TWI837016B - 有機/無機複合結構、其製造方法及感測裝置 - Google Patents
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Abstract
一種有機/無機複合結構，包含矽基板以及導電高分子層。矽基板包含複數個微結構，複數個微結構設置於矽基板的表面。導電高分子層設置於複數個微結構上，導電高分子層與矽基板的表面之間具有間隔距離。
Description
本揭露是關於一種複合結構、其製造方法及包含其的感測裝置，且特別是關於一種有機/無機複合結構、其製造方法及包含其的感測裝置。
隨著前沿科技，例如物聯網、邊緣運算以及人工智慧的蓬勃發展，連帶帶動相關技術的發展，例如感測器、無線通訊技術等。在前沿科技的相關技術中，感測器用以負責前端資料的蒐集，感測器所蒐集到的資料是否充足與正確，攸關後續分析的準確性。因此，如何提升感測器的性質，例如降低製造成本及/或提升靈敏程度，遂為相關業者的重要課題。
本揭露之目的在於提供一種有機/無機複合結構、其製造方法及包含其的感測裝置，以解決上述問題。
依據本揭露之一實施方式是提供一種有機/無機複合結構，包含一矽基板以及一導電高分子層。矽基板包含複數個微結構，複數個微結構設置於矽基板的表面。導電高分子層設置於複數個微結構上，導電高分子層與矽基板的表面之間具有間隔距離。
依據本揭露之另一實施方式是提供一種有機/無機複合結構的製造方法，包含以下步驟。提供一矽基板，其中矽基板包含複數個微結構，複數個微結構設置於矽基板的一表面。形成一導電高分子層於複數個微結構上，其中導電高分子層與矽基板的所述表面之間具有一間隔距離。
依據本揭露之再一實施方式是提供一種感測裝置，包含前述的有機/無機複合結構。
相較於先前技術，本揭露的有機/無機複合結構使用矽基板及導電高分子作為材料，具有容易取得及價格便宜的優點。本揭露的有機/無機複合結構的製造方法無需使用昂貴的儀器及設備，有利於降低製造成本。本揭露的有機/無機複合結構，對於特定能量範圍具有響應度，而可應用為感測裝置，且對於特定波長範圍的光線具有響應度，而可應用為光感測裝置。
有關本揭露之前述及其它技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施方式的詳細說明中，將可清楚地呈現。以下實施方式所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前、後、底、頂等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明，而非對本揭露加以限制。此外，在下列各實施方式中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號。
下文中針對「第一特徵形成在第二特徵上或上方」的敘述，其可以是指「第一特徵與第二特徵直接接觸」，也可以是指「第一特徵與第二特徵間另存在有其他特徵」，致使第一特徵與第二特徵並不直接接觸。
本揭露使用第一、第二等用詞以敘述元件、區域、層、及/或區塊(section)，但應了解此等用詞僅是用以區分某一元件、區域、層、及/或區塊與另一個元件、區域、層、及/或區塊，其本身並不意含及代表該元件有任何之前的序數，也不代表某一元件與另一元件的排列順序、或是製造方法上的順序。因此，在不背離本揭露之具體實施方式之範疇下，下列所討論之第一元件、區域、層及/或區塊亦可以第二元件、區域、層、及/或區塊之用語稱之。申請專利範圍中的此等用語可不與說明書相同，而可依照申請專利範圍中元件宣告的順序以第一、第二、第三…取代。
＜
有機
/
無機複合結構的製造方法
＞
請同時參照第1圖及第2圖，第1圖是依據本揭露一實施方式的有機/無機複合結構的製造方法100的步驟流程圖，第2圖是第1圖的有機/無機複合結構的製造方法100的步驟示意圖。有機/無機複合結構的製造方法100包含步驟110至步驟120，且可選擇地包含步驟130。步驟110是提供一矽基板10，其中矽基板10包含複數個微結構12，複數個微結構12設置於矽基板10的表面14。步驟120是形成一導電高分子層20於複數個微結構12上，其中導電高分子層20與矽基板10的表面14之間具有間隔距離S1。步驟130是形成二導電電極30於導電高分子層20遠離複數個微結構12的表面22，其中二導電電極30間隔設置。
