TWI783805B - 光電半導體之結構 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種光電半導體之結構，其包含一基板、一第一電極、一電極接點、一半導體層以及一第二電極，其中，當半導體層內之光活性層吸收光源產生激子後，激子分離為第一載子跟第二載子，第一載子透過半導體層內之第一界面層傳遞至第一電極，且第二載子透過穿隧效應直接由第二電極傳遞至電極接點。

Description

光電半導體之結構
本發明係關於一種結構，特別是一種光電半導體之結構。
影像感測器以技術分類可分為CMOS Image Sensors(CIS)與TFT-based image Sensors。原理均為利用光感測器Photodetector(PD)，搭配下層CMOS或TFT作為讀出電路(ROIC)，光感測器Photodetector(PD)主體多為一光二極體(Photodiode)，傳統以矽(Silicon)為主流使用之材料。
隨著近年來，在應用上的諸多需求增加(更高靈敏度、更長之感應波長範圍、更具性價比之製造成本，許多新世代材料系統所衍生之光二極體元件亦嶄露頭角，如有機光感測器(organic photodetector)、量子點光感測器(quantum dot photodetector)、鈣鈦礦光測器(Perovskite photodetector)等，而在元件結構上，新世代材料之光感測器也有別於傳統Silicon之PD，製程上主要均為由下而上層層堆疊而成。
而上述以層層堆疊方式製成之光感測器，為了構成完整之電路特性，因此光感測器中的第一電極以及第二電極不能相互接觸，否則會因此造成短路的現象，但此種光感測器無法採用像素圖案定義方式所形成，其中，前述之像素定義方式係如遮罩蒸鍍或直接印刷之方式。
因此，光感測器於透過全基材塗佈之材料沉積後，需要將外接導線連接部分移除，才能使的光感測器之電極與外接導線形成良好的歐姆接觸，否則會因為光感測器與TFT陣列面板或CMOS陣列面板整合後，使光感測器串聯電阻過高而影響光電流之生成。
但是在全基材塗佈材料沉積後，必須藉由製程產生孔洞(via hole)之結構，隨後再將第二電極與與讀取電路上之連接點(contact pad)相連接，形成完整二極體迴路。
一般為了在全基材塗佈材料沉積後之表層產生via hole，於光活性材料與界面層材料塗佈後，傳統上必須藉由光微影製程進行製作。
前述之光微影製程，是於基材上覆上一層光阻後(光阻可使用正光阻或負光阻)，光阻於曝光(一般是紫外線波長的準分子雷射)後可以被顯影液所溶解，使特定的光波穿過光罩同時照射在光阻上，就可以對光阻進行選擇性照射，使用顯影液溶解掉被照射之區域。
最後，光罩上的圖形就呈現在光阻上，上述步驟完成後，將進行微影的最後一步，就是將光阻去除之步驟後，方能接續第二電極之沉積。
其中，更不論光阻材料與光活性材料與界面材料之相容性問題(互溶、化學反應、光阻殘留等)，或針對各層材料乾蝕刻之參數調整與蝕刻電漿種類選擇，致使整體製程複雜化。
再者，透過上述之光微影製程進行的塗佈、沉積、產生孔洞以及接續第二電極的沉積步驟，加工方式十分的麻煩且費時，成本也較高昂，因此，對於無法採用直接圖案定義方法(如遮罩蒸鍍或直接印刷)對光活性層與界面層進行成膜之二極體元件而言，以此方式製作有其難度。
為此，如何製作無須進行光阻塗佈、軟烤、曝光、硬烤、顯影、乾蝕刻、去光阻之步驟，不需產生孔洞即可形成完整二極體迴路之光電半導體結構，為本領域技術人員所欲解決的問題。
