光侦测元件制造技术

本发明专利技术一实施例提供一种利用金属半导体界面的光侦测元件，可应用于红外光的侦测。在另一实施例，该光侦测元件导入局域表面等离子体共振结构，以提升元件的光电响应与侦测波长范围。该光侦测元件可应用于测量各种入射光强度与测量可见光至中红外光波段(300nm～20μm)的入射光信号。

Photodetector

An embodiment of the invention provides a light detection element utilizing a metal semiconductor interface, which can be applied to the detection of infrared light. In another embodiment, the photodetector is led into a local surface plasmon resonance structure to improve the photoelectric response and detection wavelength range of the photodetector. The photodetector can be used to measure all kinds of incident light intensity and the incident light signal from visible light to mid infrared light band (300 nm ~ 20 \u03bc m).

【技术实现步骤摘要】
光侦测元件
本专利技术是有关于一种光侦测元件，特别是一种利用金属半导体界面的光侦测元件。
技术介绍
1938年W.H.Schottky提出金属-半导体界面在热平衡后可产生电位能障，即萧特基能障或萧特基界面(Schottkybarrierorjunction)。图1A显示，以p型半导体为例，其中主要载子为电洞(h+)，金属与半导体在未接触前各自带有其独立的能带结构、费米能阶(Fermilevel)与材料能隙。令金属功函数(qφm)小于半导体功函数(qφs)，功函数定义为费米能阶(Fermilevel)至真空能阶Evac(vacuumlevel)的能量差，半导体中的电子亲和力qχ(electronaffinity)则为传导带Ec(conductionband)至半导体真空能阶Evac的能量差。如图1B所示，金属与半导体接触后，因半导体的费米能阶低于金属的费米能阶，热平衡后，p型半导体中电洞将流入金属中，将负电荷留在半导体中，在金属-半导体界面两侧形成各自的空间电荷区(spacecharge)，并生成内建电场Vb1(built-inelectricfield)。当p型半导体中的主要载子电洞(h+)从半导体流向金属时须克服界面上的内建电场Vb1，若外加偏压刚好让载子能够突破内建电场，则此外加偏压称为启动电压(turnonvoltage)。若电洞欲从金属进到半导体则须突破界面的萧特基能障φB(Schottkybarrier)，此类阻挡载子移动的弯曲能带或能障即称为萧特基界面(Schottkyjunction)。由金半界面理论，若要形成萧特基界面，p型半导体需搭配功函数较大的金属，n型半导体则须搭配功函数较小的金属。而萧特基位障的大小(Schottkybarrierheight)，可由电流电压测量(IV-curve)，或以电容-电压测量(CV-curve)估算得知。H.Y.Fan与A.K.Ramdas等人在1959年实验中发现，半导体照光后，原本在半导体价电带中的电子或电洞受到入射光子激发后，跃迁至导电带而形成电子电洞对或热载子，此机制则称为半导体能隙吸收(midband-gapabsorption,MBA)。若要使入射光激发出电子电洞对，则此入射光子的能量需大于半导体能隙大小，如此载子才能获得足够的能量以越过半导体能隙形成光电流。目前光侦测元件(Photodetector)广泛利用此半导体能隙吸收机制。现今红外光侦测器(infraredsensor)大多以III-V族或Ge这类材料能隙小的半导体做为主动层或侦测吸收材料，以侦测光子能量微小的红外光。虽然现有的III-V族或Ge侦测器其制造过程技术已相当成熟，但这类材料价格相对其他材料更为昂贵，且制造过程需要许多复杂且昂贵的磊晶设备。此类元件的侦测原理多为半导体能隙吸收(MBA)，是由半导体中的载子受到入射光激发，越过半导体能隙(bandgap)而产生光电流，所以为了提升元件侦测效率或光电响应表现(Responsivity)，此类元件时常需要在主动层中加入多重量子井(multiplequantumwellsMQWs)或多重量子点(multiplequantumdotsMQDs)这些复杂的结构设计。
技术实现思路
本专利技术是有关于一种光侦测装置，特别是一种宽频的光侦测器。根据本专利技术第一实施例，一种光侦测元件包含半导体、欧姆接触电极，以及金属电极。该欧姆接触电极与该半导体的第一表面形成欧姆接触。该金属电极与该半导体的第二表面形成萧特基接触。该金属电极中的载子，受入射光子激发后形成电子电洞对或热载子而越过该金属电极与该半导体界面的萧特基能障，以形成光电流。在某个实施例中，该光侦测元件的吸收频谱于300nm至2700nm的范围内的吸收率大于40％。在某个实施例中，该半导体包含硅(本质、P型或N型硅半导体)。在某个实施例中，该半导体为平面型基板。在某个实施例中，该光侦测元件可测量到光子能量小于半导体能隙(bandgap)以下的光子。根据本专利技术第二实施例，一种光侦测元件，包含半导体、欧姆接触电极，以及金属电极。该半导体具有纳微米结构。该欧姆接触电极与该半导体的第一表面形成欧姆接触。该金属电极与该周期微阵列纳米结构的表面形成萧特基接触。该金属电极中的载子，受入射光子激发后形成电子电洞对或热载子而越过该金属电极与该半导体界面的萧特基能障，以形成光电流。其中，入射光将在表面金属周期结构上诱发局域表面等离子体共振(LSPR)，由LSPR产生的等离子体衰释波传递至萧特基界面时，此强近电场将激发出大量热载子，以提升元件的光电响应表现。此部分主要以周期结构诱发LSPR，增加元件吸光，并优化元件光电响应。在某个实施例中，该光侦测元件可测量到光子能量小于半导体能隙(bandgap)以及萧特基能障以下的光子。在某个实施例中，该周期性纳微米结构阵列中的每个纳微米结构拥有渐变线长的腔壁。在某个实施例中，该纳微米结构是三维倒置周期性金字塔阵列。在某个实施例中，波长范围为500nm至4000nm的入射光皆可在该周期微阵列纳米结构诱发局域表面等离子体共振。在某个实施例，其中该局域表面等离子体共振不具有极化选别，一般的局域表面等离子体共振结构通常仅能以特定极化方向入射光诱发表面等离子体共振，会对入射光有极化选别诱发共振的现象，在此所提出的三维倒置金字塔微阵列纳米结构，因为是二维周期对称的，所以不会对入射光有极化选别的问题。在某个实施利中，该光侦测器改由背向入光方式，可以将萧特基接触将薄膜层由电极层取代，并有不易与大气反应及光子可直接照射再萧特基接面。在某个实施例中，该光侦测元件的吸收频谱于450nm至2700nm的范围内的吸收率大于80％。在某个实施例中，其中该光侦测元件操作于0偏压时的平均光电响应高于300nA/mW。附图说明图1A显示金属与半导体接触前的能带结构。图1B显示金属与半导体接触后的能带结构。图2显示根据本专利技术第一实施例的光侦测元件。图3显示使用金和铂作为欧姆接触电极的光感测元件的IV测量图。图4显示先蒸镀铜再蒸镀铂所制光感测元件的暗电流与光电流的电性表现。图5显示以太阳光模拟器(solarsimulator)测量铜/p型硅元件于可见光照射下的光电流-暗电流的光电响应。图6显示光侦测元件操作于0bias偏压时的光电响应。图7显示根据本专利技术第一实施例铜/p型元件以及硅基板的吸收频谱。图8显示根据本专利技术第一实施例铜/p型硅元件用于测量不同波长入射光的光电响应。图9A为立体图，显示根据本专利技术第二实施例的光侦测元件。图9B为横截面图，显示根据本专利技术第二实施例的光侦测元件的周期微阵列纳米结构。图10显示根据本专利技术第二实施例光侦测元件的制作方法。图11为上视与横截面视角的SEM照片，显示以KOH溶液蚀刻20分钟后的倒置金字塔微阵列纳米结构。图12显示倒置金字塔的结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光侦测元件，其特征在于包含：/n半导体，具有纳微米结构；/n欧姆接触电极，与该半导体的第一表面形成欧姆接触；/n金属电极，该金属电极与该纳微米结构的表面形成萧特基接触；/n该金属电极中的载子，受入射光子激发后形成电子电洞对或热载子而越过该金属电极与该半导体界面的萧特基能障，以形成光电流。/n

