光感测装置及其应用的制作方法

本发明是有关于一种光感测装置及其应用，特别是有关于一种光感测装置及利用其进行光感测的方法。

背景技术：

光感测器(Photosensor/Photodetector)为现今电子产品最常用到元件之一，例如：数码相机、光感应器及光计数器等。光感测器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的感测器，而光敏元件目前常见的有感光二极管(Photodiode)、光导体(Photoconductor)及接面光二极管(Junction photodiode)等。光导体主要为一个半导体材料，在材料两端具有欧姆接触，当入射光照到半导体表面时，会产生电子空穴对，导致传导系数的增加，而光电流(Iph)也随之着增加。感光二极管是由光子照射到二极管空乏区，其产生的电子空穴对受到两端电位的相反，使电子空穴分离并移动，因而形成光电流的现象，在外部整合电流放大器即可准确量测光电流，并可推估出电流大小和吸收的光子数目。接面光二极管主要设计目的是用于光通讯上，并利用不同材料如磷化铟(InP)及砷化铟镓(InGaAs)的能隙差异，将光能量所产生的电子空穴对分离，并让电子往n+端移动成光电流。

然而，光感测器的特性往往受制造过程中使用的材料所限制，故常需选用不同的光感测器以进行光感测。在实际应用上，大多应用需要使用不同的光感测器进行实验。举例而言，利用光感测器进行生物的荧光反应实验时，会同时需要高灵敏度的光感测器与宽光波段的光感测器进行实验。然而，高灵敏度的光感测器运用于正常光源的观测下很容易信号饱和，而运用一般灵敏度的光感测器观测微弱的荧光反应时，往往都需要将光感测器的曝光时间或积分时间加高，才可撷取到所需要的信息，但也有很多的实验结果是因为过度调整曝光时间或积分时间，而造成量测到的都是杂讯资料。以现阶段的技术而言，大部份皆通过外部光学的设计或是加装其他配件如光电倍增管(photomultiplier tube)来达到效果，此系列设备往往需要较大的实验空间与环境，故在实验的实施上有一定的限制。

因此，目前需要发展一种光感测装置，其可调整本身不同的参数，以提升光感测装置的灵敏度，进而达到多方面的应用领域。

技术实现要素：

本发明的一个方面是提供一种光感测装置，包含晶体管、硅纳米通道以及滤光染料层。晶体管包含源极、漏极及栅极。硅纳米通道连接源极与漏极设置用于接收光照。滤光染料层位于硅纳米通道接收光照的表面上。

在本发明的一实施方式中，晶体管为背栅极式晶体管、侧栅极式晶体管或液体栅极晶体管。

在本发明的一实施方式中，硅纳米通道的材料为多晶硅。

在本发明的一实施方式中，硅纳米通道的宽度约为50～100nm。

在本发明的一实施方式中，硅纳米通道的厚度约为1～100nm。

在本发明的一实施方式中，光感测装置更包含隔离层，位于栅极与硅纳米通道之间。

本发明的另一方面是提供一种利用前述的光感测装置进行光感测的方法，包含以光线照射光感测装置的滤光染料层，藉由通过滤光染料层的波长范围的光使硅纳米通道中的电子及空穴位置重新排列。电子及该空穴的位置重新排列改变源极与漏极之间的电流，以产生电流差。藉由电流差计算光线的强度。

在本发明的一实施方式中，方法更包含将样品与受体反应以产生光线。

在本发明的一实施方式中，更包含将受体修饰于滤光染料层上。

在本发明的一实施方式中，方法更包含于光线照射光感测装置的滤光染料层前，对栅极施加电压以使硅纳米通道中的电子及空穴位置重新排列，以于源极与漏极之间形成稳定电流。

本发明的光感测装置以及利用其进行光感测的方法是利用硅纳米通道接收光照，进而改变晶体管的电流，将光信号转换为电信号，并藉由电信号计算光照的强度，藉此感测光。本发明的光感测装置具有高灵敏度，又可动态的进行元件参数调整，具有广大的应用领域与市场。

附图说明

为使本发明的特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1是绘示本发明一实施方式的光感测装置的剖视图；

