光感測裝置及其應用的製作方法
2023-10-05 07:23:39 5
本發明是有關於一種光感測裝置及其應用，特別是有關於一種光感測裝置及利用其進行光感測的方法。
背景技術：
光感測器(Photosensor/Photodetector)為現今電子產品最常用到元件之一，例如：數位相機、光感應器及光計數器等。光感測器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的感測器，而光敏元件目前常見的有感光二極體(Photodiode)、光導體(Photoconductor)及接面光二極體(Junction photodiode)等。光導體主要為一個半導體材料，在材料兩端具有歐姆接觸，當入射光照到半導體表面時，會產生電子空穴對，導致傳導係數的增加，而光電流(Iph)也隨之著增加。感光二極體是由光子照射到二極體空乏區，其產生的電子空穴對受到兩端電位的相反，使電子空穴分離並移動，因而形成光電流的現象，在外部整合電流放大器即可準確量測光電流，並可推估出電流大小和吸收的光子數目。接面光二極體主要設計目的是用於光通訊上，並利用不同材料如磷化銦(InP)及砷化銦鎵(InGaAs)的能隙差異，將光能量所產生的電子空穴對分離，並讓電子往n+端移動成光電流。
然而，光感測器的特性往往受製造過程中使用的材料所限制，故常需選用不同的光感測器以進行光感測。在實際應用上，大多應用需要使用不同的光感測器進行實驗。舉例而言，利用光感測器進行生物的螢光反應實驗時，會同時需要高靈敏度的光感測器與寬光波段的光感測器進行實驗。然而，高靈敏度的光感測器運用於正常光源的觀測下很容易信號飽和，而運用一般靈敏度的光感測器觀測微弱的螢光反應時，往往都需要將光感測器的曝光時間或積分時間加高，才可擷取到所需要的信息，但也有很多的實驗結果是因為過度調整曝光時間或積分時間，而造成量測到的都是雜訊資料。以現階段的技術而言，大部份皆通過外部光學的設計或是加裝其他配件如光電倍增管(photomultiplier tube)來達到效果，此系列設備往往需要較大的實驗空間與環境，故在實驗的實施上有一定的限制。
因此，目前需要發展一種光感測裝置，其可調整本身不同的參數，以提升光感測裝置的靈敏度，進而達到多方面的應用領域。
技術實現要素：
本發明的一個方面是提供一種光感測裝置，包含電晶體、矽納米通道以及濾光染料層。電晶體包含源極、漏極及柵極。矽納米通道連接源極與漏極設置用於接收光照。濾光染料層位於矽納米通道接收光照的表面上。
在本發明的一實施方式中，電晶體為背柵極式電晶體、側柵極式電晶體或液體柵極電晶體。
在本發明的一實施方式中，矽納米通道的材料為多晶矽。
在本發明的一實施方式中，矽納米通道的寬度約為50～100nm。
在本發明的一實施方式中，矽納米通道的厚度約為1～100nm。
在本發明的一實施方式中，光感測裝置更包含隔離層，位於柵極與矽納米通道之間。
本發明的另一方面是提供一種利用前述的光感測裝置進行光感測的方法，包含以光線照射光感測裝置的濾光染料層，藉由通過濾光染料層的波長範圍的光使矽納米通道中的電子及空穴位置重新排列。電子及該空穴的位置重新排列改變源極與漏極之間的電流，以產生電流差。藉由電流差計算光線的強度。
在本發明的一實施方式中，方法更包含將樣品與受體反應以產生光線。
在本發明的一實施方式中，更包含將受體修飾於濾光染料層上。
在本發明的一實施方式中，方法更包含於光線照射光感測裝置的濾光染料層前，對柵極施加電壓以使矽納米通道中的電子及空穴位置重新排列，以於源極與漏極之間形成穩定電流。
本發明的光感測裝置以及利用其進行光感測的方法是利用矽納米通道接收光照，進而改變電晶體的電流，將光信號轉換為電信號，並藉由電信號計算光照的強度，藉此感測光。本發明的光感測裝置具有高靈敏度，又可動態的進行元件參數調整，具有廣大的應用領域與市場。
附圖說明
為使本發明的特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附附圖的說明如下：
圖1是繪示本發明一實施方式的光感測裝置的剖視圖；
圖2是繪示本發明一實施方式的光感測裝置以量測系統進行量測的示意圖；