本發明之一目的，在於提供一種光電半導體之結構，當材料特性、厚度等規格達到特定條件時，由電極注入二極體之電流即便在中間光活性層與界面層存在下(無via hole)，電流可藉由穿隧進入二極體中，使元件運作正常，並且不至於造成電性損失。
針對上述之目的，本發明提供一種光電半導體之結構，其包含：一基板；一第一電極，其係設置於該基板上；一電極接點，其係設置於該基板上，並設於該第一電極之一側；一半導體層，其係設置於該第一電極及該電極接點之上方，該半導體層係包含一第一界面層以及一光活性層，該光活性層覆設於第一界面層之上，該第一界面層一側係覆設於該第一電極及該電極接點；以及一第二電極，其係覆設於該半導體層上；其中，當該光活性層吸收一光源產生一激子後，由該激子所分離之一第一載子跟一第二載子，該第一載子透過該第一界面層傳遞至該第一電極，進一步，該第二載子透過一穿隧效應直接由該第二電極傳遞至該電極接點。
本發明提供一實施例，其中該基板係矽基板、聚醯亞胺基版、玻璃基板、聚苯二甲酸乙二酯基板、聚對苯二甲酸乙二醇酯基板、藍寶石基板、石英基板或陶瓷基板，該第一電極係金屬氧化物、金屬或合金。
本發明提供一實施例，其中該電極接點係金屬氧化物、金屬或合金。
本發明提供一實施例，其中該半導體層係佈滿(Surround)於該第一電極及該電極接點之周圍。
本發明提供一實施例，其中該第一界面層係金屬氧化物，金屬化合物、無機半導體薄膜、碳基薄膜、有機半導體、有機絕緣體材料，該第一界面層具有一第一厚度，該第一厚度係1nm至99nm。
本發明提供一實施例，其中該光活性層之能隙1.1至2eV。
本發明提供一實施例，其中該光活性層具有一第二厚度，該第二厚度係介於1nm至2000nm。
本發明提供一實施例，其中該第二電極係金屬氧化物、金屬、導電高分子、碳基導體、金屬化合物，或由上述材料交替組成之導電薄膜。
本發明提供一實施例，其中該半導體層更包含一第二界面層，其係設置於該光活性層之上方，該光活性層係夾設於該第一界面層及該第二界面層之間。
本發明提供一實施例，其中該第二界面層係金屬氧化物，金屬化合物、無機半導體薄膜、碳基薄膜、有機半導體、有機絕緣體材料，該第二界面層具有一第三厚度，該第三厚度係1nm至99nm。
10:基板
20:第一電極
30:電極接點
40:半導體層
42:第一界面層
44:光活性層
46:第二界面層
50:第二電極
60:電流
72:第一穿隧通道
80:激子
82:第一載子
84:第二載子
T1:第一厚度
T2:第二厚度
T3:第三厚度
L:光源
VH:貫穿孔
第1A圖：其為本發明之一實施例之結構示意圖； 第1B圖：其為習知之結構示意圖；第2圖：其為本發明之一實施例之電流之穿隧效應之示意圖；第3圖：其為本發明之一另一實施例之結構示意圖；第4圖：其為本發明之一另一實施例之第二厚度變化對於暗電流變化之示意圖；第5圖：其為本發明之一另一實施例之第二厚度變化對於光電流變化之示意圖；第6圖：其為本發明之一另一實施例之第二厚度變化對於外部量子效率之示意圖；第7圖：其為本發明之一另一實施例之第二厚度變化對於外部量子效率之示意圖；以及第8圖：其為本發明之一另一實施例之第二厚度變化對於外部量子效率之示意圖。
為使 貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：習知基材塗佈材料沉積後之表層產生孔洞(via hole)，光活性材料與界面層材料塗佈後，傳統上必須藉由光微影製程或雷射製程，若以光微影製程為例，經過光阻塗佈、軟烤、曝光、硬烤、顯影、乾蝕刻、去光阻等步驟，方能接續第二電極之沉積，再者，透過上述方式進行的塗佈、沉積、產生孔洞以及接續第二電極的沉積步驟，如此加工方式十分的麻煩且費時，成本也較高 昂，且對於無法採用直接圖案定義方法(如遮罩蒸鍍或直接印刷)對光活性層與界面層進行成膜之二極體元件而言，是無法進行如此方式製作的。
