TWI841366B - 雙波段薄膜電晶體檢光器 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種雙波段薄膜電晶體檢光器，其利用原子層沉積背閘極結構的氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體，且在氧化鋅鋁鉿通道層表面製作金奈米粒子結構，除了可偵測光子能量相當於氧化鋅鋁鉿半導體能隙之紫外光外，並對光子能量小於氧化鋅鋁鉿半導體能隙的可見光及近紅外光波段具有高響應度之檢光功能，可應用於檢光器及光生化檢測。
Description
本發明涉及薄膜電晶體之技術領域，具體涉及一種雙波段薄膜電晶體，尤指一種可提升光電響應度，並可將高能隙、透明的氧化鋅鋁鉿薄膜電晶體應用於可見光-近紅外光波段的光檢測器。
按，隨著科技的日益發展，透明薄膜電晶體被廣泛的應用於光檢測器、太陽能電池及光生化檢測中。其中光檢測器在日常生活中應用非常廣泛，例如智慧行動裝置、穿戴式裝置、安全防護設備中皆是應用的範疇。而目前能將光訊號轉換為電訊號的光檢測器〔Photodetector〕的做法分別是採用真空管的光倍增管〔Photo-Multiplier Tube,PMT〕、使用矽材料的光檢測器、以及使用寬能隙材料之光檢測器。其中光倍增管的成本高、需要高操作電壓、而且真空管容易破碎。而矽光檢測器則具有製作容易、成本低廉、與低操作電壓等特性，因此紫外光檢測元件仍然以使用矽材料之光二極體所構成，但受限於矽之能隙在室溫下僅僅只有1.2eV，且矽基光二極體之最靈敏波長並非落在紫外光區域以致於在紫外光區域的響應非常低。因此，若以寬能隙材料製作之光檢測器，由於寬能隙材料可以具有較大的能隙〔Band Gap〕，將非常適合應用於紫外光的偵測。
而氧化鋅〔zinc oxide，ZnO〕之能隙約為3.3eV，屬於II-VI族寬能隙半導體材料，恰好是在藍光到UV光的波段，因此廣泛的應用在光檢測器、發光二極體、太陽能電池、雷射元件及光生化檢測器，但由於氧化鋅對光學的特性限制，因此只限於紫外光的檢測，為了改善
所製造的元件特性，目前有部分研究試圖在氧化鋅層形成各種不同的構造，例如表面粗糙化、形成微結構或成長奈米顆粒等，該些具有微結構的氧化鋅層在製造上頗為不便，且其特性表現仍不甚佳，尤其是應用在光檢測器之方面。
因此，為了解決上述問題，有需要開發不同材料或結構技術來延伸檢測的可見光波段是必要的發展趨勢，其係業界所期待者，亦係本發明所欲探討者。
因此，本發明之主要目的係在提供一種應用氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體之雙波段薄膜電晶體檢光器，藉以能利用高能隙、透明的氧化鋅鋁鉿薄膜電晶體造成的電流放大效應，除了可偵測光子能量相當於氧化鋅鋁鉿半導體能隙之紫外光，並且對於光子能量小於氧化鋅鋁鉿半導體能隙的可見光及近紅外光波段具有高響應度檢光功能。
又，本發明之另一主要目的係在提供一種應用氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體之雙波段薄膜電晶體檢光器，其能於氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體上利用金奈米粒子的電流放大效應，解決蕭基二極體結構對於電漿熱電子低響應度之問題，而能進一步被應用於光電模組、感測顯示、生化檢定及太陽能電池方面中，提高其實用性。
基於此，本發明主要係透過下列的技術手段，來具體實現前述之目的及功效，其具有一氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體，該氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體係於一玻璃基板上生成有一透明導電膜，且於該透明導電膜上沉積生成一由氧化鋁和二氧化鉿之定義絕緣層，並以原子層沉積方式成長氧化鋁/氧化鉿/氧化鋅奈米層堆疊結構透形成數位摻雜之一氧化鋅鋁鉿通道層，且該氧化鋅鋁鉿通道層表面具有間隔之一源極及一汲極，並在該氧化鋅鋁鉿通道層之該源極與該汲極間的表面以熱退火製
備自組成金奈米粒子，且該金奈米粒子之粒徑小於入射光波長。
藉此，本發明之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體透過上述的薄膜電晶體造成的電流放大效應，可提升光電響應度，將使高能隙、透明的氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體能應用於可見光-近紅外光波段的檢光器，並使得本發明之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體進一步可應用在光電模組、光生化檢定等方面，大幅提升其應用面與實用性，可增進其經濟效益。