圖3A～圖3B是繪示本發明一實施方式的光感測裝置的矽納米通道接收光照前後的電子及空穴位置的排列示意圖；
圖4A～圖4B是繪示本發明一實施方式的光感測裝置的矽納米通道接收光照前後的電子及空穴位置的排列示意圖；
圖5是繪示本發明一實施方式的光感測裝置的剖視圖；
圖6A～圖6B是分別繪示本發明一實施方式的光感測裝置的側視圖及上視圖；
圖7是繪示本發明實施例的光感測裝置的電流-電壓關係圖；以及
圖8是繪示本發明實施例的光感測裝置以不同光能量照射的電流-時間關係圖；
其中，符號說明：
100、400、500：光感測裝置 110、410、510：電晶體
112、412、512：源極 114、414、514：漏極
116、416、516：柵極 120、420：矽納米通道
130、430、530：濾光染料層 140、440、540：隔離層
150：電子空穴對 152：空穴
154：電子 200：光線
300：量測系統 402、502：基板
450：溶液 520：矽納米線通道。
具體實施方式
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文將參照附隨附圖來描述本發明的實施方式與具體實施例；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。以下所揭露的各實施例，在有益的情形下可相互組合或取代，也可在一實施例中附加其他的實施例，而無須進一步的記載或說明。在以下描述中，將詳細敘述許多特定細節以使讀者能夠充分理解以下的實施例。然而，可在無此等特定細節的情況下實踐本發明的實施例。
請參照圖1，其是繪示本發明一實施方式的光感測裝置100的剖視圖。光感測裝置100包含電晶體110、矽納米通道120、濾光染料層130以及隔離層140。電晶體110包含源極112、漏極114及柵極116。矽納米通道120連接源極112與漏極114，其是設置用於接收光照。濾光染料層130位於矽納米通道120接收光照的表面上。隔離層140位於柵極116與矽納米通道120之間。
圖1所繪示的柵極116是位於源極112與漏極114的背面，亦即電晶體110為背柵極式(back-gated)電晶體。根據一實施方式，電晶體110為場效電晶體(field-effect transistor，FET)。
根據一實施方式，矽納米通道120的材料為多晶矽。多晶矽(polycrystalline silicon)是由細小的單晶矽構成的材料，可用於半導體、平面顯示器或太陽能電池的製造，利於大量製程與發展。矽納米通道120可為矽納米線(nanowire)通道、矽納米薄膜(nanofilm)通道或矽納米帶(nanobelt)通道。
當矽納米通道120為矽納米線時，其寬度約為50～100nm，例如可為50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100nm。
在本發明的一實施方式中，矽納米通道120的厚度約為1～100nm，例如可為1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100nm。
濾光染料層130是使特定波長範圍的光線通過，其目的在於將光線聚集至矽納米通道120，可進一歩提升光感測裝置100的靈敏度。矽納米通道120接收特定波長範圍的光後，其內的電子及空穴位置重新排列，進而改變源極112與漏極114之間的電流大小。根據一實施方式，濾光染料層130的材料為二氧化矽和五氧化二鉭(SiO2+Ta2O5)。
本發明的光感測裝置是可調整參數式光感測裝置，其可通過矽納米通道接收光照及/或於電晶體的柵極施加電壓，調控電晶體的矽納米通道兩端的源極與漏極之間的電流大小。藉由光線照射前後的電流差，即可獲得矽納米通道所接收的光照強度，且通過「光能量」的調控可以提供一個「非接觸」式的調控機制，更可以增加未來的應用領域。本發明的光感測裝置可應用於偵測低光強度的應用領域上，例如生物螢光、冷光實驗、夜視系統等。未來再通過半導體製程可進行大量的製作，並直接整合現行的半導體IC設計。
