TWI384562B - 具有奈米級多孔性感測金屬合層之半導體氫氣感測器及其製造方法 - Google Patents

Description

具有奈米級多孔性感測金屬合層之半導體氫氣感測器及其製造方法

本發明所揭係與一種氫氣感測器有關，特別是與一種具有奈米級多孔性感測金屬合層之半導體氫氣感測器及其製造方法有關，俾期改善半導體氫氣感測器之靈敏度與響應時間，以適用於極低氫氣之感測與相關應用。

氫氣極為潔淨且是一種甚佳的能源氣體。然而，氫氣本身為具揮發性與可燃性。含氫之氣體若不慎有一些漏氣將可能導致爆炸，是相當危險性的。基於安全之理由，氫氣感測器長久已來已被深廣製作和研究。過去，有一些場效型感測器藉由氫氣感測金屬而進行感測。習知已有金屬/半導體(MS)蕭基性接觸(Schottky contact)二極體、金屬/氧化物/半導體(MOS)二極體及場效電晶體等之半導體氫氣感測器被製作及應用。其中，以化合物半導體為感測平臺配合觸媒金屬更是適於感測器之製作。通常，MS蕭基性接觸二極體為例，其感測機制為：氫分子先於觸媒金屬表面上吸附及分解成氫原子；該氫原子快速擴散進入MS表面，且於該半導體感測層表面上形成偶極層(dipole layer)；此偶極層將導致蕭基性接觸之有效位障高度(barrier height)降低，而增加感測之電流；藉由該感測電流之增加以偵測出氫氣。此外，習知技術亦已揭示：相較於MS蕭基性接觸結構，MOS結構因在該半導體基材與觸媒金屬間有氧原子之存在，可有效提升氫氣感測之靈敏度。另一方面，以鈀(Pd)奈米微粒或奈米線作為觸媒金屬，當氫氣被吸附時可增加其表面對體積之比例(surface-to-volume ratio)，此亦可有效提升氫氣感測之靈敏度。為使氫氣感測之靈敏度更加提升，增加氫氣濃度或於高溫下增加觸媒金屬表面上氫氣原子之解離，皆為增加能障高度改變量及靈敏度的方法。然而，氫氣感測器之目的是希望為能偵測到相當低的氫氣濃度且可降低氫氣感測器之成本，故上述之做法並不符合實際應用。

特別是，習知技術之半導體氫氣感測器所吸附之氫原子僅在半導體感測平臺上形成二維之偶極層(dipole layer)，其靈敏度改善空間有限。本發明之半導體氫氣感測器是將氧化物混合於觸媒金屬內以進行共蒸鍍沉積，再對該混合物沉積層進行蝕刻，以去除該混合物中之大部份氧化物，而形成具有孔洞之奈米級多孔性感測金屬合層。該奈米級多孔性感測金屬合層孔洞內之大表面積可有效增加氫氣分子之吸附與分解。且該奈米級多孔性感測金屬合層下區塊之金屬/氧化物混合物亦參與氫原子之補獲，以及極化成三維(three dimension)之偶極層，使氫氣感測之靈敏度更能提升。實驗的結果顯示本發明半導體氫氣感測器因具有該奈米級多孔性感測金屬合層，而可用以提升感測之氫氣靈敏度並降低其反應時間。

本發明揭示一種具有奈米級感測金屬合層之半導體氫氣感測器。該感測金屬合層之奈米級孔洞可提升氫氣分子吸附與分解之表面積。本發明之半導體氫氣感測器其靈敏度相當大，且響應時間相當短，極適於低濃度氫氣感測之使用。為使本發明更易瞭解及實施，請參見以下實施例說明。