且本發明並利用下列的技術手段，進一步實現前述之目的及功效；其包含：所述之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體的金奈米粒子粒徑為400nm以下。
所述之氧化鋅鋁鉿通道層之厚度小於20nm。
所述之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體的氧化鋅鋁鉿通道層係由二氧化鉿及氧化鋁薄層作為氧化鋅的數位摻雜層而形成，其中氧化鋅與二氧化鉿及氧化鋁厚度比=8.5~14.5：1。
所述之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體的定義絕緣層分別為150nm之氧化鋁及50nm之二氧化鉿疊層，其中該氧化鋅鋁鉿通道層的厚度為14nm，並以0.2nm的二氧化鉿及氧化鋁薄層作為氧化鋅的數位摻雜層而形成氧化鋅鋁鉿通道層，其中氧化鋅與二氧化鉿及氧化鋁厚度比=10：1，其中氧化鋅為2nm與二氧化鉿及氧化鋁各為0.2nm，以此成長三對氧化鋅鋁鉿再於其上成長0.8nm的氧化鋅，最後鍍上5nm之金薄膜，並進行熱退火形成自組成40nm~50nm的金奈米粒子。
為使 貴審查委員能進一步了解本發明的構成、特徵及其他目的，以下乃舉本發明之若干較佳實施例，並配合圖式詳細說明如後，同時讓熟悉該項技術領域者能夠具體實施。
100:氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體
10:玻璃基板
11:透明導電膜
20:定義絕緣層
21:氧化鋁
22:二氧化鉿
25:氧化鋅鋁鉿通道層
26:源極
27:汲極
28:背閘極
30:金奈米粒子
第一圖：為本發明之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體的構造示意圖。
第二圖：為本發明之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體於入射光波的示意圖。
第三圖：為本發明之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體中金奈米粒子與薄膜電晶體形成熱電子之示意圖。
第四圖：為本發明之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體的特性，其中(A)為I-V特性曲線；(B)為電漿子電晶體於黑暗條件下的傳輸特性曲線；(C)為金奈米粒子形成於半導體表面之狀態；(D)為40nm~50nm金奈米粒子的透射率。
第五圖：為本發明之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體另一實施例，其中(A)為結構示意圖；(B)為在綠光的環境下IV特性曲線；(C)為在UV光的環境下之IV特性曲線；(D)為其響應度光譜圖。
第六圖：為本發明之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體較佳實施例在高偏壓下測量之光響應度示意圖，其中(A)為綠光〔波長550nm〕在VGS之光響應度；(B)為綠光〔波長550nm〕在VDS之光響應度；(C)為UV光〔波長350nm〕在VGS之光響應度；(D)為UV光〔波長350nm〕在VDS之光響應度。
第七圖：為本發明之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體較佳實施例透過軟體模擬不同的金奈米粒子直徑呈現的最高吸收率與吸收波長之示意圖。
本發明係一種雙波段薄膜電晶體，以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之技術內容，使熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點與功效。然本發明亦可藉由其他不同
的具體實施形態加以施行或應用。