詳細來說，矽基板10可為N型矽基板，導電高分子層20的材料可包含P型導電高分子，藉此，可形成p-n異質結構，而藉由導電高分子層20與矽基板10的表面14之間具有間隔距離S1，可有效增加對光子的吸收，有利於電洞與電子的分離。在其他實施方式中，矽基板10可為P型矽基板，導電高分子層20的材料可包含N型導電高分子，同樣可形成p-n異質結構。換句話說，矽基板10及導電高分子層20其中一者為P型、另一者為N型，皆落在本揭露所欲保護的範圍。
前述「矽基板10的表面14」是指微結構12的底端12B直接接觸的表面。進一步來說，導電高分子層20是位於微結構12的頂端12T，而矽基板10的表面14是位於微結構12的底端12B。
請同時參照第3圖，其是依據本揭露一實施方式的微結構12的剖面示意圖，其視角是沿著第2圖中的剖面線A-A'，且繪示出微結構12的頂端12T至底端12B的部分，而未繪示出矽基板10的表面14以下的部分。
第2圖及第3圖中，以微結構12為直線型的奈米線且具有氧化層12a為例示，奈米線的直徑D1可為20 nm至25 nm，且奈米線的長度L1可為350 nm至450 nm，但不限於此。藉由於矽基板10的表面14設置直線型的奈米線有利於增大表面積，在其他實施方式中，可將微結構12配置為彎曲的奈米線、金字塔型、圓柱形或是蛾眼狀的微結構，來達到增大表面積的功效。微結構12可具有氧化層12a，氧化層12a形成於微結構12的表面(未另標號)，氧化層12a的厚度T2可為2.5 nm至3 nm。藉由微結構12具有氧化層12a，且氧化層12a的厚度T2滿足特定範圍，有利於促進異質結構的建立，從而增加於介面處的能障高度，使得本揭露的有機/無機複合結構1a、1b更接近理想的二極體的表現，而有利於受激發時電子、電洞產生分離現象，進而有利於提升後續形成的有機/無機複合結構1a、1b對於特定能量範圍的響應度，亦即有利於將有機/無機複合結構1a、1b應用於感測裝置。
以下例示說明矽基板10的製作方式。請參照第4圖，其是依照本揭露一實施方式的步驟110的步驟流程圖。步驟110可包含步驟111，且可選擇地包含步驟112。步驟111是進行一蝕刻步驟，以於矽基板10的表面14形成複數個微結構12。步驟112是進行一氧化步驟，以使複數個微結構12中的至少一者的一部分氧化而形成一氧化層12a。藉此，微結構12可一體形成於矽基板10，且微結構12包含氧化層12a以及未經氧化的部分12b，未經氧化的部分12b的成分可包含矽，氧化層12a的成分可包含氧化矽，氧化矽的化學式可為SiO
x，其中x等為1.56至1.58。
步驟111可使用金屬輔助化學蝕刻(Metal-assisted Chemical Etching)製程，例如可將未形成有微結構12的矽基板(以下稱為初始矽基板)放置於包含硝酸銀及氫氟酸的混合溶液中進行蝕刻，在進行步驟111之前，可更包含清洗步驟，例如依序使用丙酮、異丙醇、去離子水、酒精、去離子水清洗初始矽基板。前述金屬輔助化學蝕刻製程中，混合溶液中氫氟酸的濃度可為4.4 M至4.8 M、硝酸銀的濃度可為0.008 M至0.012 M，可於室溫(例如20 ℃至40 ℃)進行50秒至70秒。藉由使用金屬輔助化學蝕刻製程形成複數微結構12，可利用貴金屬銀沉積於初始矽基板上作為催化劑，並利用氫氟酸作為蝕刻液，而具有操作簡單、低成本、反應時間快速以及選擇性高等優點。
步驟112可使用濕式氧化製程，例如可將步驟111的產物放置入硝酸溶液中進行氧化，使得微結構12的一部分氧化而形成氧化層12a。在進行步驟112之前，可更包含清洗步驟111的產物，例如可將步驟111的產物放置於氫氟酸及硝酸的混合溶液中以除去微結構12的表面上的銀金屬，其中氫氟酸的濃度為0.22 M，硝酸的濃度為12M，並可於室溫(例如20 ℃至40 ℃)進行10秒至20秒。濕式氧化製程中，硝酸溶液的濃度可為15.5 wt%至17.5 wt%，並可於室溫(例如20 ℃至40 ℃)進行57秒至63秒，藉此，有利於控制氧化層12a的厚度T2於一預定範圍，而有利於提升後續形成的有機/無機複合結構1a、1b對於特定能量範圍的響應度。