本發明之較佳具體實施態樣包括(但不限於)下列項目：

1.一種半導體氫氣感測器之製造方法，其包含以下步驟：(1)提供一基板；(2)形成一位於該基板上之半導體積層以作為一感測平臺；(3)形成位於該半導體積層上並與該半導體積層構成接觸(contact)之至少一電極部；(4)形成一位於該半導體積層上並與該半導體積層構成蕭基性接觸(Schottky contact)之感測部；其中，步驟(4)中之該感測部的形成又包括：(i)以一次共蒸鍍方式，將一預定重量比之觸媒金屬與氧化物混合物沉積在具圖案化光阻層之該基板上，從而形成一沉積層；(ii)對該沉積層執行一次選擇性濕蝕刻，以移除沉積層中大部分氧化物；以及(iii)進行剝離製程以形成圖案化感測部。

2.如前述第1項之製造方法，其中該感測部包含上、下兩區塊，緊鄰半導體積層上表面之下區塊為含觸媒金屬與氧化物之混合薄層，而一體成型且連續性銜接該混合薄層之上區塊為一奈米級多孔性感測金屬層。

3.如前述第2項之製造方法，其中該上區塊係由其間之氧化物被完全或近似完全移除的沉積層部份所形成，而該含觸媒金屬與氧化物之混合薄層則係因觸媒金屬之微罩幕效應而仍保存有些微氧化物。

4.如前述第1至3項中任一項之製造方法，其中該觸媒金屬係選自Pd、Pt、Ni、Ag、Ir之一或其等之合金者，而氧化物則為二氧化矽。

5.如前述第1項之製造方法，其中該電極部係屬蕭基性接觸，而半導體氫氣感測器為一種金半金二極體感測器。

6.如前述第1項之製造方法，其中該電極部係屬歐姆性接觸，而半導體氫氣感測器為金半二極體感測器、電阻性感測器或電晶體感測器之一者。

7.一種半導體氫氣感測器，包含：一基板；一位於該基板上並作為一感測平臺之半導體積層；位於該半導體積層上並與該半導體積層構成接觸(contact)之至少一電極部；一位於該半導體積層上並與該半導體積層構成蕭基性接觸(Schottky contact)之感測部；其中、該感測部又包含上、下兩區塊，緊鄰半導體積層上表面之下區塊為含觸媒金屬與氧化物之混合薄層，而一體成型且連續性銜接該混合薄層之上區塊為一奈米級多孔性感測金屬層。

8.如前述第7項之半導體氫氣感測器，其中該感測部係將共蒸鍍所沉積獲得之含觸媒金屬與氧化物混合體層經選擇性濕蝕刻後而形成者。

9.如前述第8項之半導體氫氣感測器，其中該上區塊係由其間之氧化物被完全或近似完全移除的含觸媒金屬與氧化物混合體層部份所形成，而該下區塊則係因觸媒金屬之微罩幕效應而仍保存有些微氧化物。

10.一種氫氣感測放大器，其包括一放大電路，用以將氫氣感測器之輸出感測電流放大、或轉換為相對應之電壓，以及一半導體氫氣感測器，其中該半導體氫氣感測器包含：一基板；一位於該基板上並作為一感測平臺之半導體積層；位於該半導體積層上並與該半導體積層構成接觸(contact)之至少一電極部；一位於該半導體積層上並與該半導體積層構成蕭基性接觸(Schottky contact)之感測部；其中、該感測部又包含上、下兩區塊，緊鄰半導體積層上表面之下區塊為含觸媒金屬與氧化物之混合薄層，而一體成型且連續性銜接該混合薄層之上區塊為一奈米級多孔性感測金屬層。

11.如前述第10項之氫氣感測放大器，其中該感測部係將共蒸鍍所沉積獲得之含觸媒金屬與氧化物混合體層經選擇性濕蝕刻後而形成者。

12.如前述第11項之氫氣感測放大器，其中該上區塊係由其間之氧化物被完全或近似完全移除的含觸媒金屬與氧化物混合體層部份所形成，而該下區塊則係因觸媒金屬之微罩幕效應而仍保存有些微氧化物。

