、I n n n an n ϋ n I» n (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 515108 A7 _ B7_ 五、發明說明（） 圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改 變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍内。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）