图2是绘示本发明一实施方式的光感测装置以量测系统进行量测的示意图；

图3A～图3B是绘示本发明一实施方式的光感测装置的硅纳米通道接收光照前后的电子及空穴位置的排列示意图；

图4A～图4B是绘示本发明一实施方式的光感测装置的硅纳米通道接收光照前后的电子及空穴位置的排列示意图；

图5是绘示本发明一实施方式的光感测装置的剖视图；

图6A～图6B是分别绘示本发明一实施方式的光感测装置的侧视图及上视图；

图7是绘示本发明实施例的光感测装置的电流-电压关系图；以及

图8是绘示本发明实施例的光感测装置以不同光能量照射的电流-时间关系图；

其中，符号说明：

100、400、500：光感测装置 110、410、510：晶体管

112、412、512：源极 114、414、514：漏极

116、416、516：栅极 120、420：硅纳米通道

130、430、530：滤光染料层 140、440、540：隔离层

150：电子空穴对 152：空穴

154：电子 200：光线

300：量测系统 402、502：基板

450：溶液 520：硅纳米线通道。

具体实施方式

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文将参照附随附图来描述本发明的实施方式与具体实施例；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。以下所揭露的各实施例，在有益的情形下可相互组合或取代，也可在一实施例中附加其他的实施例，而无须进一步的记载或说明。在以下描述中，将详细叙述许多特定细节以使读者能够充分理解以下的实施例。然而，可在无此等特定细节的情况下实践本发明的实施例。

请参照图1，其是绘示本发明一实施方式的光感测装置100的剖视图。光感测装置100包含晶体管110、硅纳米通道120、滤光染料层130以及隔离层140。晶体管110包含源极112、漏极114及栅极116。硅纳米通道120连接源极112与漏极114，其是设置用于接收光照。滤光染料层130位于硅纳米通道120接收光照的表面上。隔离层140位于栅极116与硅纳米通道120之间。

图1所绘示的栅极116是位于源极112与漏极114的背面，亦即晶体管110为背栅极式(back-gated)晶体管。根据一实施方式，晶体管110为场效晶体管(field-effect transistor，FET)。

根据一实施方式，硅纳米通道120的材料为多晶硅。多晶硅(polycrystalline silicon)是由细小的单晶硅构成的材料，可用于半导体、平面显示器或太阳能电池的制造，利于大量制程与发展。硅纳米通道120可为硅纳米线(nanowire)通道、硅纳米薄膜(nanofilm)通道或硅纳米带(nanobelt)通道。

当硅纳米通道120为硅纳米线时，其宽度约为50～100nm，例如可为50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100nm。

在本发明的一实施方式中，硅纳米通道120的厚度约为1～100nm，例如可为1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100nm。

滤光染料层130是使特定波长范围的光线通过，其目的在于将光线聚集至硅纳米通道120，可进一歩提升光感测装置100的灵敏度。硅纳米通道120接收特定波长范围的光后，其内的电子及空穴位置重新排列，进而改变源极112与漏极114之间的电流大小。根据一实施方式，滤光染料层130的材料为二氧化硅和五氧化二钽(SiO₂+Ta₂O₅)。

本发明的光感测装置是可调整参数式光感测装置，其可通过硅纳米通道接收光照及/或于晶体管的栅极施加电压，调控晶体管的硅纳米通道两端的源极与漏极之间的电流大小。藉由光线照射前后的电流差，即可获得硅纳米通道所接收的光照强度，且通过「光能量」的调控可以提供一个「非接触」式的调控机制，更可以增加未来的应用领域。本发明的光感测装置可应用于侦测低光强度的应用领域上，例如生物荧光、冷光实验、夜视系统等。未来再通过半导体制程可进行大量的制作，并直接整合现行的半导体IC设计。

请参照图2，其是绘示本发明一实施方式的光感测装置100以量测系统300进行量测的示意图。当光线200照射在光感测装置100上时，光感测装置100藉由硅纳米通道及晶体管，将光信号转换为电信号。此时通过量测系统300对电信号进行参数量测，经计算即可获得光感测装置100所接收的光照强度。

