TWI780861B - 光電二極體及其用途 - Google Patents

Abstract

一光電二極體包含一基板、一P型氮化物層及一N型氧化物層，該P型氮化物層位於該基板上，該N型氧化物層位於該P型氮化物層上以形成一異質PN接面，且該N型氧化物層之能隙大於該P型氮化物層之能隙，因此該光電二極體可應用於一光感測器，用以判斷光線種類。

Description

光電二極體及其用途

本發明關於一種光電二極體，特別是一種具有異質PN接面之光電二極體。

光電二極體係將P型半導體材料及N型半導體材料結合，以形成PN接面，P型半導體材料之電洞朝向N型半導體材料方向擴散，而N型半導體材料之電子朝向P型半導體材料方向擴散，因此於PN接面形成空乏區，當光電二極體照光時，帶有能量的光子進入PN接面會使共價鍵中的電子脫離而形成光電流，由於光電二極體可將光線轉換為電流或電壓訊號，已廣泛應用於光感測器中。

本發明之目的在於提供一種光電二極體，其對於可見光、紫外光A及紫外光B之響應度具有顯著差異，可應用於光感測器中，用以判斷光線種類。

本發明之一種光電二極體包含一基板、一P型氮化物層及一N型氧化物層，該P型氮化物層位於該基板上，該N型氧化物層位於該P型氮化物層上，該P型氮化物層及該N型氧化物層之間具有一異質PN接面，且該N型氧化物層之能隙大於該P型氮化物層之能隙。

該光電二極體之該P型氮化物層及該N型氧化物層構成該異質PN接面，兩者之間的能隙差異使得該光電二極體具有特殊光電特性，對於不同波長的入射光會呈現不同響應度，可應用於光感測器，根據響應度高低判斷光線種類。

100:光電二極體

110:基板

120:P型氮化物層

121:第一電極區域

130:N型氧化物層

131:第二電極區域

140:第一電極

150:第二電極

第1a-1e圖：依據本發明之一較佳實施例，一種光電二極體之製造方法示意圖。

第2圖：光電二極體之電流-電壓特性量測結果。

第3圖：光電二極體之光電響應頻譜。

請參閱第1e圖，一光電二極體100包含一基板110、一P型氮化物層120及一N型氧化物層130，該P型氮化物層120及該N型氧化物層130為該光電二極體100之主動層，該P型氮化物層120位於該基板110上，由一P型半導體材料所製成，該N型氧化物層130位於該P型氮化物層120上，由一N型半導體材料所製成，因此該P型氮化物層120與該N型氧化物層130之間具有一異質PN接面。

請參閱第1e圖，較佳地，該光電二極體100另包含一第一電極層140及一第二電極層150，部份該P型氮化層120未被該N型氧化物層130覆蓋，該第一電極層140位於該P型氮化物層120上，與該P型氮化物層120形成歐姆接觸，該第二電極層150位於該N型氧化物層130上，與該N型氧化物層130形成歐姆接觸，其中該第一電極層140及該第二電極層150之材料可為金屬、合金或透明導電氧化物。

該基板110之材質可為矽(Si)、碳化矽(SiC)、藍寶石(Al₂O₃,sapphire)、氮化鎵(GaN)或玻璃(SiO₂)，較佳地，該基板110之電阻值須大於10⁹Ω-cm，以避免該光電二極體100自該基板110漏電。

請參閱第1a至1e圖，其為該光電二極體100之製造方法示意圖，如第1a圖所示，首先於該基板110上成長該P型氮化物層120，該P型氮化物層120可藉由有機金屬氣相沈積法(MOCVD,metal-organic chemical vapor deposition)、分子束磊晶技術(MBE,molecular beam epitaxy)或氫化物氣相磊晶法(HVPE,hydride vapor phase epitaxy)成長於該基板110上，較佳地，該P型氮化物層之材料為P型III族氮化物半導體材料，更佳地，該P型氮化物層120之材料為P型氮化鋁(AlN)、P型氮化鎵(GaN)、P型氮化銦(InN)、P型氮化鋁鎵(AlGaN)、P型氮化銦鎵(InGaN)、P型氮化鋁銦(AlInN)或P型氮化鋁銦鎵(AlInGaN)，在本實施例中，係藉由HVPE在藍寶石基板上成長P型氮化鎵薄膜。