請參照圖2，其是繪示本發明一實施方式的光感測裝置100以量測系統300進行量測的示意圖。當光線200照射在光感測裝置100上時，光感測裝置100藉由矽納米通道及電晶體，將光信號轉換為電信號。此時通過量測系統300對電信號進行參數量測，經計算即可獲得光感測裝置100所接收的光照強度。
光線200的來源可為生物螢光、冷光、自體發光源等。生物螢光可利用生物系統配對原理，例如：抗原(antigen)－抗體(antibody)、生物素(biotin)－卵白素(avidin)、受質(substrate)－受器(receptor)或酶(enzyme)，經由兩者反應後所產生。舉例而言，生物素－卵白素為常見的生物分子配對系統，利用生物素可偵測樣品中卵白素的含量，其中生物素可選擇性地經修飾而固定在濾光染料層上。前述的原理亦可應用於類似的組合，使本發明的光感測裝置可作為多種類的高靈敏度的生物分子感測元件，相似的組合例如：抗原－抗體、蛋白質－受質(例如：生長激素、神經傳導物質等)及蛋白質－細胞(例如：癌細胞、病毒等)，其能運用至各種臨床醫學上的診斷步驟。
量測系統300是用以量測並分析電晶體所產生的電信號，其可為示波器(oscilloscope)、頻譜分析儀(spectrum analyzer)等用於尋找電性分析儀器。
請參照圖3A～圖3B，其是分別繪示本發明一實施方式的光感測裝置100的矽納米通道120接收光照前後的電子及空穴位置的排列示意圖，其中圖中僅繪示出光感測裝置100的矽納米通道120及濾光染料層130。請參照圖3A，當光線尚未照射前，矽納米通道120呈電中性狀態，其內的電子與空穴配對成電子空穴對150，並水平排列。請參照圖3B，當光線200照射到濾光染料層130並通過特定波長範圍的光時，此時矽納米通道120內的電子空穴對150開始產生變化，電子154向光線200照射的表面移動，而空穴152則往相反方向移動。電子154及空穴152位置重新排列使得電晶體的電流狀況開始改變，藉此感測所照射的光線200的強度。圖3A～圖3B顯示出本發明的光感測裝置利用矽納米通道感光的一種機制。
電子154向光線200照射的表面移動的原因在於能階。由於能階的關係，電子154較空穴152容易吸收光線200的能量而被激發。
本發明中矽納米通道是建制在電晶體的架構下，因此可以通過電晶體的原理進行矽納米通道電性改變，為另一種利用矽納米通道感光的機制。請參照圖4A～圖4B，其是分別繪示本發明另一實施方式的光感測裝置100的矽納米通道120接收光照前後的電子及空穴位置的排列示意圖，其中圖中僅繪示出光感測裝置100的矽納米通道120及濾光染料層130。請參照圖4A，當電晶體給與一個柵極電壓(n-type，正柵極電壓)時，影響矽納米通道120內的電子空穴對150，使其轉方向並排列於靠近柵極的表面，讓電流可以流過，此時電流為穩定狀態。請參照圖4B，如此時再受到光線200的照射，矽納米通道120將會依柵極電壓的影響使電子空穴對150的排列有所差異。部分電子154向光線200照射的表面移動，部分空穴152則往相反方向移動，而部分仍維持配對型態(即電子空穴對150)。電子154及空穴152位置重新排列使得電晶體的電流狀況改變，藉此感測所照射的光線200的強度。因此，本發明的光感測裝置中矽納米通道接收光照所產生的特性變化亦可通過電晶體原理方式進行調控，靈敏度佳，增加光感測裝置的應用性與變化性。
光感測裝置的應用相當的廣泛，小從手機用的相機，大到遙測衛星用影像感測器，開發新型的光感測裝置與提高光靈敏度、穩定度等參數一直是產業界重點發展方向。本發明利用矽納米通道的高靈敏度的特性，使光能量改變矽納米通道內電子及空穴的特性，藉此感測光線，為一種新型的光感測裝置。有別其它裝置，本發明的光感測裝置是將矽納米通道架設與建立在電晶體的設計上，此架構可讓本發明的光感測裝置不只可受光線照射而改變元件特性，亦可通過電晶體的原理藉由柵極電壓控制元件特性。更進一步而言，本發明的光感測裝置可以使用光感測與電晶體的原理同時調控元件特性，藉此可以進行靈敏度或其它參數調整與其它延伸應用。
