TWI375333B - - Google Patents

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1375333 - L 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於—種矽量子 指一 ίφψ η 、’工外光電晶體偵測器，尤 扣種从低酿且快速，能與目前 尤 現出極佳之近紅外光光電_ 導體卫業相谷亦可同時表 格社槿rSi㈣了 之純石夕且具石夕量子點超晶 裕、，，口構 c Si-QD SL，or w_Si/MS ) 、日日 <近紅外光電晶體偵測器。 【先前技術】 矽係地球上最豐富之元辛，且 p 士 A c丄 夕+導體工業經長久之發展 已成為一巨大且完整而獨立 广C.r η 、 枝術7員域，因此石夕基 (ucon-Base)材料在非傳統應用領域中，如近來極受囑目之 光電’尤以石夕基奈米材料，包括有奈米多孔石夕（p〇_如 及由二氧卿（⑽）薄膜、氧切（Si〇x<2 Q)薄膜與非晶 矽（纖）薄膜鑲嵌或覆蓋之矽奈米晶粒（—η Nan〇c_al)，以及矽奈米量子點（Qu她_〇〇等而奈米 孔洞二氧化石夕（MesoP〇rous 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〜l〇nm)，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瓜-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 3 其能帶間（Interband)性質，唯其能帶内（Intra七and)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（IP’s)，因此吸引了相當大地注意；再者，量^ 點紅外光偵測器亦可以克服量子井紅外光偵測器一個主要缺 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m_v族系統，由於冚_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 用之材料對石夕半導體製程易產生污染問題，不僅成本高且無法 相今於料導體JL業。此外，量子井或其他如叾鳩量子點產 生方式多需搭配精密之微影、蝕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二高密 度與二維分佈之量子點。 目前近紅外波段（1.3〜! ·5μηι)光偵測器發展普遍應用在 火f監測、污染分析'醫學儀器'天文觀測、光通訊甚至軍事 等；?員域纟中尤以此與石夕積體線路整合之石夕鍺光偵測器最受

人嗎目。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_〇xide_SemieQnduetW T刪istGr，MOSFET)光電開關。該裝置即係利贿為閉極， 因鍺具有G.8電子伏特（eV)能隙，#照射！ 3叫$卿之近 =外光波段時，並在外加電塵下，即可造成能帶彎曲且光激發 產生電子電洞對於錯間極中，使正電荷累積在Ge·介面而 吸引電子靠近二氧化抑界面，以增高源、汲極間之導通性， 進而可放大光錢贿鋪^。由此可知，基雌 瞻，所⑽做】.5 _光，_可纽細 1375333 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 料或石夕之介面特性較差，因此整合成電晶體光债測器較為困 難。另外，雖有施敏教授等人利用多孔石夕製作1.55μιη紅外波 段之光偵測器，並於2〇〇1在0PTICS 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。 由於紅外光_器已經為成熟且需求量極大之產品，目前 已廣泛地剌在生物醫學至光槠等方面都有所f獻。雖然石夕 材料在晶片之製作等領域非常成功，唯其能隙型態為uev大 小之間接能隙，因此至今仍纟法在光電轉換之領域上有元件程 度之應用。在奈米尺度下，雖然石夕材料之電子能階與其粒子大 小之相關性可使其極有可能成為下個世代之光電元件；秋而， 最廣泛之制器材料仍翁·ν族半導體，並且㈣ 雜外光伽11尚具有製簡難域本高之缺 . a用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。 【發明内容】 測器。 ）之近紅外光電晶體偵 為達以上之目的，本發明係一種 傾測器，細細可敗絲础二魏_=板 5 1375333 溫、快速以及易大面積製造之脈賊高密度電_助原子層沉