請參閱第1b圖，接著於該P型氮化物層120上成長該N型氧化物層130，較佳地，該N型氧化物層130為摻雜有一III族元素之N型氧化鎂鋅(Mg_xZn_1-xO)、N型氧化鎵鋅(Ga_xZn_1-xO)或N型氧化鋁鋅(Al_xZn_1-xO)，其中0<x<1，且該III族元素摻雜比例介於該N型氧化物層130中之鋅元素體積莫爾濃度之0.0001%至5%之間，在本實施例中，係藉由一霧化常壓化學氣相沈積法(MAPCVD,mist atmospheric pressure chemical vapor deposition method)於P型氮化鎵薄膜上成長摻雜有銦元素之N型氧化鎂鋅(n-Mg_0.3Zn_0.7O：In)薄膜，鎂鋅莫爾比為3：7，銦元素以原位(in-situ)摻雜方式摻雜於於氧化鎂鋅中，且銦元素之摻雜比例為氧化鎂鋅中鋅元素體積莫爾濃度之3%。

其中，MAPCVD包含一霧化步驟及一沈積步驟，進行該霧化步驟 前，先準備一前驅物溶液，該前驅物溶液之溶質包含一金屬化合物及一III族元素化合物，該金屬化合物為該N型氧化物層130之前驅物，該金屬化合物可為金屬-醋酸化合物、金屬-硝酸化合物、金屬-氯化合物、金屬-異丙醇化合物或金屬-乙醯丙酮化合物，該III族元素化合物可為III族元素-醋酸化合物、III族元素-硝酸化合物、III族元素-氯化合物、III族元素-異丙醇化合物或III族元素-乙醯丙酮化合物，該前驅物之溶劑可為水或甲醇溶液，在本實施例中，該金屬化合物為乙醯丙酮鎂(Mg(C₅H₈O₂)₂)及乙醯丙酮鎂鋅(Zn(C₅H₈O₂)₂)，該III族元素化合物為乙醯丙酮銦(In(C₅H₈O₂)₃)，該前驅物溶液濃度為0.1M。

於該霧化步驟中將該前驅物溶液霧化成一前驅物氣霧，較佳地，於該霧化步驟中係使用超音波震盪器將該前驅物溶液霧化成該前驅物氣霧，超音波震盪器之震盪頻率為2.4kHz，接著進行該沈積步驟，將沈積有該P型氮化物層120之該基板110置於一非真空腔室中，藉由一載體氣體將該前驅物氣霧導入該非真空腔室中，使該前驅物氣霧沈積於該P型氮化物層120上以成長出該N型氧化物層130，並使該III族元素摻雜於該N型氧化物層130，較佳地，該前驅物氣霧係於一大氣壓環境下沈積於該P型氮化物層120上，沈積溫度介於攝氏300至550度之間，該載體氣體可為氮氣、氧氣、臭氧或以任意比例混合之氮氧混合氣體，在本實施例中，沈積溫度為攝氏450度，該載體氣體流速為3L/min。

請參閱第1c圖，形成該N型氮化物層130後，蝕刻該N型氧化物層130以顯露該P型氮化物層120表面之一第一電極區域121，較佳地，係以半導體微影製程(photolithography)蝕刻該N型氧化物層130，因此該P型氮化物層120表面之該第一電極區域121未被該N型氧化物層130覆蓋，在本實施例中，係藉由氯化氫溶液(HCl)蝕刻該N型氧化物層130，以顯露該P型氮化物層120之該第一電極區域 121。

請參閱第1d及1e圖，顯露出該第一電極區域121後，接著沈積該第一電極層140，使該第一電極層140形成於該第一電極區域121上，再以半導體微影製程圖案化位於該N型氧化物層130上的光阻(圖未繪出)，使光阻形成開口以顯露該N型氧化物層130表面之一第二電極區域131，接著沈積第二電極層150，使該第二電極層150形成於該第二電極區域131上。

在本實施例中，係於該第一電極區域121上依序沈積鎳(Ni)及金(Au)以形成該第一電極層140，該第一電極層140為該光電二極體100之陽極電極，於該第二電極區域131上依序沈積鈦(Ti)、鋁(Al)及金(Au)以形成該第二電極層150，該第二電極層150為該光電二極體100之陰極電極。

沉積該第一電極層140及該第二電極層150後，可對該光電二極體100進行退火處理，較佳地，退火溫度介於攝氏600至950度之間，退火時間介於30至600秒之間，在本實施例中，係對該光電二極體100進行快速熱退火(RTA,rapid thermal annealing)，退火溫度為攝氏600度，退火時間為60秒。

較佳地，該光電二極體100另包含一鈍化層，該鈍化層形成於該光電二極體100表面，其材料可為氧化矽(SiO₂)、氮化矽(Si₃N₄)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鎂(MgO)、氟化鋰(LiF)、氟化銫(CsF)或氟化鎂(MgF₂)。