本發明透過改變材料特性以及厚度，由電極注入二極體之電流即便在中間光活性層與界面層存在下(無via hole)，電流可藉由穿隧進入二極體中，使元件運作正常，並且不至於造成電性損失，且免去後續製作時，必須再利用光微影製程對半導體材料進行蝕刻圖案化，使無法採用直接圖案定義方法之二極體元件得以進行製作。
在下文中，將藉由圖式來說明本發明之各種實施例來詳細描述本發明。然而本發明之概念可能以許多不同型式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。
首先，請參閱第1A圖，其為本發明之一實施例之結構示意圖，如圖所示，本實施例之結構包含一基板10、一第一電極20、一電極接點30、一半導體層40以及一第二電極50。
其中，於本實施例中，該第一電極20係設置於該基板10上，該電極接點30係設置於該基板上，且該電極接點30設於該第一電極20之一側，進一步，該基板10係使用矽基板、聚醯亞胺基版、玻璃基板、聚苯二甲酸乙二酯基板、聚對苯二甲酸乙二醇酯基板、藍寶石基板、石英基板或陶瓷基板，該第一電極20係使用金屬氧化物、金屬或合金，該電極接點30係使用金屬氧化物、金屬或合金。
於本實施例中，該半導體層40係設置於該第一電極20及該電極接點30之上方，其係包含一第一界面層42以及一光活性層44，其中，該第一界面層42係使用金屬氧化物，金屬化合物、無機半導體薄膜、碳基薄膜、有機半 導體、有機絕緣體材料，該第一界面層42具有一第一厚度T1，該第一厚度T1係1nm至99nm，且該第一厚度T1係小於100nm，較佳的該第一厚度T1為80nm，另一較佳實施之該第一厚度T1為1nm至80nm以下。
於本實施例中，請復參閱第1A圖，該半導體層40係佈滿(Surround)於該第一電極20及該電極接點30之周圍，如圖所示，該半導體層40之該第一界面層42一側係覆設於該第一電極20及該電極接點30，使該半導體層40佈滿該第一電極20之周圍空係以及該電極接點30之周圍空隙。
於本實施例中，請復參閱第1圖，該光活性層44具有一第二厚度T2，該第二厚度T2係介於1nm至2000nm，較佳的該第二厚度T2為300至1000nm。
於本實施例中，該光活性層44之一能隙為1.1eV至2eV，較佳的該能隙為2eV，其中，前述之該能隙(energy gap)係為半導體或絕緣體的價帶頂端至傳導帶底端的能量差距，當該能隙被滿足時就會驅使載子穿隧該半導體層40，即所謂習知之穿隧效應。
於本實施例中，該第二電極50係覆設於該半導體層40上，其中該第二電極係金屬氧化物、金屬、導電高分子、碳基導體、金屬化合物，或由上述材料交替組成之導電薄膜。
習知之半導體結構，請參考第1B圖，其為習知之結構示意圖，如圖所示，於該第二電極50以及該電極接點30之間，會藉由經過光阻塗佈、軟烤、曝光、硬烤、顯影、乾蝕刻、去光阻等加工程序，將該半導體層40洗出一貫穿孔VH(via hole)，使該第二電極可藉由該貫穿孔接續沉積至該電極接點30，然而，如此加工方式十分的麻煩且費時，成本也較高昂，且對於無法採用直接 圖案定義方法對該半導體層40進行成膜之二極體元件而言，是無法進行如此方式製作的。
