以光化學汽相沉積製備二氧化矽薄膜並應用於MSM結構之紫外光感測器

光感測器不管是在電子領域、環境檢測等等已經被寬廣的應用在日常生活中。對於光感測器的好壞，最常探討的方式是元件在受到光照時所產生的光暗電流比、光響應之靈敏度與雜訊分析，過往的氧化鋅薄膜式光感測器主要以MSM結構為主，但此結構會形成較大的暗電流，造成光暗電流比的表現較差，為了提升光感測器的性能，除了增強受光時的電流外，亦可在金屬與半導體之間沉積一層絕緣層，進而降低未受光時的電流，進而增強對紫外光感測的靈敏性，本項技術利用光化學汽相沉積法製備二氧化矽作為絕緣層，並以射頻磁控濺鍍法製備氧化鋅磊晶薄膜製作出高性能紫外光感測器元件。

       紫外光感測器已寬廣的應用在日常生活中，例如電子設備、環境檢測等等[1-4]。最近，碳化矽、氧化鎵、氮化鎵、二氧化鈦與氧化鋅等寬能隙材料一直最近這幾年裡是個熱門的材料，其中氧化鋅本身具有優異的化學穩定性與良好的光學特性[5-7]，且可透過很多種方式進行製作，因此很常被應用在光學感測器以及化學性感測器(如氣體感測器與生醫感測器)。探討光感測器的性能，最常是探討元件受到光照時的光暗電流比、光響應之靈敏度與雜訊分析。過去有關於氧化鋅紫外光感測器之研究主要以金屬-半導體-金屬(MSM)結構為主，為了再進一步提升光感測器性能，已有研究提出在金屬與半導體之間沉積一層絕緣層，如Al₂O₃, SiO₂、Si3N₄等來改善光感測器性能[8-14]。其中，SiO₂這種材料最常以PECVD或是Sputter進行製備，但其薄膜品質並非理想，為了改善絕緣層的沉積品質，這研究是利用光化學汽相沉積的技術來進行製備，原理主要利用真空紫外光作為光源(氘燈)，在沉積SiO₂的過程中有效激發合成氣體，進而製備出高品質的絕緣層，因此本研究利用光化學汽相沉積的方式製備高品質之SiO₂薄膜並應用在氧化鋅光感測器上。

圖1顯示MSM與MIS結構之氧化鋅光感測器I-V特性曲線與光響應結果，由I-V特性曲線結果可知在金屬與半導體之間沉積一層SiO₂薄膜後，可有效降低感測器在整體電流，其中在暗電流的部分最為明顯，進而有效提升光感測器對紫外光的感測性能。另一方面，光響應的量測是透過不同的單色波長照射於我們的元件，進一步探討對紫外光的響應度，由圖1(c, d)中展示了再量測波長從310-460 nm中可知，兩者元件在波長為370 nm處後有個明顯的截止波長，在判斷元件的特性時，可從此截止波長的響應值與紫外可見光拒斥比進行探討，根據我們的量測結果可知兩者元件的響應值並差異不大，但在紫外可見光(370 nm/460 nm)拒斥比有著明顯的提升(MIS結構之拒斥比為400，MSM結構之拒斥比為30.4)，這說明絕緣層的插入可有效提升光感測器之整體性能

另一方面，絕緣層的厚度也會直接影響光感測器之性能，再此也分別展示五個不同SiO₂薄膜厚度(22, 45, 98, 132, 198 nm)之I-V特性，如圖2所示。將結果進行光暗電流比換算後可知，所有的數據跟未插入絕緣層相比皆有明顯的提升，其中在厚度為98 nm時可獲得最佳的成果，因此絕緣層的厚度也會直接影響整個光感測器的檢測性能。

　　雜訊量測對於光感測器也是很重要的分析，主要可以探討金屬與半導體之間的陷阱分佈狀態，如圖3所示。其中透過Hooge-type方程式可以進一步得知雜訊等效功率與檢測率[15]，當掃描頻率從0至100 Hz的雜訊時，其中在偏壓2V時，MSM結構的雜訊等效功率(noise equivalent power) 4.082 × 10⁻⁷ W，檢測率(normalized detectivity)為4.9 × 10⁶ cm·Hz^−0.5·W⁻¹，而MIS結構的雜訊等效功率6.826 × 10⁻⁹ W，檢測率為2.93 × 10⁷ cm·Hz^−0.5·W⁻¹。理想的光感測器會期望雜訊等效功率越小，而檢測器越大代表元件的品質越佳，由結果可知在加入絕緣層後可以有效改善氧化鋅光感測器整體性能。

圖1 氧化鋅光感測器之MSM (a, c)和MIS(b, d)結構的光電特性

圖2 不同SiO₂厚度對氧化鋅光感測器之光電特性影響

圖3 在不同偏壓下之MSM結構與MIS結構之氧化鋅光感測器雜訊頻譜特性分析

[1]    Sugumar, R.; Angappane, S. Influence of substrate heating and annealing on the properties and photoresponse of manganese doped zinc oxide thin films. Superlattices Microstruct. 2017, 110, 57−67.

