TWI822144B - 太赫茲元件的製造方法 - Google Patents
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Abstract
本揭露提供一種太赫茲元件的製造方法，其包括使用化學氣相沉積製程於基板上形成光吸收結構。基板包括半導體基板、藍寶石基板、石英基板或其組合。光吸收結構包括半導體材料、二維材料、低維度材料、磁性材料、拓樸材料或其組合。
Description
本發明是有關於一種光吸收結構的製造方法，且特別是有關於一種太赫茲元件的製造方法。
太赫茲已展現多種獨特的應用，包括高速通訊、非破壞性成像、化學物質鑑定、材料特性量測和生物醫學量測。在各種產生太赫茲的技術當中，光電導太赫茲元件以體積小、可室溫操作以及高頻寬等等的優勢被廣泛採用於太赫茲的系統當中。傳統光電導太赫茲元件的材料主要以低溫生長的半導體材料為主，例如在超高真空環境下通過分子束磊晶(molecular beam epitaxy，MBE)生長的低溫砷化鎵或是砷化鎵銦，需要精確控制磊晶條件以獲得高質量的結構。因此，複雜的製造工藝和耗時的性質導致製造高昂成本，阻礙了太赫茲光電元件的大規模生產和全面商業化。
本發明提供一種太赫茲元件的製造方法，其藉由化學氣相沉積製程來形成太赫茲元件的光吸收結構，使其相較於通過MBE生長所形成之太赫茲元件具有更低的製造成本和生產時間而有助於大規模生產和全面商業化，且同時還能夠具有相似的性能表現(例如在功率和頻寬的性能表現上與MBE生長所形成之太赫茲元件相似)。
本發明一實施例提供一種太赫茲元件的製造方法，其包括使用化學氣相沉積製程於基板上形成光吸收結構。基板包括半導體基板、藍寶石基板、石英基板或其組合。光吸收結構包括半導體材料、二維材料、低維度材料、磁性材料、拓樸材料或其組合。
在一些實施例中，化學氣相沉積製程在壓力為約10torr至約100torr下沉積所述半導體材料以形成所述光吸收結構。
在一些實施例中，基板為包括GaAs、InP、SiC、GaO、GaN或Si的半導體基板，且光吸收結構為包括III-V族化合物、IV族元素、IV族化合物或其組合的半導體結構。
在一些實施例中，基板為包括GaAs的半導體基板，且半導體結構為包括InGaAs的單層半導體層。
在一些實施例中，化學氣相沉積製程所採用的氣體源包括AsH3、三甲基鎵(trimethyl Gallium，TMGa)和三甲基銦(trimethyl indium，TMIn)。
在一些實施例中，基板為包括InP的半導體基板，且半
導體結構為包括至少一第一半導體層和至少一第二半導體層的疊層。第一半導體層包括InAlAs，且第二半導體層包括InGaAs。
在一些實施例中，至少一第一半導體層包括多個第一半導體層，至少一第二半導體層包括多個第二半導體層，且多個第一半導體層和多個第二半導體層彼此相互交替堆疊。
在一些實施例中，基板為包括Si的半導體基板，且半導體結構為包括第一半導體層和第二半導體層的疊層或包括鍺(Ge)、鍺錫合金(GeSn)、砷化鎵(GaAs)的單層半導體層。第一半導體層包括Ge，且第二半導體層包括GeSn。
在一些實施例中，第一半導體層藉由第一化學氣相沉積製程形成於基板上，第二半導體層藉由第二化學氣相沉積製程形成於第一半導體層上。第一化學氣相沉積製程所使用的氣體源包括H2和GeH4，第二化學氣相沉積製程所使用的氣體源包括Ge2H6和SnCl4。
在一些實施例中，述第一化學氣相沉積製程所使用的溫度為約375℃至約400℃，第二化學氣相沉積製程所使用的溫度為約320℃。
