TWI440175B

TWI440175B - 具有氧化鋅薄膜之半導體元件

Info

Publication number: TWI440175B
Application number: TW99137581A
Authority: TW
Inventors: Li Wen Lai; Chun Hao Chang; kun wei Lin; chun ting Chen
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2014-06-01
Also published as: TW201220495A

Description

具有氧化鋅薄膜之半導體元件

本發明係關於具有氧化鋅薄膜之半導體元件，且特別是一種局部具有不同載子型態之氧化鋅薄膜之半導體元件。

純的氧化鋅具有低的導電度，其原因在於薄膜內的電子密度低，而無法做為一良導體。但是當摻雜雜質於其中時，則在電氣性質和光學性質上可獲得改善。氧化鋅是一種常見的透明N型半導體物質，其具有寬的能隙(band gap；E g)，約為3.3 eV左右。氧化鋅已被做為薄膜電極，而用在不同的光電元件應用上，例如：太陽能電池或發光二極體等。當氧化鋅摻雜雜質後，薄膜電阻的範圍降低，其也可以應用在眾所周知半導體製程技術中透明導電薄膜，當與其他透明氧化物膜例如銦錫氧化物(indium tin oxide；ITO)或二氧化錫(tin oxide)相較時，其成本較為低廉。

但由於氧化鋅薄膜對P型摻質溶解度不佳，使得摻質不易進入薄膜內，加上氧化鋅薄膜本身缺陷使得薄膜特性易偏向N型，以致仍未能製作出高穩定與高電洞載子濃度之P型氧化鋅薄膜應用於市面。因此若能開發出穩定P型的氧化鋅透明電極，則可以與N型電極形成PN接面，其可應用之領域極廣，如形成具有PN接面之透明光電元件。亦即可取代目前有機發光二極體(OLED)之P型電洞注入層或太陽能電池之電極製作等應用，更進一步可以製作藍光與紫光發光二極體的薄膜材料，未來可應用於白光發光二極體之激發光源或短波長之半導體雷射，由此可知氧化鋅薄膜在短波長之光電元件領域有著極大之應用潛力。

目前在製作P型氧化鋅大多使用五族元素的氮(N)元素摻雜物到氧化鋅薄膜中填補氧化鋅薄膜中的氧缺位(oxygen vacancy)來使電洞的濃度增加，但由於氮(N)元素摻雜物在氧化鋅的溶解度低，因而傳統的成膜方式無法製作出穩定且高濃度的P型氧化鋅，氮原子不易溶於氧化鋅薄膜內，使得P型氧化鋅薄膜製作不易。且活化過程採用高溫爐，在長時間升溫成長或熱活化處理將產生熱積存(thermal budget)效應使得氧化鋅薄膜中氧缺位密度增加，造成電洞濃度下降或不易製作穩定之P型氧化鋅，又美國專利公開案US200900011363及US20080164466係採高溫爐或加熱實施退火步驟。

美國專利US6,624,442係以脈衝雷射蒸鍍(PLD)法在基板11上成長N型氧化鋅層12，在N型氧化鋅層12上鍍Zn₃ P₂ 薄膜13，如圖1所示。再利用雷射14照射Zn₃ P₂ 薄膜13，將Zn₃ P₂ 之弱鍵結以熱解離形成Zn與P原子，P原子擴散入進N型氧化鋅層12中形成P型氧化鋅與PN接面，以此法可製作半導體元件。然而，此方法中使用之雷射無法完全將N型氧化鋅層12上之Zn₃ P₂ 薄膜13完整分解，且均勻的被擴散入N型氧化鋅層12中來形成P型氧化鋅，仍會有殘存的Zn₃ P₂ 薄膜13於氧化鋅層12上，此外Zn₃ P₂ 擴散之深度無法有效控制，上述不穩定因素將影響半導體元件之效能。

本發明一實施例揭示一種具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其包含一基板及一含摻雜物之氧化鋅薄膜。該氧化鋅薄膜係設於該基板上，又該氧化鋅薄膜係包括至少兩個具有不同載子型態之區域。

本發明一實施例揭示一種具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其包含一基板及一含摻雜物之氧化鋅薄膜。該氧化鋅薄膜係設於該基板上，又局部包括至少一被活化摻雜物之區域。

上文已經概略地敍述本揭露之技術特徵，俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應可瞭解，下文揭示之概念與特定實施例可作為基礎而相當輕易地予以修改或設計其它結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應可瞭解，這類等效的建構並無法脫離後附之申請專利範圍所提出之本揭露的精神和範圍。

圖2例示本發明一實施例之形成氧化鋅薄膜之濺鍍系統。在濺鍍系統20之真空腔體21中，係設置有兩個濺鍍源22及23，該兩個濺鍍源22及23分別使用氮化鋁(AlN)靶材221與氧化鋅靶材231。分別控制該兩個濺鍍源22及23之功率，可用來調配濺鍍後形成於一基板24上薄膜中氧化鋅與氮化鋁之成份比例。另外可固定該氮化鋁靶材221之瓦數，並於氮氣氣氛下進行該基板24上氧化鋅薄膜成長，以有效控制III族相對於V族之成份比例。又該基板24係固定於該濺鍍系統20之試片夾持座25，以氮化鋁靶材221與氧化鋅靶材231之雙靶材，在基板不升溫的條件下成長摻雜氮化鋁之氧化鋅(ZnO:AlN)薄膜26於基板24上。

除了上述III-V族元素化合物之氮化鋁(AlN)作為摻雜物之靶材，氮化鎵(GaN)或氮化銦(InN)亦可作為摻雜物之靶材。此外，摻雜物亦可採IA族元素鋰(Li)、鈉(Na)或鉀(K)；IB族元素金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)；I-V族元素化合物之氮化鋰(LiN)、氮化銀(NAg)或氮化磷(NP)；或II-V族元素化合物之氮化鎂(MgN)。

本實施例係以濺鍍方法形成摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜26，亦可以採原子層沉積(Atomic Layer Deposition；ALD)方法或有機金屬化學氣相磊晶(MOCVD)方法形成該薄膜。

圖3例示本發明一實施例之活化氧化鋅薄膜之系統。由於初鍍成長之氧化鋅薄膜26，會因摻雜物－氮化鋁造成結晶結構較散亂排列，而使得該氧化鋅薄膜26呈現結晶性不好且存在著氧缺位。活化氧化鋅薄膜之系統30可選用波長為355nm(或不同波長亦可採用)之雷射產生器31來活化摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜26，該雷射產生器31之雷射光經過擴張器(expander)32及反射鏡33改變光束大小及方向，並利用均勻器(homogenizer)34及聚焦透鏡(focusing lens)35將強度為高斯分佈之雷射光束整型成平頂分佈之光束，並將均化後的雷射光投射在具有氧化鋅薄膜26之基板24上。該能量均勻之雷射平頂光束可均勻活化摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜26，雷射活化後使摻雜的氮化鋁與氮填補氧化鋅的氧缺位。

經活化後氮化鋁之氧化鋅薄膜26，其內部晶格重整與摻質定位，圖4A顯示雷射活化處理前後氧化鋅薄膜之X光繞射(XRD)分析之強度分佈圖形，經活化處理之氧化鋅薄膜因晶格重整而使得結晶性變佳，亦即活化後之氧化鋅結晶在C軸分向(ZnO(002))之強度增加很多。此外，圖4B顯示雷射活化處理前後氧化鋅薄膜之光穿透率量測結果，在可見光之波段，經活化處理之氧化鋅薄膜之穿透率明顯約提升10%。