而於本實施例中，請參考第2圖，其為本發明之一實施例之電流之穿隧效應之示意圖，如圖所示，其中，當該光活性層44吸收一光源L產生一激子80後，由該激子80所分離之一第一載子82跟一第二載子84，該第一載子82透過該第一界面層42傳遞至該第一電極20，進一步，該第二載子84透過一穿隧效應直接由該第二電極50傳遞至該電極接點30可藉由該穿隧效應，使該第二載子84直接穿過該半導體層40後進入該電極接點30，不須藉由如同傳統之該貫穿孔VH之結構(via hole)即可傳輸該第二載子84，並且透過該穿隧效應不致使該第二載子84之電性損失，得到與傳統具有該貫穿孔VH之半導體結構相同的電量，又可減少加工程序以及加工之時間。
也就是說，當習知半導體內之該穿隧效應產生時，也就是提供一電流60於該電極接點30時，該電極接點30藉由該穿隧效應產生之一第一穿隧通道72，將該電流60供應至該第二電極50，使該第一穿隧通道72穿隧該半導體層40，接著，該第二載子84經由該第二電極50通過該第一穿隧通道72穿隧至該電極接點30。
上述之該穿隧效應係指半導體層中因厚度相對較低，致使電荷可直接穿越之厚度，其厚度產生之電阻在整體元件中相對微小並且不致於影響元件之操作與性能。
故而，本發明之實施例中，請復參閱第2圖，由於並無via hole之存在，所生成之載子仍舊能在特定厚度之半導體層存在下，由該第二電極50傳遞至該電極接點30，並與該第一電極20共同形成二極體迴路，有別於習知之結 構(如第1B圖所示)於該第二電極50以及該電極接點30之間，會藉由經過光阻塗佈、軟烤、曝光、硬烤、顯影、乾蝕刻、去光阻等加工程序，將該半導體層40洗出一貫穿孔VH(via hole)，使該第二電極50可藉由該貫穿孔VH接續沉積至該電極接點30，然而，如此加工方式十分的麻煩且費時，成本也較高昂，使本實施例不須蝕刻傳統製程內之孔洞(via hale)，即可達到完整的電流迴路，省去繁雜的加工步驟，使本發明之實施例成本降低並減少加工時間。
另外，本發明之實施例係可用於目前習知之影像感測器，其係以技術分類可分為CMOS Image Sensors與TFT-based image Sensors兩種。
其中，前述影像感測器之原理均為利用光感測器(Photodetector，PD)將攝影機鏡頭所攝入之光轉換為數位資料，以創建可見的影像，也就是說，將光感測器設置於CMOS或TFT之上方，接著，當外部光源(波長範圍為400至700nm之可見光)聚集於COMS或TFT之光感測器上時，COMS或TFT接收光能能量後，形成電子-電洞對(electron-hole pair)。
於前述過程中生成的電子透過浮動擴散(floating diffusion，FD)轉換為電壓後，將電壓傳輸至類比數位轉換器(ADC)轉換為數位資料，最後再透過處理器將數位資料轉換後形成可見影像。
其中，如果對於影像動態與靈敏度需求高，譬如鏡頭及生物晶片，則選用CMOS Image Sensors，進一步，若用於大面積影像感測時，如X-ray顯像與大範圍指紋或身體之靜脈辨識，則選擇使用TFT-based image Sensors。
而本發明改良傳統之光感測器(PD)，適用於CMOS Image Sensors或TFT-based image Sensors之結構，減少光感測器(PD)之結構之加工程序，使光感測器(PD)加工時間縮減以及使加工成本減少。
請復參閱第1B圖，傳統的光電半導體(也就是上述之光感測器)，需要使用光微影製程，在確定欲圖案化之位置與區域後，可決定採用正型或負型光阻，並層積於欲圖案化之膜層與結構上。隨後進行曝光、顯影、蝕刻、去光阻等程序，以在選定位置上去除該第二電極50之區域之結構膜層，即為第1B圖內所標示之該貫穿孔VH(via hole)，待該貫穿孔VH出現後，方能進行該第二電極50之層積，使該第二電極50與該電極接點30相互接觸，如此形成之二極體迴路。
上述之光微影製程不僅工序繁複，工序容錯率低，且由於光微影製程之加工之工序較多，使光微影製程之加工時間長，同時導致光電半導體製作時成本過高之問題。
