248_088-197CP-TW

:::

248_088-197CP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

DTD版本：

1.0.0

發明專利說明書


※申請案號：087108913	※I P C 分類：G01N27/12

一、	發明名稱：
	鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器(全文下載)

二、

中文發明摘要：

本發明是在研製一種新型、簡易、體積小的鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器。首先利用分子束磊晶成長法於半絕緣型砷化鎵基板上成長一層品質良好的未摻雜型砷化鎵緩衝層及一層n型砷化鎵磊晶膜，其濃度約為2x10¹⁷cm^-3，然後再利用真空蒸鍍的技術，於n型砷化鎵磊晶膜上面蒸鍍一層鈀薄膜。由於鈀金屬對氫氣具有極高之選擇性與敏感性，當氫氣分子經過鈀薄膜表面時會解離成氫原子，部份氫原子擴散深入鈀薄膜內部，並於金屬-半導體界面附近形成氫-鈀之化合物，這種化合物會有效降低鈀金屬之功函數，此將導致鈀金屬/砷化鎵半導體介面之肖特基障壁高度隨之降低，因而改變元件之電流-電壓特性。實驗結果顯示，於氫化過程中，肖特基二極體之順向及反向偏壓電流均隨氫氣含量增加而增加，此即說明了肖特基障壁高度確實會隨氫濃度之增加而降低。因此，本元件結構可用以製作性能良好之氫氣感測器。

三、

英文發明摘要：

In this invention, we will develop and fabricate a new, simple and small-size hydrogen-sensitive palladium (Pd) membrane/semiconductor Schottky diode sensor. First, a high-quality undoped GaAs buffer layer and an n-type GaAs epitaxial layer with the carrier concentration of 2x10¹⁷cm^-3 is grown by molecular beam epitaxy (MBE) on a semi-insulated GaAs substrate. Then a thin Pd membrane is evaporated on the surface of the n-type GaAs epitaxial layer by the vacuum evaporation technique. It is well known that palladium metal has excellent selectivity and sensitivity on hydrogen gas. When hydrogen gas diffuses to the Pd membrane surface, the hydrogen molecules will dissociate into hydrogen atoms. Some of the hydrogen atoms diffuse through the thin metal layer and form the palladium hydride near the metal-semiconductor interface. The hydride may effectively lower the work function of Pd metal. The lowering of work function results in the reduction of Schottky barrier height at Pd metal-GaAs semiconductor interface and the modification in the measured current-voltage characteristics of the studied device. Experimental results reveal that, during the hydride formation process, the forward-and reverse-biased currents are increased by the increase of hydrogen concentration. It also demonstrates that the Schottky barrier height is indeed decreased with increasing the hydrogen concentration. Therefore, the studied device can be used in fabricating a high-performance hydrogen-sensitive sensor.

