TW385366B - Hydrogen-sensitive palladium (Pd) membrane/semiconductor Schottky diode sensor - Google Patents

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A7 B7 經濟部中央樣牟局員工消費合作社印装 五、發明説明（1 ) 發明之領域 5 本發bh種新型H #積小的㉟薄媒/半導 體为特基；極®錢氣制器之結構與组成。 發明背景 10近年來氣縣測把廣泛地應用於卫業製程的控制，環 境污染的防治α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 15可以將靠近其表面的氫分子分解成氫原子，部份氫原子 擴散至鈀金屬内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把金屬 之功函數，進而影響其輸出之電氣特性。I· Lundstrom 等人单於I975年j.Appl •抑ys·,第W卷第3876 20 頁即提出具有把閘極（Pd gate)之珍基板金-氧-半場 效電畢禮（MOS fielc^effept tran&istor)，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梦 (SiOd絕緣層被覆於梦基板上面’使其製程困難度與成 25 本均相對摻高。另一種較簡易的結構是直接將鈀金屬直 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) h. 訂

A 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS M4規格（210X297公釐} A7 A7 基障壁（Schottky 五、發明説明（2 ) 接鍍於半導體基板上形成肖特 barrier)，然後於氫化過程中，^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 5目的。早期的肖轉基二極體式氫氣感測器是將鈀金屬鍍 在工I-VI族半導體(A)之基板上，如M.c steele等 人於19*76年Appl.Phys.Lett·,第28卷第術頁 提违鈀-硫化鎘（Pd-Cds)結構，以及k.It〇於1970 年Surf.5ci.第⑽卷第345頁提出鈀-氧化辞（pd_ ίο ZnO)結構〇這些肖特基二極體式元件皆可用作氳氣檢測 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。 15 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 由鈀金屬薄膜蒸艘於111 -V族半導體砷化鎵(GaAs)之 表面上。為了減少丰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η型砷化鎵蠢晶 膜，然後利用真空蒸鍍技術透過圓型金屬罩（metal 4 請 先 閱 讀 背 ιέ 之― 注 意- 事 項 再 i 訂 經濟部中央標準局負工消費合作社印装 20 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4规格（210X297公釐） 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 A7 ___B7 五、發明説明（3 ) mask)將鈀金屬薄膜鍍在n型砷化鎵磊晶膜上面v由於 砷化鎵磊晶膜之表面狀態密度較其基板顯箸減少，因 此，於氟化坶程中，鈀金屬功函數的減少將會直接造成 5 其肖特基陣壁高度的降低’進而改變輪出之電流—電壓 特性，達到對氩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I>VI族半 導體成熟、穩定。因此，本發明之感測器亦可與其他 10 III-V族元件（如高速電晶體，雷射···）粗成铨能優 越而廣泛之光電積體智慧型感測電路。 參考文獻 1. I· Lundstroin, M. S. Shivaraman and C. Svensson, J. Appl. Phys., ASr 3876 15 (1975). 2. M. C. Steele andB. A. MacXver, Appl. Phys. Lett., 28, 687 (1976). 3. K.Ito,Surface Science,86,345(1978) 4 · M. Armgarth and C. Nylander, Appl. Phys. 20 Lett·, 39,91 (1981). 5· S.R.Morrison, Sensors and Actuators, 2,329(1982)· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X 297公釐） ---------ο------11------ (請先閱讀背面一之注t-事項再填寫本頁) 經濟部中央橾準局員工消費合作社印裝 A7 B7 五、發明説明（、4 ) 6. A.Sibbald,IEE Proc.,130,233(1983). 7. C.C.Wen^ T.C.Chen> and J.N. Zemel, IEEE Trans.Electron Devices,26,1945(1979). 5 8· H.Wohltjen, Anal. Chem.,56,87A(1984). 發明概述 本#明主要目的，是在研製一種新型、簡易、體積 1〇 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。 15 本發明另一目的，揭亲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η型砷化鎵磊晶膜，其濃度約為 2xl〇I7cnf3，然後再利用真空蒸鍍的技術，於η型砷化 鎵磊晶膜上面蒸鍍一層鈀薄膜。 20 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 内容，請參閱有關本發明之附圖及詳細說明。然而所附 -- - 6 (請先閲讀背面^注免事項再填寫本頁}

S 、-° 本紙張尺度通用TSIS豕標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐）

=讀提供參考說_，並_來對本發明加以限制 5 圈示說明 圖1係本發明之叙薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感 測器結構圓 圖2本元件在氫化測試過程巾於順向偏壓下之電流-1〇 f 壓特性曲線。a.·.·空氣 b...H2=l% c..· H2=2% d.... H2=3% e，·.. h2=4% f... H2=5% 圓3宵特基障壁高度偏移量對測試環境中氫氣濃庠之g 係囷β 條件-為順向偏壓下，電流固定於1〇私Α時，障壁 15 矣度偏移量即未加入氫氣時之電壓值減掉加入氮 氣時之電壓值 經濟部中央揉準局貝工消費合作社印装 ----------0! (請先閲讀背面之注意，事項再填寫本頁) 、^ 圖4為本元件在氫化測試過程中，於反向偏壓下之電流 -電靨特性曲線。a·...空氣 b...H2=l% c...H2=2% d....H2=3% e....H2=4% f...H2=5% 2〇 圖5為本元件在氫化測試過程中電流對時間之響應囷。 圖號說明 國國家搮準（CNS ) A4規格(21GX 297公釐） A7 A7 經濟部中央揉準局貝工消費合作社印裝 五、發明説明（6 ) 10···把薄膜/半導體肖特基二極體式氫氣感測器 12.. .坤化鎵材料形成之基板 14.. 种化鎵椅料形成之緩衝層 5 16.·.砰化鎵材料形成之主動層 18…金-鍺合金歐姆性接觸金屬層 2 〇…把薄膜肖特基接觸金屬層 1〇 發明說明 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，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 15 層。該基板係由半絕緣型GaAs形成，該緩衝層係由 i-QaAs材料形成厚度且為未摻雜型。主動層係由 η-GaAs材料形成厚度2畔浪度n=2 X 1017cirf3，該歐 姆性接觸金屬層係由Au/Ge (88%/12%)合金材料形成 厚度5,000A。該肖特基接觸金屬層係由Pd材料形成， 20 厚度 2000A。 · 首先利用分子束磊蟲成長法於半絕緣型砷化鎵基 ----— 8__ 本紙張尺度速用中國國家梯準（CNS ) A4規格（210x297公着） ---------ο! (請先閱讀背面之注I事項再填寫本頁)