請復參照第2圖，導電高分子層20的厚度T1可為100 nm至200 nm。間隔距離S1可為250 nm至350 nm，亦即導電高分子層20接觸微結構12、而未接觸矽基板10與微結構12的底端12B直接接觸的表面14，此外，導電高分子層20較佳包覆部分的微結構12而未完全包覆微結構12。
導電高分子層20的材料可包含P型導電高分子，例如，導電高分子層20的材料可包含聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸鹽)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate); PEDOT:PSS)、聚3-己基噻吩(poly(3-hexylthiophene); P3HT)、聚吡咯並吡咯二酮-噻吩-噻吩並噻吩(poly[2,5-(2-octyldodecyl)-3,6-diketopyrrolopyrrole-alt-5,5-(2,5-di(thien-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene)]; DPP-DTT)、聚噻吩-吡咯並吡咯二酮(poly{2,2'-[(2,5-bis(2-hexyldecyl)-3,6-dioxo-2,3,5,6-tetrahydropyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-diyl)dithiophene]-5,5'-diyl-alt-thiophen-2,5-diyl}; PDPP3T)、聚[2,6-(4,4'-雙(2-乙基己基)二噻吩並[3,2-b：2',3'-d]矽羅)-交替-4,7-(2,1,3-苯並噻二唑)] (poly[2,6-(4,4’-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2’,3’-d]silole)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)] ; PSBTBT)。
導電高分子層20可使用旋轉塗佈法形成於複數個微結構12上。藉此，具有製程簡單的優點。例如，可先將導電高分子層20的材料使用溶劑如乙二醇(ethylene glycol)配製為高分子旋塗液，其中導電高分子層20的材料為91至95重量份，溶劑的重量為5至9重量份，在將高分子旋塗液旋轉塗佈於複數個微結構12上之後，可更包含烘烤步驟，以除去高分子旋塗液中的溶劑並使導電高分子層20固化成膜。旋轉塗佈法可採用二階段塗佈方式，其可包含一第一旋塗步驟以及一第二旋塗步驟，其中第一旋塗步驟是以一第一轉速進行一第一時間，第二旋塗步驟是以一第二轉速進行一第二時間，第一轉速大於第二轉速，且第一時間小於第二時間，藉由施加第二旋塗步驟能維持薄膜厚度且提供旋塗液揮發時間，使導電高分子層20穩固形成均勻分布結構。例如，第一旋塗步驟可以7000 rpm至9000 rpm的轉速進行10秒鐘，第二旋塗步驟可以400 rpm至600 rpm的轉速進行50秒鐘。旋轉塗佈法可於室溫下進行。前述烘烤步驟可於130 ℃至150 ℃進行12至18分鐘，但不限於此，例如可視高分子旋塗液中溶劑的種類及添加量適應調整烘烤步驟的溫度及時間。