如第一圖所示，本發明之雙波段薄膜電晶體檢光器係透過原子層沉積一背閘極(28)結構生成的氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體(100)，該氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體(100)係於一玻璃基板(10)上生成有一透明導電膜(11)〔ITO〕，並於該透明導電膜(11)上沉積生成一由氧化鋁(21)〔Al2O3〕和二氧化鉿(22)〔HfO2〕之定義絕緣層(20)，並以原子層沉積方式〔Atomic Layer Deposition,ALD〕成長氧化鋁/氧化鉿/氧化鋅奈米層堆疊結構形成數位摻雜之一氧化鋅鋁鉿通道層(25)〔AHZO Channel〕，該氧化鋅鋁鉿通道層(25)之厚度小於20nm，且該氧化鋅鋁鉿通道層(25)表面具有間隔之一源極(26)〔Source〕及一汲極(27)〔Drain〕，並在該氧化鋅鋁鉿通道層(25)之該源極(26)與該汲極(27)間的表面以熱退火製備自組成金奈米粒子(30)〔Au nanoparticles，Au NPs〕，且該金奈米粒子(30)之粒徑小於入射光波長，本發明之金奈米粒子(30)粒徑為400nm以下，且該金奈米粒子(30)的粒徑以40nm~50nm為最佳實施例，而完成整合金奈米粒子(30)與薄膜電晶體之電漿子電晶體。
而如第二、三圖及第四(A)~四(D)圖所示，其中第二圖為入射光波形成熱電子的示意圖、第三圖為金奈米粒子與薄膜電晶體形成蕭基能障之示意圖、第四(A)圖為I-V特性曲線、第四(B)圖為電漿子電晶體於黑暗條件下的傳輸特性曲線、第四(C)圖為金奈米粒子形成於半導體表面之狀態；第四(D)圖為40nm~50nm金奈米粒子的透射率。而在以該透明導電膜(11)為背閘極(28)〔Back gate〕結構的透明氧化鋅鋁鉿通道層(25)表面製作粒徑尺寸遠小於入射光波長的金奈米粒子(30)，如40nm~50nm，由於入射光子的電場與金屬的自由電子形成電漿共振態，藉由金奈米粒子(30)表面的碰撞造成朗道阻尼〔Landau
Damping〕，而將光子能量ħω予金奈米粒子(30)中的電子，形成熱電子，這些熱電子將以熱游子放射〔thermionic emission〕或穿隧〔tunneling〕越過金/N型氧化鋅鋁鉿蕭基能障〔Schottky barrier〕，注入到電晶體的氧化鋅鋁鉿通道層(25)。入射的熱電子受背閘極(28)之電場〔VGS>0〕趨動，累積於半導體/氧化層的介面，使得通道層的導電度σ=neμ因電子濃度n增加而增加，等效於減小電晶體臨界電壓〔threshold voltage,Vth〕，進而使得在飽和區操作的電晶體汲極電流〔IDS，公式(1)〕變大，獲得放大熱電子信號的效果，達成高檢光響應度。
而本發明在如第五(A)圖之另一具體實施例中，以具透明導電膜(11)之玻璃基板(10)作為背閘極(28)薄膜電晶體〔back-gate TFT〕，且閘極氧化層為200nm之定義絕緣層(20)，其分別為150nm之氧化鋁(21)及50nm之二氧化鉿(22)疊層，並以二氧化鉿〔HfO2〕及氧化鋁〔Al2O3〕薄層作為氧化鋅〔ZnO〕的數位摻雜層而形成氧化鋅鋁鉿通道層(25)，而其中氧化鋅〔ZnO〕與二氧化鉿〔HfO2〕及氧化鋁〔Al2O3〕厚度比=8.5~14.5：1，本發明之氧化鋅鋁鉿通道層(25)的厚度為14nm，並以0.2nm的二氧化鉿〔HfO2〕及氧化鋁〔Al2O3〕薄層作為氧化鋅〔ZnO〕的數位摻雜層而形成氧化鋅鋁鉿通道層(25)，本發明之氧化鋅〔ZnO〕與二氧化鉿〔HfO2〕及氧化鋁〔Al2O3〕厚度比以10：1〔其中氧化鋅為2nm：二氧化鉿為0.2nm及氧化鋁為0.2nm〕、且以此成長三對氧化鋅鋁鉿〔(2+0.2+2+0.2)×3=13.2nm〕再於其上成長0.8nm的氧化鋅為最佳實例，最後鍍上5nm之金薄膜，並進行熱退火形成自組成40nm~50nm的金奈米粒子(30)。
而透過前述5nm的金薄膜在320度12分鐘下進行快速熱
退火形成40nm~50nm的金奈米粒子(30)，在黑暗的條件下，TFT有電流開關比為4.8x104，S.S值為3.7V/dec，臨界電壓Vth為-12.7V。而透過第五(B)圖為在綠光〔波長550nm〕的環境下電壓為LED偏壓之IV特性曲線，電漿子電晶體擁有較顯著的電流增益1.6x10-5A。然而，如第五(C)圖為在UV光〔波長350nm〕的環境下電壓為LED偏壓之IV特性曲線，因為氧化鋅能隙的吸收呈現顯著的電流增益6.6x10-5A，因電漿子電晶體的綠光光電流是由金奈米粒子透過局限表面電漿共振激發熱電子，而透過第五(D)圖之響應度光譜圖可以證實上述，其中在VGS=2V、VDS=2-3V的低偏壓下測量，峰值分別在l=350nm(能隙吸收)及550nm(LSPR)。
第六圖為在高偏壓下測量光響應度，其中第六(A)、六(B)圖分別為綠光〔波長550nm〕在VGS及VDS之光響應度，而第六(C)、六(D)圖則分別為UV光〔波長350nm〕在VGS及VDS之光響應度，藉由場效電晶體放大電漿熱電子之入射電流獲得較高的光響應，有別於文獻中常見檢測表面電漿共振熱電子的低響應度(Responsivity,R<10-4A/W)金屬-半導體-金屬(MSM)蕭基半導體元件，提升將近105的數量級。
