TWI856875B

TWI856875B - 光偵測器及其製造方法

Info

Publication number: TWI856875B
Application number: TW112144389A
Authority: TW
Inventors: 陳瑞山; 王智祥
Original assignee: 國立臺灣科技大學
Priority date: 2023-09-06
Filing date: 2023-11-16
Publication date: 2024-09-21
Also published as: TW202512480A

Abstract

一種光偵測器包含下電極層、吸收層及上電極層。吸收層位於下電極層上，其中吸收層包含電子遷移率需大於300 cm ²/Vs同時大於電洞遷移率兩倍的材料。上電極層位於吸收層上，配置以吸收上電極周圍散射的高速光電子並留下慢速的光電洞，藉此產生正電荷於上表面與光電壓於吸收層，進而產生向下的光電流。

Description

光偵測器及其製造方法

本揭露是有關一種光偵測器以及一種光偵測器的製造方法。

在遠紅外線偵測的領域中，紅外線偵測器可以分為兩種，一種是能夠在室溫下運作的偵測器，而另一種則是致冷型的偵測器。一般而言，在室溫下運作的偵測器其訊號偵測率與影像解析度較低，並無法提供較為精確的測量，只有致冷型的偵測器才能提供較高的偵測率與解析度。

然而，上述非致冷型的偵測器通常因為暗電流過大，因此需要降溫到液態氮的溫度才能正常運作。這使得這一類的偵測器所需要的維護成本非常高，且因為降溫系統一般體積遠大於偵測器本身，也使得這類偵測器設置不易。

本揭露之一技術態樣為一種光偵測器。

根據本揭露之一實施方式，一種光偵測器包含下電極層、吸收層及上電極層。吸收層位於下電極層上，其中吸收層包含其電子遷移率需大於300 cm ²/Vs同時大於其電洞遷移率的兩倍的材料，吸收層配置以利用電子遷移率與電洞遷移率的極大差異產生光電流。上電極層位於吸收層上，配置以吸收光電流中的電子。

在本揭露之一實施方式中，吸收層包含內建電場向下的半導體-半導體接面、半導體-半金屬接面、半金屬-半金屬接面或其組合。

在本揭露之一實施方式中，上電極層的俯視形狀為梳狀、樹狀、網狀或螺旋狀至少其中一者。

在本揭露之一實施方式中，上電極層位於吸收層的溝槽內。

在本揭露之一實施方式中，上電極層與吸收層形成歐姆接觸或蕭特基接觸。

在本揭露之一實施方式中，光偵測器更包含基板。基板位於吸收層與下電極層之間。

在本揭露之一實施方式中，光偵測器更包含緩衝層。緩衝層位於基板與吸收層之間。

在本揭露之一實施方式中，上電極層的俯視形狀為矩形。

在本揭露之一實施方式中，上電極層的材料為包含氧化銦錫(ITO)或氧化鋁鋅(AZO)的透明導電薄膜。

在本揭露之一實施方式中，光偵測器更包含覆蓋層。覆蓋層位於吸收層上且環繞上電極層。

本揭露之另一技術態樣為一種光偵測器的製造方法。

根據本揭露之一實施方式，一種光偵測器的製造方法包含提供吸收層，其中吸收層包含其電子遷移率需大於300 cm ²/Vs同時大於其電洞遷移率的兩倍的材料，吸收層配置以利用電子遷移率與電洞遷移率的極大差異產生光電壓進而形成光電流；在吸收層上鍍上上電極層，其中上電極層配置以吸收散射的高速光電子，並在上電極層周圍破壞電中性，造成電洞的正電荷累積以產生光電壓；以及形成下電極層使吸收層位於上電極層與下電極層之間。

在本揭露之一實施方式中，提供吸收層包含在基板上形成吸收層。

在本揭露之一實施方式中，形成下電極層使吸收層位於上電極層與下電極層之間包含在基板背對吸收層的表面上形成下電極層。

在本揭露之一實施方式中，在基板上形成吸收層包含使用擴散或離子佈值形成吸收層。

在本揭露之一實施方式中，在基板上形成吸收層包含使用分子束磊晶、化學汽相沉積法、物理汽相沉積法、原子層沉積法或液相磊晶至少其中一者。

在本揭露之一實施方式中，在基板背對吸收層的表面上形成下電極層使下電極層與基板形成歐姆接觸或蕭特基接觸。

在本揭露之一實施方式中，光偵測器的製造方法更包含在吸收層上形成溝槽，其中溝槽的俯視形狀為梳狀、樹狀、網狀或螺旋狀至少其中一者；以及在溝槽內鍍上上電極層使上電極層與吸收層形成歐姆接觸或蕭特基接觸。