13.一種奈米級多孔性感測金屬合層之製造方法，其中該奈米級多孔性感測金屬合層係適用於氫氣感測器並作為感測金屬者，該製造方法之步驟至少包括：以一次共蒸鍍方式，將一預定重量比之觸媒金屬與氧化物混合物沉積在一被處理基板上，從而形成一沉積層；及對該沉積層執行一次選擇性濕蝕刻，以移除沉積層中大部分氧化物。

14.如前述第13項之製造方法，其中該奈米級多孔性感測金屬合層包含上、下兩區塊，緊鄰被處理基板上表面之下區塊為含觸媒金屬與氧化物之混合薄層，而一體成型且連續性銜接該混合薄層之上區塊為一奈米級多孔性感測金屬層。

15.如前述第14項之製造方法，其中該上區塊係由其間之氧化物被完全或近似完全移除的沉積層部份所形成，而該含觸媒金屬與氧化物之混合薄層則係因觸媒金屬之微罩幕效應而仍保存有些微氧化物。

16.一種奈米級多孔性感測金屬合層，其中該奈米級多孔性感測金屬合層係適用於氫氣感測器並作為感測金屬者，其中該奈米級多孔性感測金屬合層包含上、下兩區塊，下區塊為含觸媒金屬與氧化物之混合薄層，而上區塊為一奈米級多孔性感測金屬層並係一體成型且連續性地銜接該混合薄層。

請參考第1(A)-1(E)圖為依本發明一較佳具體實施例以製作具有奈米級多孔性感測金屬合層之半導體氫氣感測器100的方法示意流程圖，如第1(A)圖所示，首先提供一基板101，該基板101並無特定之限制，可以是目前所慣用且習知者如矽(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、藍寶石、SOI、SiC等等。又，基板上或已形成有未顯示且作為各種主/被動元件的複數層材料層。接著如第1(B)圖所示，形成一位於基板101上並作為感測平臺之半導體積層102，該半導體積層102可以僅為一單層，也可以是能提供二維電子雲的積層，甚或其可以是基板上主/被動元件之複數層材料層的某一層，其可藉習知微影、蝕刻等必要製程以暴露出該複數層材料層的某一層。除此之外，該半導體積層102也可以適用目前所熟悉之奈米線、奈米管、或經處理後而具多孔性之半導體材料。參考第1(C)圖，形成至少一配置於半導體積層上之電極部103，該電極部103可以是單一歐姆性接觸，或是相對的兩歐姆性接觸，也可以是單一蕭基性接觸。第1(D)圖所示為圖案化一光阻以露出部份該半導體積層，於該所露出之半導體積層上沉積一含觸媒金屬與氧化物混合體層105，沉積的方法例如包括將觸媒金屬(Pd,Pt,Ni,Ir,Ag)和氧化物(SiO₂ )以一預定的重量比例混合研磨後，經由熱共蒸鍍方式而一次沉積在具圖案化光阻之半導體積層上。接著藉濕蝕刻溶液106以選擇性蝕除混在其中之氧化物，最後以剝離法完成圖案化感測部105a/105b之製作，見第1(E)圖。並且透過如是之製程所得到的圖案化感測部，其將包含上、下兩區塊，緊鄰半導體積層(亦即感測平臺)102上表面之下區塊為含觸媒金屬與氧化物之混合薄層105b，而一體成型且連續性銜接該混合薄層105b之上區塊為一奈米級多孔性感測金屬層105a。上區塊係由其間之氧化物被完全或近似完全移除的含觸媒金屬與氧化物混合體層105部份所形成，而該含觸媒金屬與氧化物之混合薄層105b則係因觸媒金屬之微罩幕效應而仍保存有些微氧化物。