導電電極30包含第一導電電極31及第二導電電極32，且可使用蒸鍍製程或濺鍍製程製作而成，蒸鍍製程例如可為電子束蒸鍍製程。藉由設置二導電電極30，有利於將有機/無機複合結構1a、1b與其他元件(例如電源模組)電性連接。導電電極30的材料可包含銀、金、鋁或其組合。第一導電電極31及第二導電電極32之間可具有間隔距離S2，間隔距離S2可為0.65 mm至0.75 mm。藉此，間隔距離S2的大小適中，無須使用精密且昂貴的微影製程，且可有效感應載子濃度變化，間距過低會使短路電流情形產生，間距過高會使電流訊號降低。導電電極30在此例示為長條狀結構，長條狀結構具有一第一長度L2、一第二長度L3以及一厚度T3，第一長度L2可為3.9 mm至4.1 mm，第二長度L3可為0.2 mm至0.3 mm，厚度T3可為140 nm至160 nm，亦即長條狀結構於俯視視角(相反於矽基板10的表面14的法向量N的方向)的面積可為0.78 mm
2至1.23 mm
2。藉此，導電電極30的面積大小適中，可有效收集電子訊號，面積過小易使製造成本上升，面積過大易導致功率損耗提升，且導電電極30的厚度T3適中，可於製程中形成表面均勻且平整的電極，厚度T3過小會使得金屬分布不均，厚度T3過大會使得屏蔽損耗以及功率損耗提升。在其他實施方式中，導電電極30可配置為其他形狀，當導電電極30配置為其他形狀時，導電電極30的面積也可為0.78 mm
2至1.23 mm
2。
如第2圖所示，當有機/無機複合結構的製造方法100不包含步驟130時，有機/無機複合結構的製造方法100的產物為有機/無機複合結構1a，有機/無機複合結構1a包含矽基板10及導電高分子層20。當有機/無機複合結構的製造方法100包含步驟130時，有機/無機複合結構的製造方法100的產物為有機/無機複合結構1b，有機/無機複合結構1b可包含矽基板10、導電高分子層20以及二導電電極30。
＜
有機
/
無機複合結構
＞
本揭露提供一種有機/無機複合結構，例如第2圖中的有機/無機複合結構1a及有機/無機複合結構1b。
如第2圖、第3圖所示，有機/無機複合結構1a包含一矽基板10以及一導電高分子層20。矽基板10包含複數個微結構12，複數個微結構12設置於矽基板10的表面14。導電高分子層20設置於複數個微結構12上，導電高分子層20與矽基板10的表面14之間具有一間隔距離S1。有機/無機複合結構1b與有機/無機複合結構1a的不同之處，主要在於有機/無機複合結構1b更包含二導電電極30間隔設置於導電高分子層20遠離複數個微結構12的表面22。有機/無機複合結構1a、1b對於特定能量範圍具有響應度，而可應用為感測裝置。
關於有機/無機複合結構1a、1b可參照上文相關說明，關於有機/無機複合結構1a、1b應用為感測裝置可參照下文相關說明，在此不予重複。
＜
感測裝置
＞
本揭露提供一感測裝置，包含一有機/無機複合結構。有機/無機複合結構對於特定能量範圍具有響應度，而可應用為感測裝置，例如光感測裝置。
請參照第5圖，其是依據本揭露一實施方式的感測裝置2的方塊示意圖。感測裝置2包含有機/無機複合結構1以及電源模組3，電源模組3與有機/無機複合結構1電性連接，電源模組3用於提供電位差/電源至有機/無機複合結構1。有機/無機複合結構1可為前述有機/無機複合結構1a或有機/無機複合結構1b。
請參照第6圖，其是依據本揭露一實施方式的有機/無機複合結構1b中電子e
-、電洞h
+及電流33示意圖。第一導電電極31與電源模組(圖未繪示)的電源VDD連接，第二導電電極32與電源模組(圖未繪示)的參考電位VSS(例如接地電位)連接，當電源VDD提供電壓時，可於表面形成電流通道。第6圖以電源VDD提供負偏壓為例示，當吸收特定範圍的能量，其中電洞h
+往上移動、電子e
-往下移動，會造成導電高分子層20中載子(電洞h
+及電子e
-)的濃度產生變化，從而電流33產生訊號變化，其中電流33的方向是由參考電位VSS依序流向第二導電電極32、第一導電電極31及電源VDD，有機/無機複合結構1b可於第一導電電極31及第二導電電極32之間形成電流通道，其作用可視為電晶體，而第一導電電極31及第二導電電極32可視為電晶體中的汲極及源極，而可進一步作為開關及作為數位訊號的來源。與習知電晶體的製作方式相比較，習知電晶體常使用的磊晶製程或接合製程需要昂貴的儀器及設備，本揭露的有機/無機複合結構的製造方法100無需使用昂貴的儀器及設備，有利於降低製造成本。
前述特定範圍的能量可為1 mW/cm