在本揭露之一實施方式中，光偵測器的製造方法更包含在基板上形成緩衝層；以及在緩衝層上形成吸收層。

在本揭露之一實施方式中，光偵測器的製造方法更包含在吸收層上形成覆蓋層；圖案化覆蓋層以形成裸露吸收層的開口；以及在開口中鍍上上電極層。

在本揭露之一實施方式中，在吸收層上鍍上上電極層使上電極層與吸收層形成歐姆接觸或蕭特基接觸。

在本揭露上述實施方式中，由於光偵測器的吸收層包含電子遷移率大於電洞遷移率的兩倍的材料，因此可以利用電子電洞遷移率的極大差異產生光電流，也因此可以在室溫下單獨運作，無須降溫系統的輔助，也可以在零偏壓下運作，便可以提供高偵測率(Detectivity)的遠紅外線偵測。

以下揭示之實施方式內容提供了用於實施所提供的標的之不同特徵的許多不同實施方式，或實例。下文描述了元件和佈置之特定實例以簡化本案。當然，該等實例僅為實例且並不意欲作為限制。此外，本案可在各個實例中重複元件符號及/或字母。此重複係用於簡便和清晰的目的，且其本身不指定所論述的各個實施方式及/或配置之間的關係。

諸如「在……下方」、「在……之下」、「下部」、「在……之上」、「上部」等等空間相對術語可在本文中為了便於描述之目的而使用，以描述如附圖中所示之一個元件或特徵與另一元件或特徵之關係。空間相對術語意欲涵蓋除了附圖中所示的定向之外的在使用或操作中的裝置的不同定向。裝置可經其他方式定向(旋轉90度或以其他定向)並且本文所使用的空間相對描述詞可同樣相應地解釋。

第1圖繪示根據本揭露之一實施方式的光偵測器100的剖面圖。參照第1圖，光偵測器100包含下電極層110、吸收層120及上電極層130。吸收層120位於下電極層110上，其中吸收層120包含電子遷移率大於300 cm ²/Vs同時大於電洞遷移率兩倍的材料，吸收層120配置以利用電子遷移率與電洞遷移率的極大差異產生光電流。上電極層130位於吸收層120上，配置以吸收光電流中的電子e。當半導體或半金屬材料(如吸收層120)受光線L激發時，會形成電子-電洞對。此時，由於某些特定材料(將於下文詳述)的電子遷移率夠高且與電洞遷移率相差非常大，因此電子會散射與擴散得遠比電洞快。當電子電洞對照光後產生在上電極層130周圍(例如上電極層130的邊界131及上電極層130與吸收層120的介面132)時，快速的電子(第1圖上方的e)會進入到上電極層130而留下慢速的電洞(第1圖的h)，這些失去電子的電洞會在上電極層130周圍形成正電荷，相較於沒有照光的下電極層110，便可在元件內部產生一個垂直向下的電場E，進而推動吸收層120內部載子的流動而產生光電流。具有高電子遷移率以及極大的電子遷移率與電洞遷移率的差距的代表性材料包含砷化銦(InAs)、銻化銦(InSb)、磷化銦(InP)，砷化鎵(GaAs)、銻化鎵(GaSb) 、砷化鎵銦(In _0.53Ga _0.47As)、汞鎘碲(Hg _1-xCd _xTe)、砷化鎘(Cd ₃As ₂)、上述材料的組合、上述的合金或其他合適的材料。表一為上述材料在室溫的條件下的電子遷移率及電洞遷移率：

材料	電子遷移率( )	電洞遷移率( )
砷化銦	30000	200
銻化銦	80000	800
磷化銦	4000	100
砷化鎵	8500	400
銻化鎵	5000	1000
砷化鎵銦	13800	500
汞鎘碲	10000	100
砷化鎘	15000	500

表一

可以從表一得知，上述材料在室溫的情況下，擁有極大的電子遷移率與電洞遷移率差異，其電子遷移率最少為其電洞遷移率的兩倍以上，甚至如銻化銦具有一百倍的差距。因此能夠拿來做為光偵測器100的吸收層120。下電極層110則配置以提供電子，以在光偵測器100內形成一個完整的電流迴路。在一些實施方式中，上電極層130與吸收層120之間形成歐姆接觸。在一些實施方式中，吸收層120與下電極層110之間形成歐姆接觸，且下電極層110被吸收層120覆蓋。上電極層130與吸收層120之間以及下電極層110與吸收層120之間形成歐姆接觸可以讓整個光偵測器100的電子收集效率提高，透過對吸收層120適當的電洞(P型)摻雜，可降低元件電阻並增加光電流，從而達到更高的偵測率與敏感度。適當的P型摻雜也可以避免吸收層120為N型半導體狀態下，經由照光後產生的反向熱電流（往上電極層130方向）與蕭特基接觸產生的反向光電流（往上電極層130方向），造成正向光電流（往下電極層110方向）的損失。