請參閱第2圖，該光電二極體100於黑暗環境下具有整流特性，其順向偏壓之電流大於逆向偏壓之電流。

該P型氮化物層120及該N型氧化物層130由不同半導體材料所製成，且該N型氧化物層130之能隙大於該P型氮化物層120之能隙，較佳地，該N型氧化物層130及該P型氮化物層120之能隙差小於0.7eV，且改變金屬氧化物中之 金屬元素比例可調整該N型氧化物層130之能隙，例如，當該N型氧化物層130之材料為氧化鎂鋅時，可改變鎂/鋅比例以調整該N型氧化物層130之能隙，進而調整該N型氧化物層130及該P型氮化物層120之能隙差。

由於該P型氮化物層120與該N型氧化物層130之間具有能隙差，當入射光波長低於360nm時，該P型氮化物層120會產生電子-電洞對，當入射光波長低於300nm時，該P型氮化物層120及該N型氧化物層130皆會產生電子-電洞對，因此該光電二極體100對於不同波長的入射光具有不同響應度，其中該光電二極體100對於可見光(visible light)具有一第一響應度，對於紫外光A(UV-A)具有一第二響應度，對於紫外光B(UV-B)具有一第三響應度，該第三響應度顯著高於該第二響應度，且該第二響應度顯著高於該第一響應度，因此該光電二極體100可作為一光感測器之一元件，根據該光電二極體100對於入射光之響應度高低判斷入射光為可見光、紫外光A或紫外光B。

請參閱第3圖，於不同偏壓下，該光電二極體100對於波長介於320至360nm入射光(UV-A)之該第二響應度高於波長介於400至450nm以上入射光(可見光)之該第一響應度至少10倍以上，且該光電二極體100對於波長介於250至300nm入射光(UV-B)之該第三響應度高於波長介於320至360nm入射光(UV-A)之該第二響應度至少10倍以上，其中於-5V偏壓下，該第三響應度為0.93 A/W，該第二響應度為5.9 x 10^-2 A/W。

該光電二極體100之該異質PN接面由該P型氮化物層120及該N型氧化物層130所構成，製成該P型氮化物層120及該N型氧化物層130之半導體材料不同，兩種半導體材料之間的能隙差異使得該光電二極體100對於不同波長入射光會產生不同響應度，因此可藉由響應度高低判斷光線種類。

本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。

100:光電二極體

110:基板

120:P型氮化物層

121:第一電極區域

130:N型氧化物層

131:第二電極區域

140:第一電極

150:第二電極

Claims (12)

1. 一種光電二極體，其包含：一基板；一P型氮化物層，位於該基板上；以及一N型氧化物層，位於該P型氮化物層上，該P型氮化物層與該N型氧化物層之間具有一異質PN接面，其中該N型氧化物層之能隙大於該P型氮化物層之能隙，且該N型氧化物層摻雜有一III族元素。
2. 如請求項1之光電二極體，其中該N型氧化物層及該P型氮化物層之能隙差小於0.7eV。
3. 如請求項1之光電二極體，其中該N型氧化物層之材料為N型氧化鎂鋅(MgZnO)、N型氧化鎵鋅(GaZnO)或N型氧化鋁鋅(AlZnO)。
4. 如請求項3之光電二極體，其中該III族元素摻雜比例介於該N型氧化物層中之鋅元素體積莫爾濃度之0.0001%至5%之間。
5. 如請求項1之光電二極體，其中該P型氮化物層之材料為P型III族氮化物半導體材料。
6. 如請求項5之光電二極體，其中該P型氮化物層之材料為P型氮化鋁(AlN)、P型氮化鎵(GaN)、P型氮化銦(InN)、P型氮化鋁鎵(AlGaN)、P型氮化銦鎵(InGaN)、P型氮化鋁銦(AlInN)或P型氮化鋁銦鎵(AlInGaN)。
7. 如請求項1之光電二極體，其中該基板之電阻值大於10⁹Ω-cm。
8. 如請求項1之光電二極體，其另包含一第一電極層及一第二電極層，該P型氮化物層表面具有一第一電極區域，該第一電極區域未被該N型氧化物層覆蓋，該N型氧化物層表面具有一第二電極區域，該第一電極層位於該第一 電極區域，該第二電極層位於該第二電極區域。
9. 如請求項8之光電二極體，其中該第一電極層及該第二電極層之材料為金屬、合金或透明導電氧化物。
10. 一種如請求項1至9項中任一項所述之光電二極體之用途，其作為一光感測器之一元件。
11. 如請求項10之光電二極體之用途，其中該光電二極體對於可見光具有一第一響應度，該光電二極體對於紫外光A(UV-A)具有一第二響應度，該光電二極體對於紫外光B(UV-B)具有一第三響應度，該第三響應度高於該第二響應度，且該第二響應度大於該第一響應度。
12. 如請求項11之光電二極體之用途，其中該第三響應度高於該第二響應度至少10倍，該第二響應度高於該第一響應度至少10倍。

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