積法（Plasma Assistant Atomic Layer Chemical v DeposiL PAALD)，使用奈米結構化石夕基薄膜為問極介tf

吸收材料，成為三端奈米結構化石夕氧閘極電晶體，其包括有一 基板；-設置於該基板上之麵晶料（Epi likeSi)，且該類 遙晶石夕層部分區域上係分別具有—源極及—祕；以及一設置 於該類蠢财層上之閘極介電質，其中，該閘極介電質係包括 有兩緩衝層及^纽該兩緩衝層中間之射量子點奈米孔洞 -C Si Nanociystal / Mesoporous Silica, nc-Si/MS ) > M 在該閘極介電質上設有-_。麻，獅續麟米技術製 造之純石夕且具石夕量子點超晶格結構（Si QD %，⑽福 之近紅外光電晶_，除了具有触低溫、快速以及可虚 目前半導紅業相料，亦賤優越之近紅外通域段增益光 【實施方式】 明參閱『第1圖〜第3圖』所示，係分別為本發明石夕量^ 點紅外光二極體侧器—實施例之剖面示意圖、本發明石烟 貞測輯紫外·近紅外波段光之響應賴示意圖、石 氧化石夕層之能階示意圖。如圖所示：本潑 此具树奈佩洞二氧切作為1量子點紅外 。其細孔徑可調且分佈㈣之奈米孔洞二 夕作為模板，搭配脈衝式高密度賴輔助原子層沉積法 (lasma Assistant At〇mic Layer Che.ical Vapor Deposition, 於J於400 C之低溫下且於數分鐘内，在此奈米孔 6 1375333 流，並在420、560及770 nm之石夕量子點紅外光二極體_器 其兀件之光響應曲線2a可知分別為〇4、〇7及〇9安培/瓦 (A/W)，其最高光電轉換效率更可高達丨㈣，且反應速度快 於1〇奈秒㈤。更值得注意的是，_〜11〇〇nm處有相當明 顯之光電流響應，尤其係在波長為94〇nm處更高達6經。 而在1300〜1500nm波段，也量測到高達〇2々〜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=l 2ν，^二 3.〇V所獲得）亦同樣可知，於近紅外光通訊波段處也可觀察 到有極優異之光響應。因此，本發明以奈米結構化石夕基薄膜作 為開極介·’藉由其中埋藏直徑為4〜5nm量子點！ 2 !， 可誘發近紅外光激量子帶内能隙躍遷效應，而有顯著光通訊波 長之吸收’以產生明顯光電流效應，並達到純石夕近紅外光偵測 器。由於本發明之量子點12 i尺度極小，所以可建立近红外 (QU-«ffectIntra-BandTr^ , =圍遠超過一般量子點光偵測器因其内之量子點較大而 僅月b應用於遠紅外光偵測之限制。因此在1550nm波段中，金 晶體光姻^射有高達2.8 A/w之響應，不僅 對先儲存、光通訊及光伏特元件有重大助益，且亦明顯優於文 報導之錯量子縣彳_之光電鱗應為_ mA/W。 1元件在紫外光 早心二 對紫外光極佳之增益響應。當此石夕量 1形111操作在逆偏壓時，由於财基板1 行而辦強上之具石夕量子點超晶格結構12會捕獲正電 何而增強载子由反轉層注入到上電極，最終形成該具石夕量子點 8 1375333 ' 超晶格結構12中產生之光激電流被放大之效應。 在此研究中，經由第1圖構成之元件對紫外-近紅外波段 光之響應頻譜，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1550nm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。 明參閱『第4 A圖及第4 B圖』所示，係分別為本發明石夕 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 明矽量子點近紅外光電晶體偵測器一實施例之TEM照片圖。 如圖所不、.,本發明係一種石夕量子點近紅外光電晶義測器，由 2述奈米結構化魏光魏層具有量子態軸能隙，故將此 • 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 • 知不米、口構化石夕氧閘極電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor

Field-EffeetTmnsistGi·，MOSFET)。於-較佳實關巾，此矽量 子』近紅外光電晶體偵測器3之通道長度為一，寬度為 * 25μΠ1並至少包括有一石英（Quartz)基板3 1、-設置於該 基板^1上之類蟲晶石夕層3 2 ,且該類遙晶石夕層3 2部分區域 f係分別具有—源極3 4及—汲極3 5、以及一設置於該類蟲 晶石夕層3 2上之閘極介電質3 3，且該閘極介電質3 3係包括 有兩緩衝層3 6、3 7及—夾於該兩緩衝層3 6、3 7中間之 9 1375333 ===389r_極介電如增一 :==Γ將上述結構，式電子顯』 4Β圖所示。M_Py，_所_截面如第 上述祕量子轉I格結構3 8伽 ，形成於該奈米孔洞二氧谢孔道内壁=二 =量子广列所構成，該奈米微晶為奈米微晶;=: 、结構3 8於吸收近紅外光之1200nm〜 19〇〇nm波絲關之光職會產生-光電響應。 基於石夕對於1300〜l55〇nm波段而言係透明之所以石夕在 此段係不，其主要係由含外子點之奈纽洞氧切複合 材料所吸收，即該具石夕量子點超晶格結構3 8。而外來之紅外 光源則相當於一附加之閘極電壓來整流該沒極35端，因此照 光時會造成臨界電壓（Thresh〇ld v〇ltage，Vth)改變進而可 放大光電流於該汲極3 5輸出。因此本發明之矽量子點近紅外 光電晶體侧H射在近紅外波段展示極佳之光電響應，以達 到提供一純矽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、及本發明於1330/1550nm光源下不同閘 極電壓下其1d-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Μ-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 射之暗電流曲線4為對照組，在汲極電壓（Vd)設定為〇 lv 下，經上述二種波長以雷射功率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4nW4im2光照後所得之光電響應 電流曲線4a及以雷射功率2η\ν/μιη2光照後所得之光電響應 電ml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h6及丨2V 下’經上述1550、1310及532nm波長以雷射功率4nW&m2 之光照後，可各自量測得光電響應電流曲線5 a、5 b及5 c與 5d、5e及5f;於第6圖右邊係顯示，上述三種155〇、131〇 及532nm波長於Vg=1.6V及Vd=3.〇V之操作電壓下，在雷射 功率為4潇/师2之光照後，所得之光電響應曲線6 a、6 b及 6 c ° 由上述可知，在l310nm及155〇nm波長以雷射功率為 4nW/pm2之光照下，會於奈米結構化石夕基薄膜中產生電子電 洞對’而此奈米結;^化矽基薄膜令之矽氧介面能階會捕獲正電 荷而增強閘極電壓（+VG)於矽基底增強電子反轉層，經由電 晶體電流增益機制放A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 了克服i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。 °月參閱『第7圖』所示，係本發明與其他相關研究成果之 1375333 ，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♦量子闕晶格⑶切㈤或 石夕量子點/二氧切_ (ne_s趣）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石夕基紅外光摘測 器與量子點型摘測器之紅外光光電響應特性優點外，更能克服 m-v型紅外光伽彳n製程不相容於賴程技術性，而達到節 省資源及降低成本之目的。其製造上雜用與超Α型積體電路 (Very Large Scale Integrated Circuit，VLSI)技術相容之旋轉塗 佈、及脈衝式高密度電雜助原子層沉積法等低溫、快速製 程’且完全能整合於石夕基材料，除了可與目前半導體工業相容 外’同時亦能表現出極佳之近紅外光光電響應特性，因此對於 光儲存、光通訊及光伏特元件係有重大助益。 。。綜上職，本發明係___量子點近紅外光電晶體侧 盗，可有效改善習用之種種缺點’建構之三維奈米純石夕石夕量子 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 大面積製造之脈衝式電漿技術’使用完全與石夕半導體工業相容 之材料與製程’可表現祕佳之紅外通訊波段增益光電響應， ^此對於光儲存、光通訊及光伏特元件係有重大助益^而使 月之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，蜂已 付口發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。 惟以上所述者’僅為本發明之較佳實施例而已，者不能以 發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發 月說月θ内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明 12 1375333 專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 第1圖’係本發明石夕量子點紅外光二極體伽】器_實施例 之剖面示意圖。 第2圖’縣發_量子點紅外域測器對紫外_近紅外 波段光之響應頻譜示意圖。 第3圖，係本發明奈米孔洞二氧化石夕層之能階示意圖。 第4 AH ’係本發明砂量子點近紅外光電晶體彳貞測器一實 施例之剖面示意圖。 第4 B圖，係本發_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。 第6圖，係本發明於1330/I550nm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】 石夕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 氧化叙I錫層13 電性連接點14、15 13 1375333 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 類蟲晶碎層3 2 閘極介電質3 3 源極3 4 没極3 5 φ 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 14

Claims (1)

1. 剛器’其尹，該量子點之直徑為4〜5nm。 • ^虞申請專利棚第i項所述之料子點近紅外光電晶體偵 如’其t ’該絲度量子轉列細脈衝式高密度電聚輔 (Plasma Assistant Atomic Layer 7 Chemical Vapor Deposition，PAALD )形成。 •依據申請專利翻第1項所述之發量子點近 測器，其中，該閘極係為多晶;％电日曰體偵