四、	指定代表圖：
	(一)本案指定代表圖為：第（　　）圖
	(二)本代表圖之元件符號簡單說明：

五、	本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

六、	發明說明：
	【發明所屬之技術領域】
[0001]	本發明為一種新型、簡易、體積小的鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器之結構與組成。
	【先前技術】
[0002]	近年來氣體感測器已廣泛地應用於工業製程的控制，環境污染的防治以及醫療診斷上。氫氣因其具有爆炸之危險性，所以氫氣含量的檢測很早就引起人們的重視與研究。在各種氫氣感測器中，鈀薄膜系列之相關感測器甚受矚目。其主要原因為鈀金屬具有良好之觸媒活性，它可以將靠近其表面的氫分子分解成氫原子，部份氫原子擴散至鈀金屬內而被吸附在鈀金屬與下層半導體或絕緣層之界面附近，這些氫原子經電解極化後會降低鈀金屬之功函數，進而影響其輸出之電氣特性。I. Lundstrom 等人早於1975年J. Appl. Phys.,第46卷第3876頁即提出具有鈀閘極(Pd gate)之矽基板金-氧-半場效電晶體(MOS field-effect transistor)，這種電晶體結構對氫氣具有相當敏感的檢測特性。但因電晶體結構較為複雜，加上需要一層品質良好的二氧化矽(SiO₂)絕緣層被覆於矽基板上面，使其製程困難度與成本均相對提高。另一種較簡易的結構是直接將鈀金屬直接鍍於半導體基板上形成肖特基障壁(Schottky barrier)，然後於氫化過程中，利用降低鈀金屬功函數，減少肖特基障壁高度，來達到調整輸出電流特性的目的。早期的肖特基二極體式氫氣感測器是將鈀金屬鍍在II-VI族半導體(A)之基板上，如M.C.Steele等人於1976年Appl. Phys. Lett.,第28卷第687頁提出鈀-硫化鎘(Pd-CdS)結構，以及k.Ito於1978年Surf. Sci.第86卷第345頁提出鈀-氧化鋅(Pd-ZnO)結構。這些肖特基二極體式元件皆可用作氫氣檢測之用。其採用II-VI族半導體基板之理由，是因為第IV族及III-V族半導體基板之表面狀態(surface states)密度較高，因而其障壁高度與金屬功函數之關係較不密切。
[0003]	在本發明中，我們將提出一種新型之肖特基二極體式氫氣感測器。在此感測器中，肖特基障壁的建立是藉由鈀金屬薄膜蒸鍍於III-V族半導體砷化鎵(GaAs)之表面上。為了減少半導體之表面狀態密度，我們以分子束磊晶成長技術於半絕緣型砷化鎵基板上，成長一層品質良好的未摻雜型砷化鎵緩衝層及一層n型砷化鎵磊晶膜，然後利用真空蒸鍍技術透過圓型金屬罩(metal mask)將鈀金屬薄膜鍍在n型砷化鎵磊晶膜上面。由於砷化鎵磊晶膜之表面狀態密度較其基板顯著減少，因此，於氫化過程中，鈀金屬功函數的減少將會直接造成其肖特基障壁高度的降低，進而改變輸出之電流一電壓特性，達到對氫氣敏感度檢測的目的。本發明之優點為元件結構簡單，製程簡易，體積小，在實際應用上將頗具潛力。另外，III-V族半導體技術遠較II-VI族半導體成熟、穩定。因此，本發明之感測器亦可與其他III-V族元件(如高速電晶體，雷射…)組成性能優越而廣泛之光電積體智慧型感測電路。
[0004]	1. I. Lundstrom, M. S. Shivaraman and C. Svensson,J. Appl. Phys., 46, 3876 (1975).
[0005]	2. M. C. Steele and B. A. Maclver, Appl. Phys. Lett., 28, 687 (1976).
[0006]	3. K.Ito, Surface Science,86,345(1978)
[0007]	4. M. Armgarth and C. Nylander, Appl. Phys. Lett., 39,91(1981).
[0008]	5. S.R.Morrison, Sensors and Actuators, 2,329(1982).
[0009]	6. A.Sibbald, IEE Proc.,130,233(1983).
[0010]	7. C.C.Wen, T.C.Chen, and J.N. Zemel, IEEE Trans. Electron Devices,26,1945(1979).
[0011]	8. H.Wohltjen, Anal. Chem.,56,87A(1984).
	【發明內容】
[0012]	本發明主要目的，是在研製一種新型、簡易、體積小的鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器，其包括：一基板，一緩衝層，係由GaAs材料形成；一主動層，係由GaAs材料形成；一歐姆性接觸金屬層；一肖特基接觸金屬層。
[0013]	本發明另一目的，揭示利用分子束磊晶成長法於半絕緣型砷化鎵基板上成長一層品質良好的未摻雜型砷化鎵緩衝層及一層n型砷化鎵磊晶膜，其濃度約為2x10¹⁷cm^-3，然後再利用真空蒸鍍的技術，於n型砷化鎵磊晶膜上面蒸鍍一層鈀薄膜。
[0014]	本發明案為開發新型鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器。為使更進一步了解本發明之特點及技術內容，請參閱有關本發明之附圖及詳細說明。然而所附圖示僅提供參考說明用，並非用來對本發明加以限制者。
	【實施方式】
	【圖式簡單說明】
[0021]	圖1係本發明之鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器結構圖
[0022]	圖2本元件在氫化測試過程中，於順向偏壓下之電流-電壓特性曲線。a…‧空氣b…H₂=1% c…H₂=2% d…‧H₂=3% e…‧H₂=4% f…H₂=5%
[0023]	圖3肖特基障壁高度偏移量對測試環境中氫氣濃度之關係圖。
[0024]	條件-為順向偏壓下，電流固定於10 μA時，障壁高度偏移量即未加入氫氣時之電壓值減掉加入氫氣時之電壓值
[0025]	圖4為本元件在氫化測試過程中，於反向偏壓下之電流-電壓特性曲線。a…‧空氣b…H₂=1% c…H₂=2% d…‧H₂=3% e…‧H₂=4% f…H₂=5%
[0026]	圖5為本元件在氫化測試過程中電流對時間之響應圖。
	【主要元件符號說明】
[0015]	10‧‧‧鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器
[0016]	12‧‧‧砷化鎵材料形成之基板
[0017]	14‧‧‧砷化鎵材料形成之緩衝層
[0018]	16‧‧‧砷化鎵材料形成之主動層
[0019]	18‧‧‧金-鍺合金歐姆性接觸金屬層
[0020]	20‧‧‧鈀薄膜肖特基接觸金屬層

七、

申請專利範圍：

1.一種新型鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器，其包括：一基板，一緩衝層，係由GaAs材料形成；一主動層，係由GaAs材料形成；一歐姆性接觸金屬層；一肖特基接觸金屬層。
2.如申請發明範圍第1項之鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器，其中基板係由半絕緣型GaAs形成。
3.如申請發明範圍第1項之鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器，其中緩衝層係由i-GaAs材料形成。
4.如申請發明範圍第1項之鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器，其中主動層係由n-GaAs材料形成。
5.如申請發明範圍第1項之鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器，其中歐姆性接觸金屬層係由Au/Ge (88%/12%)合金材料形成。
6.如申請發明範圍第1項之鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器，其中肖特基接觸金屬層係由Pd材料形成。
7.如申請發明範圍第3項之鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器，其中緩衝層厚0.5~5μm且為未摻雜型。
8.如申請發明範圍第4項之鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器，其中主動層厚0.1~2μm濃度n=1×10¹⁷~3×10¹⁸cm^-3。
9.如申請發明範圍第5項之鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器，其中歐姆性接觸金屬層厚3,000-5,000Å。
10.如申請發明範圍第6項之鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器，其中肖特基接觸金屬層厚2,000-5,000Å。

八、	圖式：
	圖1 圖2 圖3 圖4 圖5

瀏覽數: