氧化鋅鎵系列光電與感測元件之製程開發及特性研究

近年科技產業的發展，智慧行動裝置的發展總環繞物聯網 (Internet of Things, IoT)技術衍伸出各項應用層面商品的問世，例如：環境中的可穿戴式裝置、智能居家系統監控裝置、智慧感知照明裝置、智慧自控駕駛系統裝置、智慧醫療監控裝置…等用途，這些裝置會使用到大量的感測器。氧化鎵鋅(ZnGa2O4)是一種具有光學特性的絕緣材料，晶體結構為尖晶石結構，屬於化學與熱穩定性佳的金屬氧化物，其薄膜能隙值約5 eV，早期氧化鎵鋅主要應用在藍光螢光粉、反射光學塗料、真空螢光顯示器上，直到近幾年來高功率、高效率元件材料為了因應現代科技的需求，寬能隙材料才開始受到重視，目前使用磁控共濺鍍沉積法來製備ZnGa2O4薄膜元件之研究相當稀少，因此本計畫將運用多年豐富的薄膜磊晶與元件製作經驗，克服尖晶石結構之組成穩定性控制問題，逐步改善氧化鎵鋅材料之材料物理性質，進一步應用於深紫外光感測器、微機電系統氣體感測器及薄膜電晶體等元件。計畫第一年將以氧化鋅與氧化鎵陶瓷靶材利用磁控共濺鍍法沉積ZnGa2O4薄膜，沉積的過程將使用不同氬氣/(氧氣+氬氣)比例，並藉由熱退火製程優化薄膜特性，預期隨著退火溫度的提高，可以提升薄膜的結構品質，同時達到85%以上的穿透率，在MSM結構之紫外光感測器的光響應表現達到1 A/W，響應拒斥比有5個級距以及on/off電流比大於5個級距。計畫第二年則將優化前一年ZnGa2O4薄膜製程參數，並額外設計MIS與Schottky結構之深紫外光感測器；氣體感測器方面，將著重在微機電加熱器與MSM結構的製程，預期微加熱器能在10秒達到所需工作溫度，感測器具氣體辨識功能，靈敏度誤差 < 30%，對氣體偵測能力最低達到< 10 ppb。計畫第三年設計不同材料之閘極介電層的ZnGa2O4薄膜電晶體，藉由調變通道厚度，製備元件最佳參數。相信氧化鎵鋅寬能隙半導體材料能解決現今產業對於深紫外光感測器、氣體感測器與功率電晶體所遭遇的問題。