除了上述歐姆接觸的製作方式之外，上電極層130與吸收層120之間也可形成蕭特基接觸(Schottky contact)，因吸收層120一般會採用P型半導體，當P型半導體與上電極層130金屬形成蕭特基接面時，其內建電場方向會指向半導體吸收層120，這種內建電場E會在照光產生電子電洞時，將光電子加速推入金屬端，同時阻擋光電洞進入上電極層130。這設計在完美的歐姆接觸不易製作時，可以降低接觸電阻對光電子阻擋的作用，增加光電子進入電極的機率，進一步地提升光電壓與光電流產生效率。但是此設計並不適用下電極層110與吸收層120的接面，下電極層110接面仍以歐姆接觸為主。除非元件總電阻過小，仍可透過蕭特基接觸，增加阻擋層(blocking layer)等增加接觸電阻的方式提高元件總電阻與降低熱雜訊。

由於光偵測器100的吸收層120包含電子遷移率大於電洞遷移率的兩倍的材料，因此可以利用電子電洞遷移率的極大差異產生光電流，也因此可以在室溫下單獨運作，無須降溫系統與外加偏壓的輔助，便可以提供高偵測率與高解析度的遠紅外線偵測。

第2圖繪示根據本揭露之另一實施方式的光偵測器100a的立體圖。其中吸收層120a可以是單一材質，也可以是內部靠近表面的區域含有內建電場向下的半導體-半導體、半導體-半金屬或半金屬-半金屬接面區122，接面區122可以為例如NP接面，NIP接面，IP接面，P^-P接面或PP⁺接面，但不限於此。接面區122的目的在吸收光子後產生電子電洞對分離(此層也可稱為電子電洞分離層)，接著，快速的電子會進入到上表面的上電極層130，而留下慢速的電洞，這些失去電子的電洞空間位置上仍然較靠近吸收層120a的上表面，因此除了如第1圖的實施方式所述的上電極層130的邊界131與介面132附近的電洞(如第1圖的h或第2圖較靠上方的h)之外，這些由接面區122額外產生的電洞(第2圖較靠下方的h)可進一步增加正電荷數量，進而加強照光後在吸收層120垂直方向的向下電場E與光電流。

第3圖繪示根據本揭露之另一實施方式的光偵測器100b的立體圖。參照第3圖，光偵測器100b更包含基板140。基板140位於吸收層120以及下電極層110之間。在本實施方式中，上電極層130的俯視形狀為梳狀，之所以會製作成這樣的形狀，是因為在上電極層130的邊緣處(參第1圖)吸收電子的效率是最好的，也因此能夠保留最強的電場E(參照第1圖)。因此，透過將上電極層130的俯視形狀設計成梳狀，可以在有限的面積之內加長上電極層130梳狀部分的整體邊緣長度，提高藉由電子遷移率與電洞遷移率的極大差異產生的光電流的效率。在一些實施方式中，上電極層130的俯視形狀亦可為樹狀、網狀、螺旋狀等形狀，但本揭露並不侷限於此。在一些實施方式中，光偵測器100b更包含緩衝層150，緩衝層150位於基板140與吸收層120之間。若是吸收層120的材料與基板140的材料之間的晶格不匹配，則可以利用一層緩衝層150來緩解這個現象。緩衝層150的材料可以包含碲化鋅鎘(CdZnTe)，但本揭露並不侷限於此。

第4圖繪示根據本揭露之又一實施方式的光偵測器100c的立體圖。參照第4圖，光偵測器100c包含下電極層110、吸收層120、上電極層130a、基板140以及緩衝層150。本實施方式與第2圖的實施方式不同的地方在於，在本實施方式中，上電極層130a的俯視形狀為矩形，並且上電極層130a的材料為包含氧化銦錫(ITO)或氧化鋁鋅(AZO)等透明導電材料的薄膜。在本實施方式中，透明導電材料的整個上電極層130a皆可以作為收集光電子的區域。因為上電極層130a包含透明導電材料，因此下方的吸收層120可以照到光，照到光被激發之後的光電子再由透明導電材料構成的電極吸收，從而造成光電流。

