357_088-123CP-TW
發佈日期 :
2009-04-29
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號： | |
| ※申請日期： ※ＩＰＣ分類： | |
| 一、發明名稱： (中文/英文)
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| 一種高溫操作的高增益單晶碳化矽光電晶體之結構與製程 (全文下載)
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| 二、申請人： 共 人
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| 指定 為應受送達人
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| 三、發明人： | |
| ◎專利代理人： | |
| 四、聲明事項 | |
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| □主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
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| □主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
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| □ 主張專利法第二十六條微生物：
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| □ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存 | |
| 五、中文發明摘要： | |
| 一種可用於高溫操作的高增益單晶碳化矽光電晶體之結構與製程，有鑑於傳統n-p-n型之碳化矽光電晶體的光增益及工作溫度甚低，本發明採用一種發明n-i-p-i-n結構來加強元件於常溫及高溫下之光增益，使光電晶體可工作於高溫並提高輸出光增益，以使其運用於需高溫操作之光偵測器等。 | |
| 六、英文發明摘要： | |
| 七、指定代表圖： | |
| （一）本案指定代表圖為： | |
| （二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：
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| 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： | |
| 九、發明說明： | |
| 〔發明目的〕 本發明之目的，在提供一可工作於高溫且具高增益之光電晶體，可與目前矽之製程相容，且因n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體係成長於矽基板上，可節省成本又可與目前之矽VLSI技術相容而發展出特殊用途IC，以提昇半導體光偵測技術。 〔技術內容〕 有鑑於矽、非晶矽或Ⅲ-V族半導體材料之高增益光偵測器的操作溫度受限於攝氏一百度以下，而目前n-p-n型之碳化矽光電晶體光增益又很低，不適合實際應用，本發明採用一種新型的n-i-p-i-n結構來製作單晶碳化矽光電晶體。過去，非晶矽n-i-p-i-n光電晶體已被證實具有比非晶矽n-p-n光電晶體更大的光增益與更小的雜訊  能(請參閱參考文獻六及七)。 此單晶碳化矽n-i-p-i-n光電晶體係成長於矽基板上，其結構(請參閱圖一)，各層分別為集極電極(ITO)/集極(n-型單晶碳化矽)/i1低摻雜層(i-型單晶碳化矽)/基極(p-型單晶碳化矽)/i2低摻雜層(i-型單晶碳化矽)/射極(n-型單晶碳化)矽/射極電極(鎳)，基板採用(111)n-矽晶片，緩衝層則是為了減少碳化矽與矽之間的晶格不匹配效應，以成長出品質較佳的碳化矽薄膜。與傳統n-p-n型光電晶體最主要的不同在於介於基極與射極之間及基極與集極之間的兩個低摻雜層。 這個元件的設計是使兩個低摻雜層以及基極區(即p-SiC)在零偏壓下完全空乏，當外加集-射極偏壓大於零時，在集極與射極間便會形成一個三角形的位障(請參閱圖二a)。如圖所示，使得元件主要傳導機構成為是載子越過此三角形位障的熱遊子放射過程。當照光時，光激電子會移向集極，而光激電洞則會移向其位能的最低處(即基極之谷底)且部份聚集於該處(請參閱圖二b)如圖所示，這些聚集在基極的電洞會中和一些基極區中的負電荷，因而降低基極的三角形位障，導致有更多的電子得以越過此位障，使得光電流大量增加，如此元件便可獲得相當大的光增益。因為n-i-pi-n型光電晶體之傳導機構不同於n-p-n型光電晶體，所以雖然也會有由於缺陷所引起的基極內少數載子復合效應，但相對於照光時所引起的位障降低效應，其對元件光增益的影響不大，故當照光時SiCn-i-p-i-n光電晶體可獲得遠大於SiCn-p-n光電晶體光增益。 再者，n-i-p-i-n型光電晶體的位障降低量，可表示為(請參閱參考文獻六)。△ψb=(KT/q)ln(qψl/Jd) 其中ψl為光激載子通量，Jd為暗電流。 