2~ 30 mW/cm
2，且可由具有特定波長範圍的光線提供。換句話說，本揭露的感測裝置2可為光感測裝置。前述特定波長範圍可為580 nm至600 nm，亦即本揭露的感測裝置2可用以感測波長為580 nm至600nm的光線。
＜
實施例及比較例的製備及性質量測＞
實施例1：提供一矽基板(步驟110)，包含以下步驟：取一單面拋光(Single Side Polished, SSP)矽晶圓作為初始矽基板，其規格如表一所示。
| 表一 | |
| 生長方法(Growth Method) | CZ |
| 種類(Type) | N |
| 晶面方向(Orientation) | ＜100＞ |
| 厚度(Thickness) | 525 ± 25 (μm) |
| 直徑(Diameter) | 100 ± 0.4 (mm) |
| 電阻率(Resistivity) | 0.1 ~ 0.5 (Ω.cm) |
將SSP矽晶圓依序使用丙酮、異丙酮、去離子水、酒精及去離子水清洗，之後浸泡於硝酸銀及氫氟酸的混合溶液中，其中硝酸銀的濃度為0.01M、氫氟酸的濃度為4.6M，使其於室溫下反應60秒，以於SSP矽晶圓形成複數個奈米線(步驟111)。之後，將SSP矽晶圓浸泡於氫氟酸及硝酸的混合溶液中，其中氫氟酸的濃度為0.22 M，硝酸的濃度為12M，使其於室溫下反應15秒，以除去表面上的銀金屬，再將SSP矽晶圓浸泡於濃度16.5 wt%的硝酸溶液，使其於室溫下反應60秒，以將部分奈米線氧化而形成氧化層(步驟112)，以完成矽基板的製作。請參照表二，步驟111的反應如式(1)至式(2)所示，步驟112的反應如式(3)所示。
| 表二 | |
| 式(1) | Si (s)+ 4AgNO 3(aq)+ 6HF (aq)→ 4Ag (s)+ 4HNO 3(aq)+ H 2SiF 6(aq) |
| 式(2) | SiO 2(s)+ 2H 2O (l)+ 6HF (s)→ H 2SiF 6(s)+ 4H 2O (l) |
| 式(3) | Si (s)+ 4HNO 3(aq)→ SiO 2(s)+ 2H 2O (l)+ 4NO 2(g) |
接著，形成一導電高分子層於複數個微結構上(步驟120)，包含以下步驟：將PEDOT:PSS水溶液(PH 1000；CAS: 155090-83-8)、乙二醇(CAS:107-21-1)以91 ~ 95：5 ~ 9的重量比混合，並以磁石配合磁攪拌機於轉速400 r.p.m.攪拌1天，以形成高分子旋塗液，將SSP矽晶圓放置於轉盤上，於室溫下依序以8000 rpm的轉速進行10秒鐘、500 rpm的轉速進行50秒鐘，以將高分子旋塗液塗佈於矽基板的奈米線上，之後以140 ℃、10分鐘的條件進行烘烤，以完成導電高分子層的製作，而得到第一有機/無機複合結構(其結構可參照上文中有機/無機複合結構1a)。
接著，形成二導電電極於導電高分子層遠離複數個微結構的表面(步驟130)，其係將第一有機/無機複合結構放入蒸鍍機中並以銀作為蒸鍍材料，其中真空度為5 * 10
-6torr至7 * 10
-6torr、蒸鍍溫度為280
oC~ 315
oC ，以完成導電電極的製作，而得到第二有機/無機複合結構(其結構可參照上文中有機/無機複合結構1b)。本揭露中，可依據後續應用選擇是否於形成導電電極。換句話說，本揭露的有機/無機複合結構可為第一有機/無機複合結構或第二有機/無機複合結構。
將實施例1的第二有機/無機複合結構製作成SEM及TEM試片並使用SEM及TEM觀察。請參照第7圖，其是依據本揭露實施例1的有機/無機複合結構的SEM照片。第7圖中，矽基板10包含複數個微結構12，導電高分子層20設置於複數個微結構12上，微結構12的直徑約為20 nm、長度約為400 nm。導電高分子層20的厚度T1約為100 nm至400 nm。另外，需說明的是在製作SEM及TEM試片時，為了增加導電性以提升SEM及TEM影像的清晰度，會在有機/無機複合結構上沉積金粒子，第7圖中矽基板10內圓形的顆粒即為金粒子的影像。