基於上述，在上述太赫茲元件的製造方法中，藉由化學氣相沉積製程來形成太赫茲元件的光吸收結構，使其相較於通過MBE生長所形成之太赫茲元件具有更低的製造成本、生產時間以及更好的良率而有助於實施大規模生產和全面商業化，且同時還能夠具有相似的性能表現(例如在功率和頻寬的性能表現上與
MBE生長所形成之太赫茲元件相似)。
10、20、30、40:太赫茲元件
100、200、300、400:基板
110、210、310:光吸收結構
212、312、412:第一半導體層
214、314、414:第二半導體層
圖1是本發明第一實施例的太赫茲元件的剖面示意圖。
圖2A和圖2B是本發明以化學氣相沉積製程所形成之一實施例的太赫茲元件與以MBE生長製程所形成之太赫茲元件的性能表現比較圖。
圖3A和圖3B是本發明以化學氣相沉積製程所形成之另一實施例的太赫茲元件的性能表現圖。
圖4是本發明第二實施例的太赫茲元件的剖面示意圖。
圖5是本發明第三實施例的太赫茲元件的剖面示意圖。
圖6是本發明第四實施例的太赫茲元件的剖面示意圖。
圖7A和圖7B是本發明以化學氣相沉積製程所形成之又一實施例的太赫茲元件的性能表現圖。
參照本實施例之圖式以更全面地闡述本發明。然而，本發明亦可以各種不同的形式體現，而不應限於本文中所述之實施例。圖式中的層與區域的厚度會為了清楚起見而放大。相同或相似之參考號碼表示相同或相似之元件，以下段落將不再一一贅述。
應當理解，當諸如元件被稱為在另一元件「上」或「連
接到」另一元件時，其可以直接在另一元件上或與另一元件連接，或者也可存在中間元件。若當元件被稱為「直接在另一元件上」或「直接連接到」另一元件時，則不存在中間元件。如本文所使用的，「連接」可以指物理及/或電性連接，而「電性連接」或「耦合」可為二元件間存在其它元件。
本文使用的「約」、「近似」或「實質上」包括所提到的值和在所屬技術領域中具有通常知識者能夠確定之特定值的可接受的偏差範圍內的平均值，考慮到所討論的測量和與測量相關的誤差的特定數量(即，測量系統的限制)。例如，「約」可以表示在所述值的一個或多個標準偏差內，或±30%、±20%、±10%、±5%內。再者，本文使用的「約」、「近似」或「實質上」可依光學性質、蝕刻性質或其它性質，來選擇較可接受的偏差範圍或標準偏差，而可不用一個標準偏差適用全部性質。
使用本文中所使用的用語僅為闡述例示性實施例，而非限制本揭露。在此種情形中，除非在上下文中另有解釋，否則單數形式包括多數形式。
圖1是本發明第一實施例的太赫茲元件的剖面示意圖。圖2A和圖2B是本發明以化學氣相沉積製程所形成之一實施例的太赫茲元件與以MBE生長製程所形成之太赫茲元件的性能表現比較圖。圖3A和圖3B是本發明以化學氣相沉積製程所形成之另一實施例的太赫茲元件的性能表現圖。
請參照圖1，使用化學氣相沉積(chemical vapor
deposition，CVD)製程於基板100上形成光吸收結構110。基板100包括半導體基板、藍寶石基板、石英基板或其組合。在一些實施例中，基板100為包括GaAs、InP、SiC、GaO、GaN或Si的半導體基板。光吸收結構110包括半導體材料、二維材料、低維度材料、磁性材料、拓樸材料或其組合。在一些實施例中，光吸收結構110為包括III-V族化合物、IV族元素、IV族化合物或其組合的半導體結構。III-V族化合物可例如包括InGaAs或InAlAs。IV族元素可例如包括Ge。IV族化合物可例如包括GeSn。二維材料可例如包括MoS2、BN、MoSe2、WSe2等二元化合物。磁性材料可例如包括諸如Co等元素、諸如CoPt3等二元化合物、諸如CoFeB等三元化合物、其他多元化合物或其組合。拓樸材料可例如包括二元化合物、三元化合物或多元化合物。舉例來說，拓樸材料可包括諸如Bi2Te3或Sb2Te3等二元化合物或是諸如(Bi0.57Se0.43)2Te3等的三元化合物。