依本發明一較佳具體實施例所完成的具有奈米級多孔性感測金屬合層之半導體氫氣感測器100，其包括一基板101，該基板101並無特定之限制，可以是目前所慣用且習知者如矽(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、藍寶石、SOI、SiC等等。至少一位於基板101上並作為感測平臺之半導體積層102，該半導體積層可以僅為一單層，也可以是如形成二維電子雲的積層，甚或其可以是基板上構成主/被動元件之複數層材料層的某一層。至少一配置於半導體積層上之電極部103和一感測部105a/105b，該感測部包括上、下兩區塊，下區塊緊鄰半導體積層102上表面，其為一種含觸媒金屬與氧化物之混合薄層105b，上區塊則係與該混合薄層105b一體成型且連續性銜接，並且係屬一種奈米級多孔性感測金屬層105b。更特別補充說明者，該包括上、下兩區塊之感測部係僅經由一次沉積製程以及一次濕蝕刻製程而形成者。而具有以上特徵之半導體氫氣感測器100並含各種實施態樣。如第2(A)圖所示，若電極部係被建構成屬於歐姆性接觸(Ohmic contact)者，則該電極部103結合感測部105a/105b所成之半導體氫氣感測器為一金半二極體氫氣感測器(MS diode hydrogen sensor)，並具有整流特性。一旦感測到氫氣，不管係偏壓在順向導通或反向飽和區，均將因偶極層引致之有效位障降低效應而產生額外的感應電流。由於在半導體積層上形成歐姆性接觸之電極部屬習知技術，因此不再特別限定與說明。又如第2(B)圖所示，若電極部被建構成屬於蕭基性接觸，則該電極部103結合感測部105a/105b所成之半導體氫氣感測器為一金半金二極體氫氣感測器(MSM diode hydrogen sensor)，由於金半金二極體本身所具對稱性結構，因此不管偏壓係順向或反向均呈現雙向對稱之感測特性。此時在半導體積層上所形成蕭基性接觸之電極部可以同於或不同於感測部者。再如第2(C)圖所示，若位於感測部相對側之兩電極部屬歐姆性接觸，且該兩電極部作為偏壓用電源輸入端、感測部浮接(floating)，兩電極部間半導體積層作為一電阻，則所成半導體氫氣感測器為一電阻性氫氣感測器(Resistive hydrogen sensor)。再參考第2(D)圖，若位於感測部相對側之兩電極部屬歐姆性接觸，且該兩電極部作為偏壓用電源輸入端(亦即源極與汲極)，兩電極部間半導體積層作為一通道層，感測部電氣連接作為控制閘極，則所成半導體氫氣感測器為一電晶體氫氣感測器(Transistor hydrogen sensor)。

實施例

於此較佳實施例中，本發明半導體氫氣感測器100係屬金半金二極體氫氣感測器者，其中所採基板101為藍寶石材質；作為感測平臺之半導體積層102僅為一n型掺雜之GaN單層，厚度為6000，濃度約為3~5×10¹⁶ cm^-3 ；該電極部103與感測部均屬相同結構並係藉經處理之含觸媒金屬與氧化物混合體層與n型掺雜GaN單層來形成蕭基性接觸。一旦n型掺雜之GaN單層已形成在基板上，金屬鈀(Pd)與二氧化矽(SiO₂ )將以一預定重量比例(較佳1:1)混合研磨後，再經熱蒸鍍機以一次共蒸鍍方式沉積在具圖案化光阻層之基板上，此時之沉積層便稱為含觸媒金屬與氧化物混合體層；接著對該沉積層先進行一次選擇性濕蝕刻，以去除該沉積層中之二氧化矽，再利用剝離製程(lift off)而形成圖案化之電極部和感測部。其中該濕式蝕刻製程方式雖未特別限定，但較佳係採：HF與水約1:50，300K下時間進行約為90秒至120秒。又該圖案化電極部和感測部之形狀並未有嚴格限定而可為任意者，本較佳實施例係採如第3圖所示之交趾狀(Interdigital)，且該趾狀(finger)寬度及趾狀間距離皆為5μm。