第5圖繪示根據本揭露之再一實施方式的光偵測器100d的立體圖。參照第5圖，光偵測器100d包含下電極層110、吸收層120、上電極層130、基板140以及緩衝層150。本實施方式與第3圖的實施方式不同的地方在於，在本實施方式中，光偵測器100d更包含覆蓋層160，覆蓋層160位於吸收層120上且環繞上電極層130。覆蓋層160配置以避免吸收層120材料表面與空氣直接接觸，同時減少吸收層120表面的缺陷密度。覆蓋層160的材料可以包含碲化鋅鎘(CdZnTe)或其他絕緣材料，但本揭露並不侷限於此。

第6圖繪示根據本揭露之一實施方式的光偵測器100e的剖面圖。參照第6圖，光偵測器100e包含下電極層110、吸收層120b及上電極層130。吸收層120b位於下電極層110上，上電極層130位於吸收層120b上，配置以吸收光電流中的電子e。本實施方式與第1圖的實施方式不同的地方在於，在本實施方式中，吸收層120b具有溝槽124，且上電極層130的一部分位於溝槽124內。由於光電子進入上電極層130是藉由自發性的熱散射機制所推動，而光電子進入電極的數量則由其平均碰撞距離(mean collision length)決定，電子遷移率越大則平均碰撞距離越長，代表可進入電極的散射光電子越多。然而一般來說電子的平均碰撞距離皆小於1微米甚多，這導致本揭露中的正電荷產生區(主動區)深度較淺。然而光穿透深度在吸收層120(如第1圖的實施方式)又通常大於1微米，此結果將造成光偵測器的內部量子效率偏低。因此，可先透過蝕刻等方式在吸收層120b挖出電極圖案的溝槽124，再將金屬電極填入溝槽124。如此一來，可收集的電子範圍將不再侷限於靠近表層的電極周圍區域(如上電極層130的邊界131)，而是可隨著電極深度增加而增加(如光生正電荷區126的深度)。

應瞭解到，已敘述過的元件連接關係、材料與功效將不再重複贅述，合先敘明。在以下敘述中，將說明光偵測器的製造方法。

第7圖繪示根據本揭露之一實施方式的光偵測器的製造方法的流程圖。參照第7圖，一種光偵測器的製造方法包含下列步驟：首先在步驟S1中，提供吸收層，其中吸收層包含電子遷移率大於300cm²/Vs同時大於電洞遷移率的兩倍的材料，吸收層配置以利用電子遷移率與電洞遷移率的極大差異產生光電壓進而形成光電流；接著在步驟S2中，在吸收層上鍍上上電極層，其中上電極層配置以吸收散射的高速光電子，並在上電極層周圍破壞電中性，造成電洞的正電荷累積以產生光電壓；最後在步驟S3中，形成下電極層使吸收層位於上電極層與下電極層之間。

在一些實施方式中，光偵測器的製造方法並不限於上述步驟S1至步驟S3，舉例來說，步驟S1至步驟S3的每一者可包括其他更詳細的步驟。在一些實施方式中，步驟S1至步驟S3可在兩前後步驟之間進一步包括其他步驟，也可在步驟S1前進一步包括其他步驟，在步驟S3後進一步包括其他步驟。或者，也可以重複步驟S1到步驟S3之間的一些步驟。在以下敘述中，將至少詳細說明上述步驟。

參照第3圖，在第3圖的實施方式中，在基板140上形成吸收層120之前，會先在基板140上形成緩衝層150。接著，再形成吸收層120。形成吸收層120包含使用分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、化學汽相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)、物理汽相沉積法(Physical Vapor Deposition，PVD)原子層沉積法(Atomic Layer Deposition，ALD)、液相磊晶(Liquid Phase Epitaxy，LPE)上述的組合或其他適合的方法。或者，在其他實施方式中，也可以不形成緩衝層150，而是將基板140使用離子佈植或擴散的方式，在基板140的內部形成吸收層120，但本揭露並不侷限於此。以離子佈植或擴散的方式形成吸收層120可以形成如第2圖的實施方式的含接面區122的吸收層120a，或者也可以透過離子佈植或擴散的方式對整個吸收層120摻雜。

在一些實施方式中(如第5圖的實施方式)，接著，在吸收層120上形成覆蓋層160；接著，圖案化覆蓋層160以形成裸露吸收層120的開口；以及在此開口中的吸收層120上鍍上上電極層130。當上述覆蓋層160的開口的俯視形狀為梳狀時，在開口中的吸收層120上鍍上上電極層130便可讓上電極層130的俯視形狀為梳狀，並且上電極層130與吸收層120形成歐姆接觸或蕭特基接觸。在其他實施方式中，也可以不形成覆蓋層160而直接形成上電極層130(如第2圖的實施方式)或130a(如第4圖的實施方式)。