由公式可知，雖然溫度升高時，Jd的增加會使得△ψb減少，但同時溫度T的增加亦會使得△ψb增加，二者的交互作用使得溫度變化對△ψb的影響相對降低，如此溫度對光電流的影響也會降低，換言之，溫度變化對n-i-p-i-n型光電晶體之光增益的影響較小。因此結合碳化矽材料的高溫特性，SiCn-i-p-i-n光電晶體在高溫下亦可獲得遠大於S-iCn-p-n光電晶體光增益。 [圖式簡單說明] 圖一為n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體之結構圖；圖二為n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體的能帶圖；圖2a為n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體於平衡情況下之能帶圖；圖2b為n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體於正常偏壓下及照光情況下之能帶圖；圖三為n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體於不同溫度下測得的電流電壓特性圖；圖3a為光電流時電流電壓特性圖：為對入射光，波長500nm，功率為10-6瓦之n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體，於室溫攝氏二十五度及高溫攝氏三百度的特性圖；圖3b暗電流時電流電壓特性圖：為無入射光，之n-i--p-i-n型單晶碳化矽光電晶體，在攝氏二十五度至三百五十之間，電流電壓特性圖；圖四為溫度對n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體與n--p-n單晶碳化矽光電晶體的光電流與暗電流影響圖；圖五為光增益與溫度的關係圖；圖六為溫度對碳化矽與矽光電晶體之光增益的影響之比較圖。 〔較佳實施例一〕 請參閱以下有關本發明一較佳實例之詳細說明及其附圖，將可進一步瞭解本發明之技術內容及其目的功效； 圖一為n-i-p-i-n型單晶碳 化矽光電晶體之結構；各層分別為集極電極(ITO)/集極(n-型單晶碳化矽)/i1低摻雜層(i型單晶碳化矽)/基極(p-型單晶碳化矽)/i2低摻雜層(i-型單晶碳化矽)/射極(n-型單晶碳化)矽/射極電極(鎳)，基板採用(111)n-矽晶片，緩衝層則是為了減少碳化矽與矽之間的晶格不匹配效應，以成長出品質較佳的碳化矽薄膜； 圖二為n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體的能帶圖； 圖2a為n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體於平衡情況下之能帶圖； 圖2b為n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體於正常偏壓下反照光情況下之能帶圖； 圖三為n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體於不同溫度下測得之電流電壓特性，由圖中可看出光電流受到溫度的變化的影響較小，而暗電流受到溫度變化的影響較大； 圖四為溫度對n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體與n-p-n單晶碳化矽光電晶體的光電流與暗電流之影響，數據是對於波長為500nm，功率為10-6瓦的入射光，在10-V偏壓下，測量所得，由圖中可看出n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體之光電流受到溫度變化的影響最小； 圖五為光增益與溫度的關係圖，光增益是根據公式(請參閱參考文獻八)  求得，其中IC是集極光電流，ID是集極暗電流，Pin是入射光功率，λ是入射波長。在10-V偏壓下，對於波長500nm，功率為10-6W〔微瓦〕的入射光，於常溫(攝氏二十五度)下，n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體光增益約為一百四十五，而n-p-n碳化矽光電晶體光增益約只為八，最值得注意的是，在攝氏二百五十度時，n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體，光增益依然有一百零六，顯示其高溫操作之潛力； 圖六為溫度對碳化矽與矽光電晶體之光增益的影響之比較，由圖中可看出矽光電晶體之光益在攝氏一百度以上便急速下降，而碳化矽光電晶體之光增益在攝氏二百度以上才有比較明顯的下降，顯示碳化矽材料適合作為高溫光電元件之研發。 〔較佳實施例二〕 請參閱以下有關本發明一較佳實例之詳細說明及其附圖，將可進一步瞭解本發明之製程： 一、請參閱圖一，首先以一般清洗步驟準備好n-型矽晶片作為基板，置入成長系統中，抽真空至10-6Torr後，升溫至攝氏九百度，將HCL(10sccm)與H2(1.21pm)通入成長系統中，壓力為2.5Torr並維持十分鐘，以除去矽晶片上之原氧化層，而後降至室溫，並抽真空至10-6Torr。 二、在基板上成長一層2250埃之緩衝層。先將SiH4(12sccm)與H2(1.2lpm)通入成長系統中，成長壓力維持2.5Torr，升溫至攝氏一千兩百度，然後將C3H8通入成長系統中，其流速以由0逐漸增至10sccm。 三、成長一層550埃之n型單晶碳化矽薄膜(n2-layer)作為射極。成長條件為10sccmC3H8，12sccm PH3，12sccm SiH4，1.2lpmH2，2.5Torr，攝氏一千二百度。 