比較例一

於此比較例一中，半導體氫氣感測器100亦屬金半金二極體氫氣感測器者，其中所採基板101為藍寶石材質；作為感測平臺之半導體積層僅為一n型掺雜之GaN單層，厚度為6000，濃度約為3~5×10¹⁶ cm^-3 ；該電極部與感測部均屬相同結構並係直接藉含觸媒金屬與氧化物混合體層與n型掺雜GaN單層形成蕭基性接觸。一旦n型掺雜之GaN單層已形成在基板上，金屬鈀(Pd)與二氧化矽(SiO₂ )將以一預定重量比例(較佳1:1)混合研磨後，再經熱蒸鍍機以一次共蒸鍍方式沉積在具圖案化光阻層之基板上；接著直接利用剝離製程(lift off)而形成圖案化之電極部和感測部。值得注意者，該沉積層並未執行任何濕蝕刻處理。又該圖案化電極部和感測部之形狀亦如第3圖所示為交趾狀(interdigital)，且該趾狀(finger)寬度及趾狀間距離皆為5μm。

比較例二

於此比較例二中，半導體氫氣感測器100仍屬金半金二極體氫氣感測器者，其中所採基板101為藍寶石材質；作為感測平臺之半導體積層僅為一n型掺雜之GaN單層，厚度為6000，濃度約為3~5×10¹⁶ cm^-3 ；該電極部與感測部均屬相同結構並係藉觸媒金屬與n型掺雜GaN單層形成蕭基性接觸。一旦n型掺雜之GaN單層已形成在基板上，金屬鈀(Pd將直接經熱蒸鍍機以一次蒸鍍方式沉積在具圖案化光阻層之基板上；接著利用剝離製程(lift off)而形成圖案化之電極部和感測部。值得注意者，該沉積層僅含觸媒金屬。又該圖案化電極部和感測部之形狀亦如第3圖所示為交趾狀(Interdigital)，且該趾狀(finger)寬度及趾狀間距離皆為5μm。

為顯現本發明之功效，第4(A)與4(B)圖分別為本發明實施例之奈米級多孔性感測金屬合層之SIMS與SEM圖。顯然透過如上所揭之一次沉積製程以及一次濕蝕刻製程，該奈米級多孔性感測金屬合層將分成上、下兩區塊，緊鄰半導體積層102上表面之下區塊為具含觸媒金屬與氧化物混合薄層105b，而一體成型且連續性銜接該混合薄層105a之上區塊為一奈米級多孔性感測金屬層105a。上區塊因其間氧化物被完全或近似完全移除而形成奈米級多孔性感測金屬層105a，該含觸媒金屬與氧化物混合薄層105b則係因觸媒金屬之微罩幕效應而仍保存有些微氧化物，且該氧化物係位在近於半導體積層表面處。特別需指明者，本實施例中所提及之含觸媒金屬與氧化物混合薄層105b的實質並不同於沉積後、濕蝕刻前的含觸媒金屬與氧化物混合體層，也就是說，沉積後、濕蝕刻前的含觸媒金屬與氧化物混合體層即便與本實施例中之下區塊有相同的厚度，兩者的實質成分亦不相同。又參見該奈米級多孔性感測金屬合層之表面形態圖，由於原分佈於奈米級多孔性感測金屬層105a中SiO₂ 經濕蝕刻去除後，其表面形態呈現粗糙化，此是因該Pd金屬呈柱狀，且Pd金屬柱狀間呈孔狀。上述所新顯現之特徵咸認有助於氫分子解離、氫原子吸附及/或提供更多介面覆蓋態位(coverage sites)而進一步高效化氫氣感測。