請參照圖5，其是繪示本發明一實施方式的光感測裝置400的剖視圖。光感測裝置400包含基板402、電晶體410、矽納米通道420、濾光染料層430、隔離層440以及溶液450。電晶體410包含源極412、漏極414及柵極416。矽納米通道420連接源極412與漏極414，其是設置用於接收光照。濾光染料層430位於矽納米通道420接收光照的表面上。隔離層440位於柵極416與矽納米通道420之間。溶液450覆蓋源極412、漏極414及濾光染料層430，並包覆柵極416。
圖5所繪示的柵極416是包覆於溶液450內，亦即電晶體410為液體柵極(liquid-gated)電晶體。在此實施方式中，柵極416可為針狀，插入溶液450中。根據一實施方式，溶液450為離子性溶液，例如可為N,N-二乙基-N-甲基-N-甲氧乙烷基的四氟硼酸鹽(DEME-BF4)溶液、N,N-二乙基-N-甲基-N-甲氧乙烷基二(三氟甲基磺酸)亞醯胺鹽(DEME-TFSI)溶液、1,3-二[三(羥甲基)甲氨基]丙烷(Bis-Tris propane)、三羥甲基氨基甲烷鹽酸鹽(Tris-HCl)溶液、2-嗎啉乙磺酸(MES)、磷酸鹽溶液、碳酸鹽溶液、硼酸鹽溶液、醋酸鹽溶液、檸檬酸鹽溶液或其組合。
光感測裝置400與光感測裝置100的不同之處在於柵極416的位置，而此不同之處並不影響各個元件的特性，故光感測裝置400具有與光感測裝置100相同的優點與功能。
請參照圖6A～圖6B，其是分別繪示本發明一實施方式的光感測裝置500的側視圖及上視圖。光感測裝置500包含基板502、電晶體510、兩條矽納米線通道520、濾光染料層530以及隔離層540。電晶體510包含源極512、漏極514及柵極516。柵極516位於兩條矽納米線通道520的側邊。矽納米線通道520連接源極512與漏極514，其是設置用於接收光照。濾光染料層530位於矽納米通道520接收光照的表面上。隔離層540位於柵極516與矽納米通道520之間。
圖6A～圖6B所繪示的柵極516是位於矽納米線通道520的側邊，亦即電晶體510為側柵極式(side-gated)電晶體。
光感測裝置500與光感測裝置100的不同之處在於柵極516的位置，而此不同之處並不影響各個元件的特性，故光感測裝置500具有與光感測裝置100相同的優點與功能。
本發明的另一方面是提供一種利用前述的光感測裝置進行光感測的方法，包含以光線照射光感測裝置的濾光染料層，藉由通過濾光染料層的特定波長範圍的光使矽納米通道中的電子及空穴位置重新排列。電子及該空穴的位置重新排列改變源極與漏極之間的電流，以產生電流差。藉由電流差計算光線的強度。
本發明的光感測的方法可用以偵測生物螢光，可藉由樣品所欲偵測的生物分子與受體反應後產生光線，並通過上述步驟所計算出的光線強度獲得生物分子於樣品中的濃度。生物分子與受體是生物分子配對系統，其可為前述所列舉的組合。在一實施方式中，受體是修飾於濾光染料層上，與樣品反應後所產生光線可直接照射光感測裝置的濾光染料層，進而使特定波長範圍的光通過濾光染料層並由矽納米通道接收。在另一實施方式中，受體並未修飾於濾光染料層上，而是將其與樣品反應後所產生的光線靠近光感測裝置，使光線照射濾光染料層，進而使特定波長範圍的光通過濾光染料層並由矽納米通道接收。
根據一實施方式，光感測的方法更包含於光線照射光感測裝置的濾光染料層前，對柵極施加電壓以使矽納米通道中的電子及空穴位置重新排列，以於源極與漏極之間形成穩定電流。之後，以光線照射光感測裝置的濾光染料層，使矽納米通道內的電子及空穴位置再次重新排列，而改變本來穩定的電流狀態。藉由所產生的電流差可計算光線的強度。
本發明的利用光感測裝置進行光感測的方法是利用矽納米通道對光具有高靈敏度的特性，讓光線直接照射在濾光染料層上，藉由通過濾光染料層的光能量改變矽納米通道的元件特性，藉此感測光線，為一種新型的光感測方式。此外，本發明的方法可選擇性地通過電晶體的柵極電壓調控矽納米通道的元件特性，達成多元化的應用，也藉此進一歩提高光感測的靈敏度。
如前所述，大部份光感測器經由半導體廠製作封裝後，光感測器的元件特性已被固定，而光能量影響元件的變化亦往往受到限制，故應用領域較為局限。舉例而言，高靈敏度的光感測器無法具有大的動態範圍，而一般靈敏度的光感測器觀測微弱光線時，往往需要長時間的曝光或時間，方可擷取到所需要的信息。