而本發明之實施例中係調整該半導體層之厚度(介於1nm至2000nm)，使本發明之實施例因厚度變化而產生該穿隧效應，促使本發明之實施例中之該電極接點30、該第二電極50以及該第一電極20之間產生完整的二極體電流迴路。
且由於本發明之實施例並不需透過光微影製程於該半導體層上蝕刻孔洞(via hale)，即可達到完整的電流迴路，省去繁雜的加工步驟，使本發明之實施例成本降低並減少加工時間。
接續上述，請參閱第3圖，其為本發明之一另一實施例之結構示意圖，其中本實施例之結構與前一實施例相同，不再贅述，於本實施例更包含一第二界面層46之結構，如圖所示，該半導體層40更包含該第二界面層46，其係設置於該光活性層44之上方，該光活性層44係夾設於該第一界面層42及該第二界面層46之間。
於本實施例中，該第二界面層46係使用三氧化鉬(MoO3)，且該第二界面層46具有一第三厚度T3，該第三厚度T3係15nm至99nm，較佳的該第三厚度T3為80nm，另一較佳實施之該第三厚度T3為80nm以下。
另外，當該半導體層40具有該第一界面層42以及該第二界面層46時，該第一界面層42與該第二界面層46之總和小於100nm，且較佳的厚度總和為80nm，另一較佳實施厚度總和為80nm以下。
另外，本發明之實施例之技術特徵之一在於沒有蝕刻孔洞，當該光活性層44吸收該光源L產生該激子80後，由該激子80所分離之該第一載子82跟該第二載子84，該第一載子82透過該第一界面層42傳遞至該第一電極20，進一步，透過該穿隧效應使該第二載子84直接由該第二電極50傳遞至該電極接點30，不須使用傳統之該貫穿孔VH之結構，使本發明之實施例之元件運作正常，並且不至造成電性損失，該第二厚度T2變化所產生的具體功效之實驗結果如下：
實驗組(B)實驗條件如下：
1.調整本發明之光電半導體之結構內之該第二厚度T2
該第二厚度T2為300nm、500nm、1000nm、1500nm、2000nm。
2.無孔洞。
對照組(A)實驗條件如下：
1.調整習知之光電半導體之結構內之該第二厚度T2。
該第二厚度T2為300nm、500nm、1000nm、1500nm、2000nm。
2.具有孔洞。
前述實驗組及對照組之暗電流A/cm2(於-8V時)、光電流mA/cm2(於-8V)以及外部量子效率(於-4V與550nm光源下)之比較結果如下：請參考第4圖，其為本發明之一另一實施例之第二厚度變化對於暗電流變化之示意圖，如圖所示，所謂暗電流(Dark Current)，是指光電半導體之結構在負偏壓條件下，於無入射光時產生的反向直流電流，實驗組及對照組均係以負偏壓驅動光電半導體之結構，其中，第4圖標示之A組為上述之對照組，B組為上述之實驗組。
由第4圖中可得知，各厚度(實驗組，第4圖之B組)之所產生之暗電流均與對照組(第4圖之A組)相似。而當光活性層44之該第二厚度T2為300nm時，無該貫穿孔VH之實驗組反倒具有較低之暗電流，優於對照組。
請參考第5圖，其為本發明之一另一實施例之第二厚度變化對於光電流變化之示意圖，如圖所示，由於本發明之光電半導體之結構之該第二電極50與該電極接點30接觸是採用該穿隧效應之方式產生，其中，第5圖標示之A組為上述之對照組，B組為上述之實驗組。
故該第二厚度T2勢必會影響光電流導通之結果。該第二厚度T2愈大、光電流導通之電阻亦愈高，因此當該光活性層44之該第二厚度T2超過1500nm時，光電流即出現大幅下降之現象。
故本發明之光電半導體之結構之該光活性層之厚度之實施範圍為1nm至2000nm，由第5圖中可得知，最佳之該光活性層44之該第二厚度T2之實施範圍為1000nm，亦可為1nm至1000nm之間。