參考第5(A)圖，其為本發明之半導體氫氣感測器100於氫濃度從2.13ppm變化到10100ppm H₂ /N₂ 時之電流-電壓特性曲線圖和比較例一第5(B)圖與比較例二第5(C)圖者之比較。由於本發明實施例與兩比較例之半導體氫氣感測器均為MSM結構，所以所有測得之電流-電壓特性均呈現雙向對稱性。各圖中最底下實線代表本發明之半導體氫氣感測器100於無氫氣(純氮氣)下所量測之特性。對於某固定偏壓下，可觀察其電流密度均隨氫氣濃度增加而增加。對於傳統的MS(或MSM或MOS)二極體半導體氫氣感測器而言，其氫分子是於觸媒金屬表面上進行吸附與分解成氫原子，且接著該氫原子於該感測金屬中迅速擴散進入至該MS(或MO)界面，以在該界面形成二維式偶極層，因而降低了Schottky位障且增加了感測電流，此過程中氫原子並不會於感測金屬合層或氧化體層中被捕捉。且該Schottky位障降低之機制是由於該MS(或MO)界面所捕捉氫原子總數，即(N_i ×θ_i )乘積量，所決定。其中，N_i 為該界面每單位面積之態位數(number of sites)，θ_i 為該界面之氫原子覆蓋率。然而，本發明半導體氫氣感測器100之機制與習知之半導體氫氣感測器並不相同。當進行氫氣感測時，氫分子不僅可於該Pd金屬柱狀表面上進行吸附與分解，且可於該金屬柱狀間孔狀內表面及該混合薄層105b內之金屬內進行吸附與分解。故相較於習知之半導體氫氣感測器，本發明實施例有更大的表面(surface)可以更有效地分解氫分子，只要於極低的氫氣濃度下即有相當高的偵測靈敏度。此外，該混合薄層105b內因有諸多微米級之金屬-氧化物(MO)界面(interface)，該MO界面亦可參與捕捉解離後之氫原子，而使更多之氫原子可迅速擴散至該半導體積層102表面，而形成了偶極(dipoles)。再者，在該半導體積層102表面也存在了高密度的微米級MOS及MS等效二極體。這些微米級之MOS及MS等效二極體不僅可增加N_i 值，且可避免氫原子從界面處脫離。因此，本發明之半導體氫氣感測器將較習知之半導體氫氣感測器有優異之感測特性。

如參見本實施例與比較例二之感測結果，該比較例二之感測即僅單純藉感測金屬表面上的氫分子解離成氫原子，氫原子於感測金屬中之擴散和在MS界面之吸附來形成偶極層。由於比較例二之半導體氫氣感測器中有限的感測金屬表面面積及金半界面單位面積態位數，因此隨氫濃度反應所增加之感測電流受到限制，感測反應度(sensing response)偏低並僅為本實施例者之萬分之一(如4890ppm下，本實施例者之感測反應度為1.90×10⁶ ，而比較例二者為1.10×10² )。再參見本實施例與比較例一之感測結果，雖然比較例一之半導體氫氣感測器中也存在有二氧化矽，而此一觸媒金屬鈀(Pd)與二氧化矽之混合雖然也會造成混成表面的多孔化與粗糙化，同時在金半界面及附近也形成所謂的微米級MOS及MS等效二極體，從而可能改善氫氣感測效能。事實上從比較例一之第5(B)圖發現其隨氫濃度反應所增加之感測電流(或感測反應度)相對於比較例二之第5(C)圖者而言，的確有明顯的改善。此外，發現比較例一之第5(B)圖中，隨氫濃度反應所增加之感測電流呈現電壓相依性的兩段式感測，此一電壓相依性感測雖尚未有明確機制，但咸認係混在觸媒金屬鈀(Pd)中二氧化矽過度捕捉氫原子，此一捕捉特別是在遠離金半界面者致使在電壓不足下，未能極化成偶極層，也造成感測電流不如預期。此一捕捉特別是若在發生在遠離金半界面者，更易造成負面影響。相反的、本實施例係先透過選擇性濕蝕刻製程蝕除遠離金半界面的二氧化矽，再以剝離法形成圖案化電極部和感測部。因此除避免了氫原子被不當捕捉外，更提供了奈米級多孔性感測金屬層，使解離面積增加，又使氫分子解離可更深入並接近金半界面處，一方面改善小電壓處之感應反應度外，再使得反應時間縮短成為預期。