在一些實施例中，光吸收結構110可藉由化學氣相沉積製程在壓力為約10torr至約100torr下沉積半導體材料形成。如此一來，相較於在超高真空環境下(例如10-9torr)執行的MBE生長製程，可省略達到超高真空環境所需的設備及時間，如此可顯著地降低太赫茲元件10的製造成本和生產時間，並且還能夠使所製造的太赫茲元件10具有良好的良率。在一些實施例中，藉由上述化學氣相沉積製程形成的太赫茲元件10在光吸收結構110為半導體結構的情況下可具有約10k ohm/sq至約100M ohm/sq的電
阻率、約100cm2/V-s至約2000cm2/V-s的載子遷移率以及約1ps至約500ps的載子生命週期。基於上述，相較於通過MBE生長所形成之太赫茲元件，採用化學氣相沉積製程所形成的太赫茲元件10具有更低的製造成本、生產時間以及更好的良率而有助於實施大規模生產和全面商業化，且同時還能夠具有相似的性能表現(例如在功率和頻寬的性能表現上與MBE生長所形成之太赫茲元件相似)。在一些實施例中，化學氣相沉積製程是將腔體的溫度控制在約400℃至約800℃下執行。
在一些實施例中，上述化學氣相沉積可包括有機金屬化學氣相沉積(metal-organic CVD，MOCVD)、電漿增強化學氣相沉積(plasma-Enhanced CVD，PECVD)、遠距電漿增強化學氣相沉積(remote plasma-enhanced CVD，RPECVD)、減壓化學氣相沉積(reduced-pressure CVD，RPCVD)其組合。
在一些實施例中，基板100為包括GaAs、InP或Si的半導體基板，且光吸收結構110為包括III-V族化合物、IV族元素、IV族化合物或其組合的半導體結構。在一些實施例中，基板為包括GaAs的半導體基板，且半導體結構為包括InGaAs的單層半導體層。在一些實施例中，在半導體結構為包括InGaAs的單層半導體層的情況下，化學氣相沉積製程所採用的氣體源包括AsH3、三甲基鎵(trimethyl Gallium，TMGa)和三甲基銦(trimethyl indium，TMIn)。在一些實施例中，InGaAs中In、Ga與As的莫耳比可為0.2：0.8：1(可表示為In0.2Ga0.8As)。
在一些實施例中，可藉由摻雜製程於上述半導體結構中摻雜摻雜物，以進一步增加半導體材料的電阻率，並得到更短的生命載子週期，有助於提升太赫茲元件的功率與頻寬表現。舉例來說，可在半導體結構中摻雜Be、C、Au、Rh、Er、Fe等元素。在一些實施例中，當光吸收結構110為包括如InGaAs或InAlAs等III-V族化合物的半導體結構時，可在半導體結構中摻雜Be。
請參照圖2A和圖2B所示出的結果。實施例1是以化學氣相沉積製程形成太赫茲元件(例如太赫茲元件10)，其中化學氣相沉積製程中所採用的溫度例如是700℃，且所採用的壓力例如是40torr。參考例1是以MBE生長製程形成太赫茲元件。從圖2A和圖2B的結果可知，太赫茲元件10在中心波長780nm的飛秒雷射激發下於高頻率(例如1.0THz至2.5THz)具有良好的訊號強度(例如20dB或更多)。
此外，相較於傳統通過MBE生長所形成之太赫茲元件，藉由上述化學氣相沉積製程形成的太赫茲元件10能夠顯著地降低其製造成本和生產時間，且同時還能夠使所製造的太赫茲元件10具有良好的良率。舉例來說，化學氣相沉積製程所採用的壓力為約10torr至約100torr，相較於在超高真空環境下(例如10-9torr)執行的MBE生長製程，可省略達到超高真空環境所需的設備及時間，如此可顯著地降低太赫茲元件10的製造成本和生產時間，並且還能夠使所製造的太赫茲元件10具有良好的良率。在一些替代實施例中，化學氣相沉積製程所採用的壓力為約37torr至約75