接著，請參考第6圖、第7圖及第8圖，其為本發明之一另一實施例之第二厚度變化對於外部量子效率之示意圖，如圖所示，外部量子效率為光電半導體之結構依據入射光所產生而被蒐集到的載子數與照射在光電半導體之結構上之光子數的比值，其中，第6圖、第7圖及第8圖中標示之A組為上述之對照組，B組為上述之實驗組。
依據第6圖、第7圖及第8圖中結果顯示，本發明之光電半導體之結構之外部量子效率與該第二厚度T2之趨勢與光電流趨勢相同，故本發明之光電半導體之結構之該光活性層之厚度之實施範圍為2000nm，最佳之該光活性層44之該第二厚度T2之實施範圍為1000nm。
以上所述之實施例，本發明係為一種光電半導體之結構，其透過改變半導體層之厚度，於電極注入電流後，即使中間光活性層與界面層存在下(無via hole)，電流亦可藉由穿隧進入半導體層中，使元件運作正常，並且不至於造成電性損失。
故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10:基板
20:第一電極
30:電極接點
40:半導體層
42:第一界面層
44:光活性層
50:第二電極
T1:第一厚度
T2:第二厚度

Claims (10)

  1. 一種光電半導體之結構，其包含： 一基板； 一第一電極，其係設置於該基板上； 一電極接點，其係設置於該基板上，並設於該第一電極之一側； 一半導體層，其係設置於該第一電極及該電極接點之上方，該半導體層係包含一第一界面層以及一光活性層，該光活性層覆設於第一界面層之上，該第一界面層一側係覆設於該第一電極及該電極接點之上；以及 一第二電極，其係覆設於該半導體層上； 其中，當該光活性層吸收一光源產生一激子後，該激子分離為一第一載子跟一第二載子，該第一載子透過該第一界面層傳遞至該第一電極，進一步，該第二載子透過一穿隧效應直接由該第二電極傳遞至該電極接點。
  2. 如請求項1所述之光電半導體之結構，其中該基板係矽基板、聚醯亞胺基版、玻璃基板、聚苯二甲酸乙二酯基板、聚對苯二甲酸乙二醇酯基板、藍寶石基板、石英基板或陶瓷基板，該第一電極係金屬氧化物、金屬或合金。
  3. 如請求項1所述之光電半導體之結構，其中該電極接點係金屬氧化物、金屬或合金。
  4. 如請求項1所述之光電半導體之結構，其中該半導體層係佈滿(Surround)於該第一電極及該電極接點之周圍。
  5. 如請求項1所述之光電半導體之結構，其中該第一界面層係金屬氧化物，金屬化合物、無機半導體薄膜、碳基薄膜、有機半導體、有機絕緣體材料，該第一界面層具有一第一厚度，該第一厚度係1 nm至99 nm。
  6. 如請求項1所述之光電半導體之結構，其中該光活性層之一能隙為1.1至2 eV。
  7. 如請求項1所述之光電半導體之結構，其中該光活性層具有一第二厚度，該第二厚度介於1 nm至2000 nm。
  8. 如請求項1所述之光電半導體之結構，其中該第二電極係金屬氧化物、金屬、導電高分子、碳基導體、金屬化合物，或由上述材料交替組成之導電薄膜。
  9. 如請求項1所述之光電半導體之結構，其中該半導體層更包含一第二界面層，其係設置於該光活性層之上方，該光活性層係夾設於該第一界面層及該第二界面層之間。
  10. 如請求項9所述之光電半導體之結構，其中該第二界面層係金屬氧化物，金屬化合物、無機半導體薄膜、碳基薄膜、有機半導體、有機絕緣體材料，該第二界面層具有一第三厚度，該第三厚度係1 nm至99 nm。
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