另如第七圖，則為透過軟體模擬不同的金奈米粒子(30)直徑呈現的最高吸收率與吸收波長，隨著直徑增加吸收波長則紅移，因此，將繼續增加元件的金奈米粒子(30)直徑以偵測近紅外光的波段。
藉由上述的特色說明，本發明之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體(100)利用在厚度小於20nm的氧化鋅鋁鉿通道層(25)表面製作粒徑100nm以下等級的金奈米粒子(30)結構，研發整合金奈米粒子(30)與薄膜電晶體之電漿子電晶體〔Plasmon FET〕。用以當可見光-近紅外光入射時，其光子與金奈米粒子(30)中的電子形成侷限表面電漿共振
(Localized surface plasmon resonance,LSPR)，產生熱電子穿越金奈米粒子(30)/氧化鋅鋁鉿之蕭基能障，注入氧化鋅鋁鉿通道層(25)，增進氧化鋅鋁鉿通道層(25)的導電率，使得薄膜電晶體的汲極電流增加，成為除了可偵測光子能量相當於氧化鋅鋁鉿半導體能隙之紫外光，並且對於光子能量小於氧化鋅鋁鉿半導體能隙的可見光及近紅外光波段〔l=550-1050nm〕具有高響應度檢光功能，有別於現有常見檢測表面電漿共振熱電子的低響應度〔Responsivity,R<10-4A/W〕金屬-半導體-金屬〔MSM〕蕭基半導體元件，本發明利用薄膜電晶體造成的電流放大效應，可提升光電響應度R>10A/W，將高能隙、透明的氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體(100)能應用於可見光-近紅外光波段〔l=550-1050nm〕的檢光器，並使得本發明之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體(100)進一步可應用在光電模組、光生化檢定等方面。
上述實施例僅為本發明的優選實施方式，不應當用於限制本發明的保護範圍，但凡在本發明的主體設計思想和精神上作出的毫無實質意義的改動或潤色，其所解決的技術問題仍然與本發明一致的，均應當包含在本發明的保護範圍之內。
藉此，可以理解到本發明為一創意極佳之創作，除了有效解決習式者所面臨的問題，更大幅增進功效，且在相同的技術領域中未見相同或近似的產品創作或公開使用，同時具有功效的增進，故本發明已符合發明專利有關「新穎性」與「進步性」的要件，乃依法提出申請發明專利。
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30:金奈米粒子
Claims (5)
- 一種雙波段薄膜電晶體檢光器，其具有一氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體，該氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體係於一玻璃基板上生成有一透明導電膜，且於該透明導電膜上沉積生成一由氧化鋁和二氧化鉿之定義絕緣層，並以原子層沉積方式成長氧化鋁/氧化鉿/氧化鋅奈米層堆疊結構透形成數位摻雜之一氧化鋅鋁鉿通道層，且該氧化鋅鋁鉿通道層表面具有間隔之一源極及一汲極，並在該氧化鋅鋁鉿通道層之該源極與該汲極間的表面以熱退火製備自組成金奈米粒子，且該金奈米粒子之粒徑小於入射光波長。
- 如請求項1所述之雙波段薄膜電晶體檢光器，其特徵在於：所述之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體的金奈米粒子粒徑為400nm以下。
- 如請求項1所述之雙波段薄膜電晶體檢光器，其特徵在於：所述之氧化鋅鋁鉿通道層之厚度小於20nm。
- 如請求項1~3中任一項所述之雙波段薄膜電晶體檢光器，其特徵在於：所述之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體的氧化鋅鋁鉿通道層係由二氧化鉿及氧化鋁薄層作為氧化鋅的數位摻雜層而形成，其中氧化鋅：二氧化鉿之厚度比為(8.5~14.5)：1、該氧化鋅：氧化鋁之厚度比為(8.5~14.5)：1。
- 如請求項4所述之雙波段薄膜電晶體檢光器，其特徵在於：所述之氧化鋅鋁鉿透明薄膜電晶體的定義絕緣層分別為150nm之氧化鋁及50nm之二氧化鉿疊層，其中該氧化鋅鋁鉿通道層的厚度為14nm，並以0.2nm的二氧化鉿及氧化鋁薄層作為氧化鋅的數位摻雜層而形成氧化鋅鋁鉿通道層，其中氧化鋅：二氧化鉿之厚度比為10：1、而該氧化鋅：氧化鋁之厚度比為10：1，其中該氧化鋅 為2nm、而該二氧化鉿為0.2nm及該氧化鋁為0.2nm，並以此成長三對氧化鋅鋁鉿再於其上成長0.8nm的氧化鋅，最後鍍上5nm之金薄膜，並進行熱退火形成自組成40nm~50nm的金奈米粒子。
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