第6(A)圖即為本發明實施例之氫氣動態響應圖，比較例一者亦顯示為第6(B)圖。對於通入1080、4890及10100ppm之H₂ /N₂ 時，且偏壓為5V時，本實施例之反應時間分別為180、110及90秒。而比較例一者則分別為320、370及660秒，顯然本實施例較短的反應時間是由於本半導體氫氣感測器所含奈米級多孔性感測金屬合層具有高的氫分子分解效率。

雖然本發明已利用上述實施例說明，但是本發明並不被所揭露的實施例所限制，熟悉本項技藝之人士仍可作出不脫離本發明範圍之修飾及變化。

100．．．半導體氫氣感測器

101．．．基板

102．．．半導體積層

103．．．電極部

104．．．圖案化光阻層

105a．．．奈米級多孔性感測金屬層

105b．．．含觸媒金屬與氧化物混合薄層

第1(A)-1(E)係本發明之半導體氫氣感測器之製作流程圖。

第2(A)-2(D)係本發明之半導體氫氣感測器的各種實施態樣。

第3圖係係本發明實施例之MSM半導體氫氣感測器所採電極部與感測部的實施態様。

第4(A)圖係沉積後含觸媒金屬與氧化物混合體層於濕蝕刻處理前、後之SIMS圖。

第4(B)圖係沉積後含觸媒金屬與氧化物混合體層於濕蝕刻處理後之SEM圖。

第5(A)圖係本發明實施例之半導體氫氣感測器於各種氫氛圍下的電流-電壓特性曲線圖。

第5(B)圖係本發明比較例一之半導體氫氣感測器於各種氫氛圍下的電流-電壓特性曲線圖。

第5(C)圖係本發明比較例二之半導體氫氣感測器於各種氫氛圍下的電流-電壓特性曲線圖。

第6(A)圖係本發明實施例之半導體氫氣感測器於各種氫氛圍下的動態感測電流特性曲線圖。

第6(B)圖係本發明比較例一之半導體氫氣感測器於各種氫氛圍下的動態感測電流特性曲線圖。

100．．．半導體氫氣感測器

101．．．基板

102．．．半導體積層

103．．．電極部

105a．．．奈米級多孔性感測金屬層

105b．．．含觸媒金屬與氧化物混合薄層

Claims (16)