四、成長一層550埃之p-型單晶碳化矽薄膜(i2-layer)作為低摻雜層。條件10sccm C3H8，0.03sccm B2H6，12sccm SiH4，1.2lpm H2，2.5Torr，攝氏一千二百度。 五、成長一層150埃之p型單晶碳化矽薄膜作為基極。條件為10sccm C3H8，12sccm B2H6，12sccm SiH4，1.2lpm H2，2.5Torr，攝氏一千二百度。 六、成長一層5500埃之p-型單晶碳化矽薄膜(il-layer)作為低摻雜層。條件為10sccm C3H8,0.03sccm B2H6,12sccm SiH4,1.2lpm H2, 2.5Torr攝氏一千二百度。 七、成長一層250埃之n型單晶碳化矽薄膜作為集極。條件為10sccm C3H8，12sccm B2H612sccm SiH4，1.2lpm H2，2.5Torr，攝氏一千二百度。 八、以光罩及電漿蝕刻出射極電極接觸區並設定元件之面積。 九、在射極電極接觸區鍍上鎳(Ni)，並做攝氏七百度，三十秒之退火，以形成射極電極。 十、最後，在集極上鍍上透明電極(ITO)，以形成集極電極。 〔特點及功效〕 一、大幅提高碳化矽光電晶體之光增益。n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體之光增益遠大於n-p-n碳化矽光電晶體之光增益(在攝氏二十五度下約為八)。 二、可於高溫下操作。於攝氏二百五十度時，n-i-p-i-n型單晶碳化矽光電晶體之光增益依然有一百零六，相對於目前現有之高增益光偵測器的操作溫度均受限於攝氏一百度以下，本發明實為半導體光偵測器之製作技術一大突破。 三、可與目前矽之製程相容。此n-i-p-i-n型單碳化矽光電晶體係成長於矽基板上，不僅降低節省成本，又可以目前之矽VLSI技術相容而發展特殊用途IC。 上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含本案之專利範圍中。 綜上所述，本案在單晶碳化矽光電晶體的結構及製造過程，利用矽自然的高溫安定特性，再加以高度發明加入兩個低摻雜層，使其比習知的光感測元件，更可工作於高溫，並能提高其光增益，應以充份符自然法則之技術思想之高度發明條件，爰依法提出申請，懇請核准本件發明型專利申請案，以勵發明，至感德便。 
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| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種高溫操下的高增益單晶碳化矽光電晶體之結構，係包含下列各層：第一層矽基板，係以(111)n-型矽晶片製作；第二層緩衝層，係在基板上成長一層2250埃製作；第三層n型單晶碳化矽作為射極，係在緩衝層上成長一層550埃製作；第四層i2低摻雜層，係在射極上成長一層550埃製作；第五層p型單晶碳化矽作為基極，係在低摻雜層上成長一層150埃製作；第六層i1低摻雜層，係在基極上成長一層5500埃製作；第七層n型單晶碳化矽作為集極，係在低摻雜層上成長一層250埃製作；集極電極，係在集極上鍍上透明電極製作；射極電極，係在射極接觸區鍍上鎳製作。 2.一種高溫操作下的高增益單晶碳化矽光電晶體之製程，係包含下列步驟：首先以一般清洗步驟準備好(111)n-型矽晶片作為基板，置入成長系統中，抽真空至10-6Torr後，升溫至攝氏九百度，將HCL(10sccm)與H2(1.21pm)通入成長系統中，壓力為2.5Torr並維持十分鐘，以除去矽晶片上之原氧化層，而後降至室溫，並抽真空至10-6Torr；在基板上成長一層2250埃之緩衝層，先將SiH4(12sccm)與H2(1.21pm)通入成長系統中，成長壓力2.5Torr，升溫至攝氏一千兩百度，然後將通入成長系統中，其流速以由0逐漸增至10sccm；成長一層550埃之n型單晶碳化矽薄膜(n2-layer)作為射極，成長條件為10sccm C3H8，12sccm pH3，12sccm SiH4，1.21pm H2，2.5Torr，攝氏一千二百度；成長一層550埃之p-型單晶碳化矽薄膜(i2-layer)作為低摻雜層，條件為10sccm C3H8，0.03sccm B2H6，12sccm SiH4，1.21pmH2，2.5Torr，攝氏一千二百度；成長一層150埃之p型單晶碳化矽薄膜作為基極，條件10sccmC3H8，12sccm B2H6,12sccm SiH4,1.21pm H2，2.5Torr，攝氏一千二百度；成長一層5500埃之p-型單晶碳化矽薄膜(il-layer)作為低摻雜層，條件為10sccm C3H8，0.03sccm B2H6，12sccm SiH4，1.21pm H2，2.5Torr，攝氏一千二百度；成長一層250埃之n型單晶碳化矽薄膜作為集極，條為10sccmC3H8，12sccm SiH4,1.21pm H2,2.5Torr,攝氏一千二百度；以光罩及電漿蝕刻出射極電極接觸區並設定元件之面積，在射極電極接觸區鍍上鎳(Ni)，並做攝氏七百度，三十秒之退火，以形成射極電極；在集極上鍍上透明電極(ITO)，以形成集極電極 |
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| 十一、圖式： | |
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