請參照第8圖，其是依據本揭露實施例1的微結構12的局部的TEM照片。第8圖中，微結構12包含氧化層12a以及未經氧化的部分12b，氧化層12a的厚度T2的範圍約為2.6 nm~3.0 nm，平均厚度約為2.8 nm。
將實施例1中步驟112的時間由60秒改為0秒、180秒及300秒，得到實施例2~4的有機/無機複合結構。以TEM觀察實施例2~4的氧化層的厚度。表三中列出實施例1~4的氧化層厚度。
| 表三 | ||||
| 實施例2 | 實施例1 | 實施例3 | 實施例45 | |
| 步驟112的時間(s) | 0 | 60 | 180 | 300 |
| 厚度(nm) | 0 ~ 0.2 | 2.6~3.0 | 4.0 ~ 4.2 | 5.3 ~ 5.7 |
將實施例1的第二有機/無機複合結構進行光電流的量測，其是將實施例1的第二有機/無機複合結構與電阻、安培計及電源模組串聯，其中電阻是用於提供調整電流大小作用，在此，以電源模組提供1V ~ 3V的負偏壓、電阻為2k ~ 3k歐姆進行實驗，但不限於此。接著，分別使用波長為355 nm~375 nm、440 nm~460 nm、515nm~535 nm、580 nm~600 nm、650 nm~670 nm、730 nm~750 nm、840 nm~860 nm、930 nm~ 950nm、1040 nm~1060 nm的光線照射實施例1的第二有機/無機複合結構，並讀取安培計所量測到的光電流大小。請參照第9圖，其是依據本揭露實施例1的有機/無機複合結構於照射不同波長光線所產生的光電流結果圖。如第9圖所示，實施例1的第二有機/無機複合結構對於波長355 nm至750 nm的光線具有響應度，其中對於波長580奈米至600奈米的光線具有優良的響應度，顯示實施例1的有機/無機複合結構具有波長選擇性。
接著量測實施例1~4照射波長580 nm至600 nm的光線所產生的光電流，量測方式請參照第9圖的量測方式，結果如表四所示。
| 表四 | ||||
| 實施例2 | 實施例1 | 實施例3 | 實施例4 | |
| 光電流(mA) | 2.5 | 9.1 | 0.7 | 1.6 |
由表四可知，實施例1~4照射波長580 nm至600 nm的光線後皆有光電流產生，其中，以實施例1的光電流最大，顯示當微結構的氧化層厚度落在特定範圍時，有利於提升有機/無機複合結構對於波長580 nm至600 nm的光線的響應度，而有利於有機/無機複合結構作為光感測裝置的應用。前述氧化層厚度可由步驟112的時間決定。
接著量測實施例1~4照射波長580 nm至600 nm的光線所產生的電壓，量測方式是將前述光電流量測中與第二有機/無機複合結構串聯的安培計改成以並聯示波器，結果如第10圖所示。請參照第10圖，其是實施例1、2、3、4照射波長580 nm至600 nm的光線所產生的電壓結果圖。實施例1的電壓如方波EM1所示，實施例2的電壓如方波EM2，實施例3的電壓如方波EM3所示，實施例4的電壓如方波EM4所示，如第10圖所示，實施例1、2、3、4皆有電壓產生，而以實施例1產生的電壓最大，顯示當微結構的氧化層厚度落在特定範圍時，有利於提升有機/無機複合結構對於波長580 nm至600 nm的光線的響應度，而有利於有機/無機複合結構作為光感測裝置。
相較於先前技術，本揭露的有機/無機複合結構使用矽基板及導電高分子作為材料，具有容易取得及價格便宜的優點。本揭露的有機/無機複合結構的製造方法無需使用昂貴的儀器及設備，有利於降低製造成本。本揭露的有機/無機複合結構，對於特定能量範圍具有響應度，而可應用為感測裝置，且對於特定波長範圍的光線具有響應度，而可應用為光感測裝置。
以上所述僅為本揭露之較佳實施例，凡依本揭露申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本揭露之涵蓋範圍。
1,1a,1b:有機/無機複合結構
2:感測裝置
3:電源模組
10:矽基板
12:微結構
12a:氧化層
12b:未經氧化的部分
12B:底端
12T:頂端
14:表面
20:導電高分子層
22:表面