[2]   Shaikh, S. K.; Ganbavle, V. V.; Mohite, S. V.; Rajpure, K. Y. Chemical synthesis of pinecone like ZnO films for UV photodetector applications. Thin Solid Films 2017, 642, 232−240.

[3]   Kar, J. P.; Das, S. N.; Choi, J. H.; Lee, Y. A.; Lee, T. Y.; Myoung, J. M. Fabrication of UV detectors based on ZnO nanowires using silicon microchannel. J. Cryst. Growth 2009, 311, 3305−3309.

[4]   Dhar, S.; Majumder, T.; Mondal, S. P. Phenomenal improvement of external quantum efficiency, detectivity and responsivity of nitrogen doped graphene quantum dot decorated zinc oxide nanorod/polymer schottky junction UV detector. Mater. Res. Bull. 2017, 95, 198−203.

[5]   Mamat, M. H.; Khusaimi, Z.; Zahidi, M. M.; Mahmood, M. R. Performance of an Ultraviolet Photoconductive Sensor Using Well-Aligned Aluminium-Doped Zinc-Oxide Nanorod Arrays Annealed in an Air and Oxygen Environment. Jpn. J. Appl. Phys. 2011, 50, 4.

[6]   Gahtar, A.; Rahal, A.; Benhaoua, B.; Benramache, S. A comparative study on structural and optical properties of ZnO and Al-doped ZnO thin films obtained by ultrasonic spray method using different solvents. Optik 2014, 125, 3674−3678.

[7]   Mondal, S.; Bhattacharyya, S. R.; Mitra, P. Effect of Al doping on microstructure and optical band gap of ZnO thin film synthesized by successive ion layer adsorption and reaction. Pramana 2013, 80, 315− 326.

[8]   Young, S. J.; Ji, L. W.; Chang, S. J.; Liang, S. H.; Lam, K. T.; Fang, T. H.; Chen, K. J.; Du, X. L.; Xue, Q. K. ZnO-based MIS photodetectors. Sens. Actuators, A 2007, 135, 529−533.

[9]   Zhou, J.; Gu, Y.; Hu, Y.; Mai, W.; Yeh, P.-H.; Bao, G.; Sood, A. K.; Polla, D. L.; Wang, Z. L. Gigantic enhancement in response and reset time of ZnO UV nanosensor by utilizing Schottky contact and surface functionalization. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 3.

[10]   Ali, G. M.; Chakrabarti, P. ZnO-based interdigitated MSM and MISIM ultraviolet photodetectors. J. Phys. D: Appl. Phys. 2010, 43, 8.

[11]   Casey, H. C., Jr.; Fountain, G. G.; Alley, R. G.; Keller, B. P.; DenBaars, S. P. Low interface trap density for remote plasma deposited SiO2 on n-type GaN. Appl. Phys. Lett. 1996, 68, 1850−1852.

[12]   Arulkumaran, S.; Egawa, T.; Ishikawa, H.; Jimbo, T.; Umeno, M. Investigations of SiO2/n-GaN and Si3N4/n-GaN insulatorsemiconductor interfaces with low interface state density. Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 809−811.

[13]   Fu, D. J.; Kwon, Y. H.; Kang, T. W.; Park, C. J.; Baek, K. H.; Cho, H. Y.; Shin, D. H.; Lee, C. H.; Chung, K. S. GaN metal-oxidesemiconductor structures using Ga-oxide dielectrics formed by photoelectrochemical oxidation. Appl. Phys. Lett. 2002, 80, 446−448.

[14   ]Peng, L.-H.; Liao, C.-H.; Hsu, Y.-C.; Jong, C.-S.; Huang, C.-N.; Ho, J.-K.; Chiu, C.-C.; Chen, C.-Y. Photoenhanced wet oxidation of gallium nitride. Appl. Phys. Lett. 2000, 76, 511−513.

[15]   Lai, W.-C.; Chen, J.-T.; Yang, Y.-Y. Optoelectrical and low frequency noise characteristics of flexible ZnO-SiO2 photodetectors with organosilicon buffer layer. Opt. Express 2013, 21, 9643−9651.