【技术特征摘要】
20180514 TW 1071163401.一种光侦测元件，其特征在于包含：
半导体，具有纳微米结构；
欧姆接触电极，与该半导体的第一表面形成欧姆接触；
金属电极，该金属电极与该纳微米结构的表面形成萧特基接触；
该金属电极中的载子，受入射光子激发后形成电子电洞对或热载子而越过该金属电极与该半导体界面的萧特基能障，以形成光电流。


2.根据权利要求1所述的光侦测元件，其特征在于：其中该纳微米结构具备周期性排列的阵列结构。


3.根据权利要求2所述的光侦测元件，其特征在于：其中该阵列结构中的每一个结构具备渐变的线宽长度。


4.根据权利要求1所述的光侦测元件，其特征在于：其中该纳微米结构为周期微阵列倒置金字塔结构。


5.根据权利要求1所述的光侦测元件，其特征在于：其中该纳微米结构为周期微阵列正立金字塔结构。


6.根据权利要求1所述的光侦测元件，其特征在于：其中该半导体包含硅。


7.根据权利要求1所述的光侦测元件，其特征在于：其中该金属电极包含铬或铜或其他可与该纳微米结构的表面形成萧特基接触的材料，该欧姆接触电极包含金、银，或铂或其他可与该半导体的第一表面形成欧姆接触的材料。


8.根据权利要求1所述的光侦测元件，其特征在于：入射光由该半导体的第二表面进入，该第二表面相对于该第一表面，以改善该萧特基接触电易氧化的缺点。


9.根据权利要求1所述的光侦测元件，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：林清富，庄闳杰，林孟颉，黄柏瑞，
申请(专利权)人：林清富，
类型：发明
国别省市：中国台湾;TW