torr。
請參照圖3A和圖3B所示出的結果。實施例2是以化學氣相沉積製程形成太赫茲元件，其中化學氣相沉積製程中所採用的溫度例如是700℃，且所採用的壓力例如是40torr。實施例1與實施例2之太赫茲元件的差異在於實施例1的太赫茲元件更包括了能夠提升量子效益的奈米結構。從圖3A和圖3B的結果可知，實施例2之太赫茲元件(沒有奈米結構)在中心波長780nm的飛秒雷射激發下，擁有超過2THz的頻寬與訊號雜訊比(signal-to-noise ratio，SNR)大於50dB的表現。
在一些實施例中，當基板100為包括GaAs的半導體基板，且光吸收結構110為包括InGaAs的單層半導體層的半導體結構時，太赫茲元件10的應用飛秒雷射中心波長範圍為約500nm至約1600nm。在一些實施例中，上述單層半導體層的厚度為約10nm至約2μm。
圖4是本發明第二實施例的太赫茲元件的剖面示意圖。
請參照圖4，太赫茲元件20的製造方法包括使用化學氣相沉積製程於基板200上形成光吸收結構210。光吸收結構210為包括至少一第一半導體層212和至少一第二半導體層214的疊層的半導體結構。在一些實施例中，基板200可為包括InP的半導體基板、第一半導體層212可包括InAlAs，且第二半導體層214可包括InGaAs。
圖5是本發明第三實施例的太赫茲元件的剖面示意圖。
請參照圖5，太赫茲元件30的製造方法包括使用化學氣相沉積製程於基板300上形成光吸收結構310。光吸收結構310可為包括多個第一半導體層312和多個第二半導體層314的疊層的半導體結構，且多個第一半導體層312和多個第二半導體層314可彼此相互交替堆疊。在一些實施例中，當基板300為包括InP的半導體基板、第一半導體層312包括InAlAs且第二半導體層314包括InGaAs的情況下，太赫茲元件30的應用飛秒雷射中心波長範圍為約500nm至約1600nm。
圖6是本發明第四實施例的太赫茲元件的剖面示意圖。圖7A和圖7B是本發明以化學氣相沉積製程所形成之又一實施例的太赫茲元件的性能表現圖。
請參照圖6，太赫茲元件40的製造方法包括使用化學氣相沉積製程於基板400上形成光吸收結構410。光吸收結構410可為包括第一半導體層412和第二半導體層414的疊層的半導體結構。在一些實施例中，光吸收結構410可藉由化學氣相沉積製程在壓力為約10torr至約100torr下沉積半導體材料形成。如此一來，相較於在超高真空環境下(例如10-9torr)執行的MBE生長製程，可省略達到超高真空環境所需的設備及時間，如此可顯著地降低太赫茲元件40的製造成本和生產時間，並且還能夠使所製造的太赫茲元件40具有良好的良率。在一些替代實施例中，化學氣相沉積製程所採用的壓力為約37torr至約75torr。
在一些實施例中，當基板400為包括Si的半導體基板、
第一半導體層包括Ge且第二半導體層包括GeSn的情況下，太赫茲元件40在中心波長為1560nm的飛秒雷射激發下，擁有超過2THz的頻寬與訊號雜訊比(signal-to-noise ratio，SNR)大於50dB的表現(如圖7A和圖7B所示出之實施例3)。此外，藉由上述化學氣相沉積製程形成的太赫茲元件40可具有約22k ohm/sq的電阻率、約500cm2/V-s至約2000cm2/V-s的載子遷移率以及約464ps的載子生命週期。基於上述，相較於通過MBE生長所形成之太赫茲元件，採用化學氣相沉積製程所形成的太赫茲元件40具有更低的製造成本、生產時間以及更好的良率而有助於實施大規模生產和全面商業化，且同時還能夠具有相似的性能表現(例如在功率和頻寬的性能表現上與MBE生長所形成之太赫茲元件相似)。