光线200的来源可为生物荧光、冷光、自体发光源等。生物荧光可利用生物系统配对原理，例如：抗原(antigen)－抗体(antibody)、生物素(biotin)－卵白素(avidin)、受质(substrate)－受器(receptor)或酶(enzyme)，经由两者反应后所产生。举例而言，生物素－卵白素为常见的生物分子配对系统，利用生物素可侦测样品中卵白素的含量，其中生物素可选择性地经修饰而固定在滤光染料层上。前述的原理亦可应用于类似的组合，使本发明的光感测装置可作为多种类的高灵敏度的生物分子感测元件，相似的组合例如：抗原－抗体、蛋白质－受质(例如：生长激素、神经传导物质等)及蛋白质－细胞(例如：癌细胞、病毒等)，其能运用至各种临床医学上的诊断步骤。

量测系统300是用以量测并分析晶体管所产生的电信号，其可为示波器(oscilloscope)、频谱分析仪(spectrum analyzer)等用于寻找电性分析仪器。

请参照图3A～图3B，其是分别绘示本发明一实施方式的光感测装置100的硅纳米通道120接收光照前后的电子及空穴位置的排列示意图，其中图中仅绘示出光感测装置100的硅纳米通道120及滤光染料层130。请参照图3A，当光线尚未照射前，硅纳米通道120呈电中性状态，其内的电子与空穴配对成电子空穴对150，并水平排列。请参照图3B，当光线200照射到滤光染料层130并通过特定波长范围的光时，此时硅纳米通道120内的电子空穴对150开始产生变化，电子154向光线200照射的表面移动，而空穴152则往相反方向移动。电子154及空穴152位置重新排列使得晶体管的电流状况开始改变，藉此感测所照射的光线200的强度。图3A～图3B显示出本发明的光感测装置利用硅纳米通道感光的一种机制。

电子154向光线200照射的表面移动的原因在于能阶。由于能阶的关系，电子154较空穴152容易吸收光线200的能量而被激发。

本发明中硅纳米通道是建制在晶体管的架构下，因此可以通过晶体管的原理进行硅纳米通道电性改变，为另一种利用硅纳米通道感光的机制。请参照图4A～图4B，其是分别绘示本发明另一实施方式的光感测装置100的硅纳米通道120接收光照前后的电子及空穴位置的排列示意图，其中图中仅绘示出光感测装置100的硅纳米通道120及滤光染料层130。请参照图4A，当晶体管给与一个栅极电压(n-type，正栅极电压)时，影响硅纳米通道120内的电子空穴对150，使其转方向并排列于靠近栅极的表面，让电流可以流过，此时电流为稳定状态。请参照图4B，如此时再受到光线200的照射，硅纳米通道120将会依栅极电压的影响使电子空穴对150的排列有所差异。部分电子154向光线200照射的表面移动，部分空穴152则往相反方向移动，而部分仍维持配对型态(即电子空穴对150)。电子154及空穴152位置重新排列使得晶体管的电流状况改变，藉此感测所照射的光线200的强度。因此，本发明的光感测装置中硅纳米通道接收光照所产生的特性变化亦可通过晶体管原理方式进行调控，灵敏度佳，增加光感测装置的应用性与变化性。

光感测装置的应用相当的广泛，小从手机用的相机，大到遥测卫星用影像感测器，开发新型的光感测装置与提高光灵敏度、稳定度等参数一直是产业界重点发展方向。本发明利用硅纳米通道的高灵敏度的特性，使光能量改变硅纳米通道内电子及空穴的特性，藉此感测光线，为一种新型的光感测装置。有别其它装置，本发明的光感测装置是将硅纳米通道架设与建立在晶体管的设计上，此架构可让本发明的光感测装置不只可受光线照射而改变元件特性，亦可通过晶体管的原理藉由栅极电压控制元件特性。更进一步而言，本发明的光感测装置可以使用光感测与晶体管的原理同时调控元件特性，藉此可以进行灵敏度或其它参数调整与其它延伸应用。

请参照图5，其是绘示本发明一实施方式的光感测装置400的剖视图。光感测装置400包含基板402、晶体管410、硅纳米通道420、滤光染料层430、隔离层440以及溶液450。晶体管410包含源极412、漏极414及栅极416。硅纳米通道420连接源极412与漏极414，其是设置用于接收光照。滤光染料层430位于硅纳米通道420接收光照的表面上。隔离层440位于栅极416与硅纳米通道420之间。溶液450覆盖源极412、漏极414及滤光染料层430，并包覆栅极416。