接著，形成下電極層110使吸收層120位於上電極層130與下電極層110之間。在一些實施方式中(如第1圖的實施方式)，下電極層110位於吸收層120背對上電極層130的表面上。在一些實施方式中(如第3圖的實施方式)，下電極層110位於基板140背對吸收層120的表面上。此步驟可讓下電極層110與吸收層120或基板140形成歐姆接觸。與上電極層130不同，下電極層110為整層均勻分布。

前述概述了幾個實施方式的特徵，使得本領域技術人員可以更好地理解本揭露的態樣。本領域技術人員應當理解，他們可以容易地將本揭露用作設計或修改其他過程和結構的基礎，以實現與本文介紹的實施方式相同的目的和/或實現相同的優點。本領域技術人員還應該認識到，這樣的等效構造不脫離本揭露的精神和範圍，並且在不脫離本揭露的精神和範圍的情況下，它們可以在這裡進行各種改變，替換和變更。

100,100a,100b,100c,100d,100e:光偵測器

110:下電極層

120,120a:吸收層

122:接面區

124:溝槽

126:光生正電荷區

130,130a:上電極層

131:邊界

132:介面

140:基板

150:緩衝層

160:覆蓋層

E:電場

S1,S2,S3:步驟

當與隨附圖示一起閱讀時，可由後文實施方式最佳地理解本揭露內容的態樣。注意到根據此行業中之標準實務，各種特徵並未按比例繪製。實際上，為論述的清楚性，可任意增加或減少各種特徵的尺寸。第1圖繪示根據本揭露之一實施方式的光偵測器的剖面圖。第2圖繪示根據本揭露之另一實施方式的光偵測器的剖面圖。第3圖繪示根據本揭露之又一實施方式的光偵測器的立體圖。第4圖繪示根據本揭露之再一實施方式的光偵測器的立體圖。第5圖繪示根據本揭露之再一實施方式的光偵測器的立體圖。第6圖繪示根據本揭露之一實施方式的光偵測器的剖面圖。第7圖繪示根據本揭露之一實施方式的光偵測器的製造方法的流程圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100b:光偵測器

110:下電極層

120:吸收層

130:上電極層

140:基板

150:緩衝層

Claims

一種光偵測器，包含：一下電極層；一吸收層，位於該下電極層上，其中該吸收層包含其一電子遷移率大於300cm²/Vs同時大於其一電洞遷移率的兩倍的材料，該吸收層配置以利用該電子遷移率與該電洞遷移率的差異產生一光電流；以及一上電極層，位於該吸收層上，配置以吸收該光電流中的電子。
如請求項1所述之光偵測器，其中該吸收層包含內建電場向下的半導體-半導體接面、半導體-半金屬接面、半金屬-半金屬接面或其組合。
如請求項1所述之光偵測器，其中該上電極層的俯視形狀為梳狀、樹狀、網狀或螺旋狀至少其中一者，且該上電極層與該吸收層形成歐姆接觸或蕭特基接觸。
如請求項3所述之光偵測器，其中該上電極層的一部分位於該吸收層的一溝槽中。
如請求項1所述之光偵測器，更包含：一基板，位於該吸收層與該下電極層之間；以及一緩衝層，位於該基板與該吸收層之間。
如請求項1所述之光偵測器，其中該上電極層的俯視形狀為矩形，且該上電極層為包含氧化銦錫(ITO)或氧化鋁鋅(AZO)的透明導電薄膜。
如請求項1所述之光偵測器，更包含：一覆蓋層，位於該吸收層上且環繞該上電極層。
一種光偵測器的製造方法，包含：提供一吸收層，其中該吸收層包含其一電子遷移率大於300cm²/Vs同時大於其一電洞遷移率的兩倍的材料，該吸收層配置以利用該電子遷移率與該電洞遷移率的差異產生光電壓進而形成光電流；在該吸收層上鍍上一上電極層，其中該上電極層配置以吸收散射的光電子，並在該上電極層周圍破壞電中性，造成電洞的正電荷累積以產生光電壓；以及形成一下電極層使該吸收層位於該上電極層與該下電極層之間。
如請求項8所述之光偵測器的製造方法，其中提供該吸收層包含：在一基板上形成該吸收層。
如請求項9所述之光偵測器的製造方法，其中形成該下電極層包含：在該基板背對該吸收層的一表面上形成該下電極層。