30:導電電極
31:第一導電電極
32:第二導電電極
33:電流
100:有機/無機複合結構的製造方法
110,111,112,120,130:步驟
D1:直徑
e
-:電子
EM1,EM2,EM3,EM4:方波
h
+:電洞
L1:長度
L2:第一長度
L3:第二長度
N:法向量
S1,S2:間隔距離
T1,T2,T3:厚度
VDD:電源
VSS:參考電位
第1圖是依據本揭露一實施方式的有機/無機複合結構的製造方法的步驟流程圖。
第2圖是第1圖的有機/無機複合結構的製造方法的步驟示意圖。
第3圖是依據本揭露一實施方式的微結構的剖面示意圖。
第4圖是依照本揭露一實施方式的步驟110的步驟流程圖。
第5圖是依據本揭露一實施方式的感測裝置的方塊示意圖。
第6圖是依據本揭露一實施方式的有機/無機複合結構中電子、電洞及電流示意圖。
第7圖是依據本揭露實施例1的有機/無機複合結構的掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)照片。
第8圖是依據本揭露實施例1的微結構的局部穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy, TEM)照片。
第9圖是依據本揭露實施例1的有機/無機複合結構於照射不同波長光線所產生的光電流結果圖。
第10圖是實施例1、2、3、4照射波長580 奈米(nm)至600 nm的光線所產生的電壓結果圖。
1a,1b:有機/無機複合結構
10:矽基板
12:微結構
12B:底端
12T:頂端
14:表面
20:導電高分子層
22:表面
30:導電電極
31:第一導電電極
32:第二導電電極
L2:第一長度
L3:第二長度
N:法向量
S1,S2:間隔距離
T1,T3:厚度
Claims (19)
- 一種有機/無機複合結構，包含： 一矽基板，包含複數個微結構，其中該複數個微結構設置於該矽基板的一表面；以及 一導電高分子層，設置於該複數個微結構上，其中該導電高分子層與該矽基板的該表面之間具有一間隔距離。
- 如請求項1所述的有機/無機複合結構，其中該複數個微結構中的至少一者具有一氧化層。
- 如請求項2所述的有機/無機複合結構，其中該氧化層的厚度為2.5奈米至3奈米。
- 如請求項2所述的有機/無機複合結構，其中該複數個微結構一體形成於該矽基板，且該氧化層包含氧化矽。
- 如請求項1所述的有機/無機複合結構，其中該矽基板為一N型矽基板，該導電高分子層的材料包含一P型導電高分子。
- 如請求項1所述的有機/無機複合結構，其中各該微結構為一奈米線。
- 如請求項6所述的有機/無機複合結構，其中該奈米線的一直徑為20奈米至25奈米，且該奈米線的一長度為350奈米至450奈米。
- 如請求項1所述的有機/無機複合結構，其中該導電高分子層的一厚度為100奈米至200奈米。
- 如請求項1所述的有機/無機複合結構，更包含： 二導電電極，間隔設置於該導電高分子層遠離該複數個微結構的一表面。
- 一種有機/無機複合結構的製造方法，包含： 提供一矽基板，其中該矽基板包含複數個微結構，該複數個微結構設置於該矽基板的一表面；以及 形成一導電高分子層於該複數個微結構上，其中該導電高分子層與該矽基板的該表面之間具有一間隔距離。
- 如請求項10所述的有機/無機複合結構的製造方法，其中提供該矽基板包含： 進行一蝕刻步驟，以於該矽基板的該表面形成該複數個微結構。
- 如請求項11所述的有機/無機複合結構的製造方法，其中進行該蝕刻步驟是使用金屬輔助化學蝕刻製程。
- 如請求項11所述的有機/無機複合結構的製造方法，其中提供該矽基板更包含： 進行一氧化步驟，以使該複數個微結構中的至少一者的一部分氧化而形成一氧化層。
- 如請求項13所述的有機/無機複合結構的製造方法，其中進行該氧化步驟是使用濕式氧化製程。
- 如請求項10所述的有機/無機複合結構的製造方法，其中形成該導電高分子層於該複數個微結構上是使用旋轉塗佈法。