图5所绘示的栅极416是包覆于溶液450内，亦即晶体管410为液体栅极(liquid-gated)晶体管。在此实施方式中，栅极416可为针状，插入溶液450中。根据一实施方式，溶液450为离子性溶液，例如可为N,N-二乙基-N-甲基-N-甲氧乙烷基的四氟硼酸盐(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)亚酰胺盐(DEME-TFSI)溶液、1,3-二[三(羟甲基)甲氨基]丙烷(Bis-Tris propane)、三羟甲基氨基甲烷盐酸盐(Tris-HCl)溶液、2-吗啉乙磺酸(MES)、磷酸盐溶液、碳酸盐溶液、硼酸盐溶液、醋酸盐溶液、柠檬酸盐溶液或其组合。

光感测装置400与光感测装置100的不同之处在于栅极416的位置，而此不同之处并不影响各个元件的特性，故光感测装置400具有与光感测装置100相同的优点与功能。

请参照图6A～图6B，其是分别绘示本发明一实施方式的光感测装置500的侧视图及上视图。光感测装置500包含基板502、晶体管510、两条硅纳米线通道520、滤光染料层530以及隔离层540。晶体管510包含源极512、漏极514及栅极516。栅极516位于两条硅纳米线通道520的侧边。硅纳米线通道520连接源极512与漏极514，其是设置用于接收光照。滤光染料层530位于硅纳米通道520接收光照的表面上。隔离层540位于栅极516与硅纳米通道520之间。

图6A～图6B所绘示的栅极516是位于硅纳米线通道520的侧边，亦即晶体管510为侧栅极式(side-gated)晶体管。

光感测装置500与光感测装置100的不同之处在于栅极516的位置，而此不同之处并不影响各个元件的特性，故光感测装置500具有与光感测装置100相同的优点与功能。

本发明的另一方面是提供一种利用前述的光感测装置进行光感测的方法，包含以光线照射光感测装置的滤光染料层，藉由通过滤光染料层的特定波长范围的光使硅纳米通道中的电子及空穴位置重新排列。电子及该空穴的位置重新排列改变源极与漏极之间的电流，以产生电流差。藉由电流差计算光线的强度。

本发明的光感测的方法可用以侦测生物荧光，可藉由样品所欲侦测的生物分子与受体反应后产生光线，并通过上述步骤所计算出的光线强度获得生物分子于样品中的浓度。生物分子与受体是生物分子配对系统，其可为前述所列举的组合。在一实施方式中，受体是修饰于滤光染料层上，与样品反应后所产生光线可直接照射光感测装置的滤光染料层，进而使特定波长范围的光通过滤光染料层并由硅纳米通道接收。在另一实施方式中，受体并未修饰于滤光染料层上，而是将其与样品反应后所产生的光线靠近光感测装置，使光线照射滤光染料层，进而使特定波长范围的光通过滤光染料层并由硅纳米通道接收。

根据一实施方式，光感测的方法更包含于光线照射光感测装置的滤光染料层前，对栅极施加电压以使硅纳米通道中的电子及空穴位置重新排列，以于源极与漏极之间形成稳定电流。之后，以光线照射光感测装置的滤光染料层，使硅纳米通道内的电子及空穴位置再次重新排列，而改变本来稳定的电流状态。藉由所产生的电流差可计算光线的强度。

本发明的利用光感测装置进行光感测的方法是利用硅纳米通道对光具有高灵敏度的特性，让光线直接照射在滤光染料层上，藉由通过滤光染料层的光能量改变硅纳米通道的元件特性，藉此感测光线，为一种新型的光感测方式。此外，本发明的方法可选择性地通过晶体管的栅极电压调控硅纳米通道的元件特性，达成多元化的应用，也藉此进一歩提高光感测的灵敏度。