1. 一種半導體氫氣感測器之製造方法，其包含以下步驟：(1)提供一基板；(2)形成一位於該基板上之半導體積層以作為一感測平臺；(3)形成位於該半導體積層上並與該半導體積層構成接觸(contact)之至少一電極部；(4)形成一位於該半導體積層上並與該半導體積層構成蕭基性接觸(Schottky contact)之感測部；其中，步驟(4)中之該感測部的形成又包括：(i)以一次共蒸鍍方式，將一預定重量比之觸媒金屬與氧化物混合物沉積在具圖案化光阻層之該基板上，從而形成一沉積層；(ii)對該沉積層執行一次選擇性濕蝕刻，以移除沉積層中大部分氧化物；以及(iii)進行剝離製程以形成圖案化感測部。
2. 如申請專利範圍第1項之製造方法，其中該感測部包含上、下兩區塊，緊鄰半導體積層上表面之下區塊為含觸媒金屬與氧化物之混合薄層，而一體成型且連續性銜接該混合薄層之上區塊為一奈米級多孔性感測金屬層。
3. 如申請專利範圍第2項之製造方法，其中該上區塊係由其間之氧化物被完全或近似完全移除的沉積層部份所 形成，而該含觸媒金屬與氧化物之混合薄層則係因觸媒金屬之微罩幕效應而仍保存有些微氧化物。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之製造方法，其中該觸媒金屬係選自Pd、Pt、Ni、Ag、Ir之一或其等之合金者，而氧化物則為二氧化矽。
5. 如申請專利範圍第1項之製造方法，其中該電極部係屬蕭基性接觸，而半導體氫氣感測器為一種金半金二極體感測器。
6. 如申請專利範圍第1項之製造方法，其中該電極部係屬歐姆性接觸，而半導體氫氣感測器為金半二極體感測器、電阻性感測器或電晶體感測器之一者。
7. 一種半導體氫氣感測器，包含：一基板；一位於該基板上並作為一感測平臺之半導體積層；位於該半導體積層上並與該半導體積層構成接觸(contact)之至少一電極部；一位於該半導體積層上並與該半導體積層構成蕭基性接觸(Schottky contact)之感測部；其中、該感測部又包含上、下兩區塊，緊鄰半導體積層上表面之下區塊為含觸媒金屬與氧化物之混合薄層，而 一體成型且連續性銜接該混合薄層之上區塊為一奈米級多孔性感測金屬層。
8. 如申請專利範圍第7項之半導體氫氣感測器，其中該感測部係將共蒸鍍所沉積獲得之含觸媒金屬與氧化物混合體層經選擇性濕蝕刻後而形成者。
9. 如申請專利範圍第8項之半導體氫氣感測器，其中該上區塊係由其間之氧化物被完全或近似完全移除的含觸媒金屬與氧化物混合體層部份所形成，而該下區塊則係因觸媒金屬之微罩幕效應而仍保存有些微氧化物。
10. 一種氫氣感測放大器，其包括一放大電路，用以將氫氣感測器之輸出感測電流放大、或轉換為相對應之電壓，以及一半導體氫氣感測器，其中該半導體氫氣感測器包含：一基板；一位於該基板上並作為一感測平臺之半導體積層；位於該半導體積層上並與該半導體積層構成接觸(contact)之至少一電極部；一位於該半導體積層上並與該半導體積層構成蕭基性接觸(Schottky contact)之感測部；其中、該感測部又包含上、下兩區塊，緊鄰半導體積層上表面之下區塊為含觸媒金屬與氧化物之混合薄層，而一體成型且連續性銜接該混合薄層之上區塊為一奈米級多孔性感測金屬層。
11. 如申請專利範圍第10項之氫氣感測放大器，其中該感測部係將共蒸鍍所沉積獲得之含觸媒金屬與氧化物混合體層經選擇性濕蝕刻後而形成者。
12. 如申請專利範圍第11項之氫氣感測放大器，其中該上區塊係由其間之氧化物被完全或近似完全移除的含觸媒金屬與氧化物混合體層部份所形成，而該下區塊則係因觸媒金屬之微罩幕效應而仍保存有些微氧化物。
13. 一種奈米級多孔性感測金屬合層之製造方法，其中該奈米級多孔性感測金屬合層係適用於氫氣感測器並作為感測金屬者，該製造方法之步驟至少包括：以一次共蒸鍍方式，將一預定重量比之觸媒金屬與氧化物混合物沉積在一被處理基板上，從而形成一沉積層；及對該沉積層執行一次選擇性濕蝕刻，以移除沉積層中大部分氧化物。
14. 如申請專利範圍第13項之製造方法，其中該奈米級多孔性感測金屬合層包含上、下兩區塊，緊鄰被處理基板上表面之下區塊為含觸媒金屬與氧化物之混合薄層，而一體成型且連續性銜接該混合薄層之上區塊為一奈米級多孔性感測金屬層。
15. 如申請專利範圍第14項之製造方法，其中該上區塊係由其間之氧化物被完全或近似完全移除的沉積層部份所形成，而該含觸媒金屬與氧化物之混合薄層則係因觸媒金屬之微罩幕效應而仍保存有些微氧化物。
16. 一種奈米級多孔性感測金屬合層，其中該奈米級多孔性感測金屬合層係適用於氫氣感測器並作為感測金屬者，其中該奈米級多孔性感測金屬合層包含上、下兩區塊，下區塊為含觸媒金屬與氧化物之混合薄層，而上區塊為一奈米級多孔性感測金屬層並係一體成型且連續性地銜接該混合薄層。