本發明的光感測裝置及利用其進行光感測的方法的技術特點在於採用對光具有高靈敏度的矽納米通道，藉由光能量直接改變矽納米通道的其元件電性，並通過所測得的電信號得知光照情形。此外，由於矽納米通道是架構於電晶體的結構上，故矽納米通道本身的電性亦可通過電晶體外加電壓而進行調控。本發明提出的光感測裝置除了可讓光照影響元件特性外，亦可利用電晶體調控機制改變元件本身的特性，最後可通過交叉的使用增加光感測裝置的應用範疇。本發明的光感測裝置具有高靈敏度，又可動態的進行元件參數調整，具有廣大的應用領域與市場。
光感測裝置的製造方法
本發明一實施方式的光感測裝置的製造方法包含以下步驟：
1.於基板上形成柵極。在一實施方式中，基板為矽晶圓，柵極的材料為多晶矽。柵極是藉由沉積形成，例如可為化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)、常壓化學氣相沉積(atmospheric pressure CVD，APCVD)、低壓化學氣相沉積(low-pressure CVD，LPCVD)、等離子增強化學氣相沉積(plasma enhanced CVD，PECVD)、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)等。
2.於柵極上沉積隔離層作為柵極介電層。在一實施方式中，沉積的方法為化學氣相沉積法。隔離層可由單層氧化物或由一層氧化物及一層氮化物所組成。
3.於隔離層上沉積多晶矽。沉積的方法可參照步驟1中所敘述的方法。
4.蝕刻多晶矽以形成矽納米線作為電晶體通道，並同時形成源極及漏極。在一實施方式中，蝕刻的方法為乾式蝕刻。此步驟是藉由定義源極及漏極的同一道掩模及製程，形成多晶矽納米線通道。多晶矽納米線通道是在定義源極及漏極的同時，自對準形成。
5.於矽納米線通道上形成濾光染料層，即可獲得本發明的光感測裝置，其結構可參照圖1。
將以上述方法製得的光感測裝置用於進行以下測試。
可靠性測試
請參照圖7，其是繪示本發明實施例的光感測裝置的電流-電壓關係圖。此測試是取用50個製作出的光感測裝置並量測其電性特性，其中電晶體是n型(n-type)電晶體。如圖7所示，50個光感測裝置皆可在柵極電壓(VG，單位：伏特V)上升的同時，漏極電流(ID，單位：安培A)也一起上升，呈現n型電晶體的電性特性。本發明的光感測裝置是經由長時間測試，根據大量的製作與比對其電性反應的結果顯示，本發明的光感測裝置確實具有可再現性，且可靠性佳。
靈敏度測試
請參照圖8，其是繪示本發明實施例的光感測裝置以不同光能量照射的電流-時間關係圖。此測試是利用不同光強度照射元件表面，並同一時間量測反應電流變化，其中電晶體是p型(p-type)電晶體。不同的光能量包含0.118、1.018、9.98以及258微瓦(μW)，並以未照光所測得的電流作為對照。如圖8所示，光能量約1μW就可讓光感測裝置的電流上升，其電流可以隨著光線強度的增加而上升。之後，將光線能量降低，而光感測裝置的電流也隨之下降。此測試結果顯示出本發明的光感測裝置對光線的反應與其穩定性，靈敏度佳。
綜上所述，本發明提出利用半導體製程製作成矽納米通道結構，並在基底設計為電晶體的架構。通過光能量可以直接影響矽納米通道內電子及空穴的分布，造成矽納米通道的特性變化，將光能量轉換為電信號，並藉由電信號量測方式取得信號的變化。另外，可以利用電晶體原理調控矽納米通的特性，並運用於未來在光信號量測的參數調整，因此，本發明所提出的設計可以同時通過光能量與電晶體調控方式而達成多元化的應用，也藉此提高光感測的特性。本發明的光感測裝置及利用其進行光感測的方法可應用於多種產業，例如：光電產業、生醫產業、電子產業、能源產業等，並可用以開發多種產品，例如：光感測器、生物螢光感測器、影像感測器、相機、工業檢測器等。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的權利要求書所界定的範圍為準。