如前所述，大部份光感测器经由半导体厂制作封装后，光感测器的元件特性已被固定，而光能量影响元件的变化亦往往受到限制，故应用领域较为局限。举例而言，高灵敏度的光感测器无法具有大的动态范围，而一般灵敏度的光感测器观测微弱光线时，往往需要长时间的曝光或时间，方可撷取到所需要的信息。

本发明的光感测装置及利用其进行光感测的方法的技术特点在于采用对光具有高灵敏度的硅纳米通道，藉由光能量直接改变硅纳米通道的其元件电性，并通过所测得的电信号得知光照情形。此外，由于硅纳米通道是架构于晶体管的结构上，故硅纳米通道本身的电性亦可通过晶体管外加电压而进行调控。本发明提出的光感测装置除了可让光照影响元件特性外，亦可利用晶体管调控机制改变元件本身的特性，最后可通过交叉的使用增加光感测装置的应用范畴。本发明的光感测装置具有高灵敏度，又可动态的进行元件参数调整，具有广大的应用领域与市场。

光感测装置的制造方法

本发明一实施方式的光感测装置的制造方法包含以下步骤：

1.于基板上形成栅极。在一实施方式中，基板为硅晶圆，栅极的材料为多晶硅。栅极是藉由沉积形成，例如可为化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)、常压化学气相沉积(atmospheric pressure CVD，APCVD)、低压化学气相沉积(low-pressure CVD，LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(plasma enhanced CVD，PECVD)、原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)等。

2.于栅极上沉积隔离层作为栅极介电层。在一实施方式中，沉积的方法为化学气相沉积法。隔离层可由单层氧化物或由一层氧化物及一层氮化物所组成。

3.于隔离层上沉积多晶硅。沉积的方法可参照步骤1中所叙述的方法。

4.蚀刻多晶硅以形成硅纳米线作为晶体管通道，并同时形成源极及漏极。在一实施方式中，蚀刻的方法为干式蚀刻。此步骤是藉由定义源极及漏极的同一道掩模及制程，形成多晶硅纳米线通道。多晶硅纳米线通道是在定义源极及漏极的同时，自对准形成。

5.于硅纳米线通道上形成滤光染料层，即可获得本发明的光感测装置，其结构可参照图1。

将以上述方法制得的光感测装置用于进行以下测试。

可靠性测试

请参照图7，其是绘示本发明实施例的光感测装置的电流-电压关系图。此测试是取用50个制作出的光感测装置并量测其电性特性，其中晶体管是n型(n-type)晶体管。如图7所示，50个光感测装置皆可在栅极电压(V_G，单位：伏特V)上升的同时，漏极电流(I_D，单位：安培A)也一起上升，呈现n型晶体管的电性特性。本发明的光感测装置是经由长时间测试，根据大量的制作与比对其电性反应的结果显示，本发明的光感测装置确实具有可再现性，且可靠性佳。

灵敏度测试

请参照图8，其是绘示本发明实施例的光感测装置以不同光能量照射的电流-时间关系图。此测试是利用不同光强度照射元件表面，并同一时间量测反应电流变化，其中晶体管是p型(p-type)晶体管。不同的光能量包含0.118、1.018、9.98以及258微瓦(μW)，并以未照光所测得的电流作为对照。如图8所示，光能量约1μW就可让光感测装置的电流上升，其电流可以随着光线强度的增加而上升。之后，将光线能量降低，而光感测装置的电流也随之下降。此测试结果显示出本发明的光感测装置对光线的反应与其稳定性，灵敏度佳。

综上所述，本发明提出利用半导体制程制作成硅纳米通道结构，并在基底设计为晶体管的架构。通过光能量可以直接影响硅纳米通道内电子及空穴的分布，造成硅纳米通道的特性变化，将光能量转换为电信号，并藉由电信号量测方式取得信号的变化。另外，可以利用晶体管原理调控硅纳米通的特性，并运用于未来在光信号量测的参数调整，因此，本发明所提出的设计可以同时通过光能量与晶体管调控方式而达成多元化的应用，也藉此提高光感测的特性。本发明的光感测装置及利用其进行光感测的方法可应用于多种产业，例如：光电产业、生医产业、电子产业、能源产业等，并可用以开发多种产品，例如：光感测器、生物荧光感测器、影像感测器、相机、工业检测器等。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的范围为准。