- 如請求項15所述的有機/無機複合結構的製造方法，其中該旋轉塗佈法包含一第一旋塗步驟以及一第二旋塗步驟，該第一旋塗步驟是以一第一轉速進行一第一時間，該第二旋塗步驟是以一第二轉速進行一第二時間，該第一轉速大於該第二轉速，且該第一時間小於該第二時間。
- 如請求項10所述的有機/無機複合結構的製造方法，更包含： 形成二導電電極於該導電高分子層遠離該複數個微結構的一表面，其中該二導電電極間隔設置。
- 一種感測裝置，包含如請求項1至9任一項所述的有機/無機複合結構。
- 如請求項18所述的感測裝置，其中該感測裝置用以感測波長為580奈米至600奈米的光線。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110112769A1 (en) * | 2008-04-18 | 2011-05-12 | Sony Dadc Austria Ag | Method for manufacturing an optical waveguide, optical waveguide, and sensor arrangement |
| US20170261531A1 (en) * | 2014-08-29 | 2017-09-14 | Panorama Synergy Ltd | Stimulating an optical sensor using optical radiation pressure |
| CN109839365A (zh) * | 2019-03-26 | 2019-06-04 | 中国计量大学 | 一种基于硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器 |
| US20190293516A1 (en) * | 2018-03-22 | 2019-09-26 | Hitachi, Ltd. | Optical sensor and analyzer using the same |
| US20200187832A1 (en) * | 2017-04-03 | 2020-06-18 | Indigo Diabetes N.V. | Implantable optical sensor |
-
2023
- 2023-06-08 TW TW112121343A patent/TWI837016B/zh active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110112769A1 (en) * | 2008-04-18 | 2011-05-12 | Sony Dadc Austria Ag | Method for manufacturing an optical waveguide, optical waveguide, and sensor arrangement |
| US20170261531A1 (en) * | 2014-08-29 | 2017-09-14 | Panorama Synergy Ltd | Stimulating an optical sensor using optical radiation pressure |
| US20200187832A1 (en) * | 2017-04-03 | 2020-06-18 | Indigo Diabetes N.V. | Implantable optical sensor |
| US20190293516A1 (en) * | 2018-03-22 | 2019-09-26 | Hitachi, Ltd. | Optical sensor and analyzer using the same |
| CN109839365A (zh) * | 2019-03-26 | 2019-06-04 | 中国计量大学 | 一种基于硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器 |
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