可經由調整雷射之功率及發數來改變摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜26之活化結果，從而可控制其電特性之載子型態(N型或P型)及載子濃度。表一顯示不同雷射參數活化摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜之各種特性。當雷射功率在0.2W，發數為100發時，活化後摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜其載子型態呈現P型型態，載子濃度為約為1.04×10¹⁶ /cm³ 。當雷射發數增加到200發時，氧化鋅薄膜之電洞濃度增加至3.67×10¹⁷ /cm³ 。此外，當雷射功率在0.15W，發數為100發時，活化後摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜其載子型態呈現高電阻值(約1757.167 Ω-cm)之類似I型型態，載子濃度為約為1.37×10¹⁵ /cm³ 。又加大雷射功率在0.25W以上，發數同樣為100發時，活化後摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜其載子型態呈現N型型態，氧化鋅薄膜之載子濃度大於2.66×10¹⁸ /cm³ 。因此可以調整雷射之功率及發數來改變摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜26之載子型態(I型、N型或P型)及載子濃度。

表一：不同雷射參數活化摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜之各種特性

以低溫光致螢光(PL)頻譜分析摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜被活化前後之差異，於圖5頻譜中在3.342eV出現了A⁰ X之訊號，代表摻雜活化後氮化鋁中之N會填補氧化鋅的氧缺位，從而形成電洞。所形成P型氧化鋅薄膜中之氧缺位也有明顯的抑制，因此在摻質活化後形成更穩定之P型氧化鋅薄膜，其薄膜中氧缺位濃度的降低是關鍵因素。另外，上表一中雷射功率增加至0.25W時，活化處理後之氧化鋅薄膜其載子型態轉變為N型型態。若雷射功率持續增加時，其電子濃度也跟著微幅增加，其原因為雷射活化能量過高時，造成氧化鋅薄膜內氧原子向外擴散形成氧缺位，使電子濃度增加。

圖6A～6F係藉由調整雷射活化之參數在基板上形成具不同載子型態或載子濃度之氧化鋅薄膜之半導體元件。圖6A係於一基板61上以共濺鍍技術形成摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜，再將雷射光調整至合適之功率及發數等參數以照射該氧化鋅薄膜整個面積，從而形成一整層之P型氧化鋅薄膜62。在該P型氧化鋅薄膜62上以同樣方式形成另一摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜，又以不同之雷射光功率及發數照射，而形成一整層之N型氧化鋅薄膜63，如圖6B所示。該P型氧化鋅薄膜62和N型氧化鋅薄膜63上下堆疊在一起形成，從而形成具有PN接面(junction)之半導體元件。此等半導體結構可以應用於發光二極體、光電元件及太陽能電池。

圖6C係將雷射光調整至合適之功率及發數等數組參數，依序局部照射未活化之氧化鋅薄膜62c，從而形成P型氧化鋅區域631及N型氧化鋅區域632。同樣利用合適之雷射光照射參數改變未活化之氧化鋅薄膜62d之局部區域之載子濃度，可以形成相鄰接之P型氧化鋅區域641、I型氧化鋅區域642及N型氧化鋅區域643，亦即得到PIN元件，如圖6D所示。或利用合適之雷射光照射參數改變未活化之氧化鋅薄膜62e之局部區域之載子濃度，可以形成相鄰接之P型氧化鋅區域651、N型氧化鋅區域652及P型氧化鋅區域653，亦即得到PNP元件，如圖6E所示。若要得到NPN元件，則可如圖6F於未活化之氧化鋅薄膜62f上形成相鄰接之N型氧化鋅區域661、P型氧化鋅區域662及N型氧化鋅區域663。

利用此技術在氧化鋅薄膜上直接形成透明之半導體元件圖型，可減少光罩使用及蝕刻製程，進一步簡化半導體元件之製程以降低成本及縮短製程時間。

本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本揭露之教示及揭示而作種種不背離本揭露精神之替換及修飾。因此，本揭露之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本揭露之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

11．．．基板

12．．．N型氧化鋅層

13．．．Zn₃ P₂ 薄膜

20．．．濺鍍系統

21．．．真空腔體

22、23．．．濺鍍源

24．．．基板

25．．．夾持座

26．．．摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜

30．．．活化氧化鋅薄膜之系統

31．．．雷射產生器

32．．．擴張器

33．．．反射鏡

34．．．均勻器

35．．．聚焦透鏡

61．．．基板

62．．．P型氧化鋅薄膜

63．．．N型氧化鋅薄膜

62c～62f．．．未活化之氧化鋅薄膜

221．．．氮化鋁靶材

231．．．氧化鋅靶材

631、641、651、653、662．．．P型氧化鋅區域

632、643、652、661、663．．．N型氧化鋅區域

642．．．I型氧化鋅區域

圖1係美國專利案US6,624,442號之形成P型氧化鋅膜層之示意圖；

圖2例示本發明一實施例之形成氧化鋅薄膜之濺鍍系統；

圖3例示本發明一實施例之活化氧化鋅薄膜之系統；

圖4A顯示雷射活化處理前後氧化鋅薄膜之X光繞射分析之強度分佈圖形；

圖4B顯示雷射活化處理前後氧化鋅薄膜之光穿透率量測結果；

圖5顯示低溫光致螢光(PL)頻譜分析摻雜氮化鋁之氧化鋅薄膜被活化前後之頻譜圖；以及

圖6A～6F係藉由調整雷射活化之參數在基板上形成具不同載子型態或載子濃度之氧化鋅薄膜之半導體元件。

61．．．基板

62e．．．未活化之氧化鋅薄膜

651．．．P型氧化鋅區域

652．．．N型氧化鋅區域

653．．．P型氧化鋅區域

Claims

一種具有氧化鋅薄膜之半導體元件，包含：一基板；以及一含摻雜物之氧化鋅薄膜，係設於該基板上，又該氧化鋅薄膜之部分區域包含至少兩個具有不同載子型態之區域。
根據請求項1所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該摻雜物係氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)或氮化銦(InN)。
根據請求項1所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該摻雜物係鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、金(Au)、銀(Ag)或銅(Cu)。
根據請求項1所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該摻雜物係氮化鋰(LiN)、氮化銀(NAg)、氮化磷(NP)或氮化鎂(MgN)。
根據請求項1所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該兩個區域之載子型態分別係N型、P型及I型中任兩個型態。
根據請求項1所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該兩個區域之載子型態分別係N型型態及P型型態，該兩個區域形成一PN接面之元件。
根據請求項6所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其另包含一具P型載子型態之區域，該三個區域形成一PNP接面之元件。
根據請求項6所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其另包含一具N型載子型態之區域，該三個區域形成一NPN接面之元件。
根據請求項1所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該兩個區域之載子型態分別係N型型態及P型型態，另包含一於前述該兩個區域中間之具I型載子型態之區域，該三個區域形成一PIN接面之元件。
根據請求項1所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該活化處理係以雷射光照射該局部面積而改變載子型態及載子濃度。
一種具有氧化鋅薄膜之半導體元件，包含：一基板；以及一含摻雜物之氧化鋅薄膜，係設於該基板上，又局部包括至少一被活化摻雜物之區域。
根據請求項11所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該摻雜物係氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)或氮化銦(InN)。
根據請求項11所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該摻雜物係鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、金(Au)、銀(Ag)或銅(Cu)。
根據請求項11所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該摻雜物係氮化鋰(LiN)、氮化銀(NAg)、氮化磷(NP)或氮化鎂(MgN)。
根據請求項11所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該被活化摻雜物之區域係N型、P型或I型型態。
根據請求項11所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該被活化摻雜物之區域係N型型態，另包含一具P型載子型態之區域，該兩個區域形成一PN接面之元件。
根據請求項11所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該被活化摻雜物之區域係N型型態，另包含一具P型載子型態之區域，該兩個區域形成一PN接面之元件。
根據請求項17所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其另包含一具P型載子型態之區域，該三個區域形成一PNP接面之元件。
根據請求項17所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其另包含一具N型載子型態之區域，該三個區域形成一NPN接面之元件。
根據請求項11所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該被活化摻雜物之區域係N型型態，另包含兩分別具I型及P型載子型態之區域，該兩個區域形成一PIN接面之元件。
根據請求項11所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該區域係該含摻雜物之氧化鋅薄膜經活化處理之局部面積。
根據請求項21所述之具有氧化鋅薄膜之半導體元件，其中該活化處理係以雷射光照射該局部面積而改變載子型態及載子濃度。