、1T A7 B7 五、發明説明（7 ) 板上成長層品質良好 型砷化鎵緩衝層及一 10 15 經濟部中央標準局員工消費合作社印繁 的未摻雜 層η型砷化鎵磊晶膜，真濃度約▲ 2xi〇17cnf3，然後再 利用真空蒸鍍的技術’於η型砷化鎵磊晶膜上面蒸鍍一 層鈀薄膜。由於把金屬係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^^成氫原子，部份氫 原子擴散深入鈀薄膜内部，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把金屬之 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。 圖1為本發明之鈀薄膜/半導體肖特基二極體式氫 氣感測器之一實施例。其結構由下而上依次為半絕緣型 砷化鎵基板12 ;厚1从m未摻雜型砷化鎵緩衝層14 ; 厚2 濃度n=2xl017cnf3珅化鎵主動層16;厚5000A 金-鍺合金歐姆性接觸金屬層18 ;厚2000A鈀薄膜肖 特基接觸金屬層20。 9 ---------ο------1T------ (請先閲讀背面之注t事項再填寫本頁) 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) ( 210X297公釐） A7 B7 五、發明説明（8 ) 圖2為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。由圓可知導通電壓隨著測試環境 中氫氣濃度之增加雨滅少，亦即曲線隨著氫氣濃度之增 5 加而向原點偏移。 锖 先 聞 10 圖3為順向偏磨下，電流固定於1〇 時，肖特 基障壁高度偏移量（即未加入氫氣時之電屋值減掉加 入氫氣時之電壓值）對測試環境中氫氣濃度之關係圖。 由圖可知，障壁高度降低之幅度隨氫氣濃度之增加而增 加。因此，隨著氫氣<引入，確實會降低金屬-半導艘 界面之宵特基障壁高度。 之 注 意- 事 項 鼻 % % 本 頁 訂 15 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 20 圖4為本元件在氫化測試過程中，於反向偏壓下之 嚎流-電壓特性曲線。很明顯地，電流隨著氫氣濃度之 增加而增加，尤其是在外加較大之反向偏壓時^這亦說 明了氩氣含量的增加確實有助於本元件肖特基障壁高 度的降低。 圖5為本元件在氫化測試過程中電流對時間之響應 圖。此項測試係將反向偏壓維持在-4伏特，而引入氣 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A7 ____B7 . 五、發明説明（9 ) 1 氣含量則為5%。測試溫度為室溫300Κ»由圓可知氫 氣引入時造成電流增加，其電流波型之上升時間小於s 8s。當關掉氫氣時，電流亦隨之減少，其電流波型之下· 5 降時間小於15s。 由以上結果可知，本元件確實對周圍氫氣含量具有 敏感之檢測特性，而且在室溫之測試環境下，本元件亦 具有相當快速之時間反應，此特性遠優於其他需在高溫 10 環境下始能快速反應之感測器。另外，因為氫氣之最低 爆炸極限通常為數個百分比，因此，本元件之氫氣檢測 靈敏度確實已達到實用之範圍。 / ---------ο------1T------今1 (請先閲讀背面t注#-事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 __11_ 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 AB Bg C8 D8 經濟部中央#準局貝工消費合作社中製 一種新型鈀薄骐/半導體肖特基二極體式氩氣感 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。 如申請發明範圍第1璜之鈀薄膜/半導體肖特基 二極韙式氫氣感測器，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®第1項之靶薄膜/半導體肖特基 二極體式氫氣感測器，其中主動層係由 材料形成。 5·如争請發初範圍第1項之鈀薄膜/半等體肖特基 二極體式氫氣感測器，其令歐姆性接觸金屬層係 由Au/Ge (88012%)合金材料形成。 6·如申請發明範圍第1項之把薄膜/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。 1. 2 12 (CNS} A4^ {210Χ2·^Γ) (请先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 訂 C A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 7·如申請發明範B第3項之域膜/半㈣肖特基 二極艘式氫氣感測器，其中緩衝層厚Q.5〜5μιη 且為未換雜型。 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0.1〜2μπι 濃度11=1\1〇17〜3><1〇18(：1[1-3。 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, 000-5,00〇Α。 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 2,000-5,000Α» (請先聞讀背面之注項再埃寫本萸) Ρ 訂 -Γ' 經濟部中央橾率局貝工消費合作社印製 13 用中Βϊ ϋ家揉率（CNS > Α4胁（21G X 297公釐）