第一半導體層412可藉由第一化學氣相沉積製程形成於基板400上，而第二半導體層414可藉由第二化學氣相沉積製程形成於第一半導體層412上。在一些實施例中，在第一半導體層412包括Ge且第二半導體層414包括GeSn的情況下，第一化學氣相沉積製程所使用的氣體源包括H2和GeH4，而第二化學氣相沉積製程所使用的氣體源包括Ge2H6和SnCl4。在一些實施例中，藉由上述第二化學氣相沉積製程所形成的第二半導體層414，其GeSn中Ge與Sn的莫耳比為0.96比0.04(可表示為Ge0.96Sn0.04)。在一些實施例中，上述第一化學氣相沉積製程是將腔體的溫度控制在約375℃至約400℃下執行。在一些實施例中，上述第二化學氣相沉積製程是將腔體的溫度控制在約320℃下執行。第一半
導體層412和/或第二半導體層414的厚度為約10nm至約2μm。舉例來說，第一半導體層412的厚度為約120nm，而第二半導體層414的厚度為約150nm。
綜上所述，在上述實施例中的太赫茲元件的製造方法中，藉由化學氣相沉積製程來形成太赫茲元件的光吸收結構，使其相較於通過MBE生長所形成之太赫茲元件具有更低的製造成本、生產時間以及更好的良率而有助於實施大規模生產和全面商業化，且同時還能夠具有相似的性能表現(例如在功率和頻寬的性能表現上與MBE生長所形成之太赫茲元件相似)。
10:太赫茲元件
100:基板
110:光吸收結構
Claims (7)
- 一種太赫茲元件的製造方法，包括：使用化學氣相沉積製程於基板上形成光吸收結構，其中：所述基板為包括GaAs的半導體基板；以及所述光吸收結構為包括InGaAs的單層半導體層。
- 如請求項1所述的太赫茲元件的製造方法，其中所述化學氣相沉積製程在壓力為約10torr至約100torr。
- 如請求項1所述的太赫茲元件的製造方法，其中所述化學氣相沉積製程所採用的氣體源包括AsH3、三甲基鎵(trimethyl Gallium，TMGa)和三甲基銦(trimethyl indium，TMIn)。
- 一種太赫茲元件的製造方法，包括：使用化學氣相沉積製程於基板上形成光吸收結構，其中：所述基板為包括Si的半導體基板；以及所述光吸收結構包括第一半導體層和第二半導體層的疊層或包括鍺(Ge)、鍺錫合金(GeSn)、砷化鎵(GaAs)的單層半導體層，所述第一半導體層包括Ge，所述第二半導體層包括GeSn。
- 如請求項4所述的太赫茲元件的製造方法，其中所述第一半導體層藉由第一化學氣相沉積製程形成於所述基板上，所述第二半導體層藉由第二化學氣相沉積製程形成於所述第一半導體層上，所述第一化學氣相沉積製程所使用的氣體源包括H2和GeH4，所述第二化學氣相沉積製程所使用的氣體源包括Ge2H6和SnCl4。
- 如請求項5所述的太赫茲元件的製造方法，其中所述第一化學氣相沉積製程所使用的溫度為約375℃至約400℃，所述第二化學氣相沉積製程所使用的溫度為約320℃。
- 一種太赫茲元件的製造方法，包括：使用化學氣相沉積製程於基板上形成光吸收結構，其中：所述基板包括藍寶石基板、石英基板、包含GaAs、SiC、GaO、GaN或Si的半導體基板或其組合；以及所述光吸收結構包括二維材料、低維度材料、磁性材料、拓樸材料、包含III-V族化合物、IV族元素、IV族化合物或其組合的半導體材料或其組合。
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