多孔矽在感測器上的應用(林鼎剛)
1. 多孔矽濕度感測器
1.1述言
多孔矽電容型濕度感測器是利用電容的技術而測量出相應的濕度，而多孔矽濕度感測器內的多孔薄膜是一作為感應濕度的電介質，然而也需要一加熱器位於多孔薄膜兩側之下方，它的功用是把元件內多餘的水份趕出，而使元件處於重設的狀態。
使用多孔矽當作電容型濕度感測器的電介質薄膜，可以克服其它濕度感測器所擁有的缺點，像是在濕度感測器矽基上方的陶土和聚合體之電介質薄膜，多孔矽具有高靈敏度去變化所相對應的濕度，已經被記述，若使用多孔矽為介質薄膜所測出電容變化的值上升至2700% [4]，而上述是基本上相對應於10到95%濕度的變化。
1.2結構的製成步驟
多孔矽作為電介質層，這些感測器是利用矽基板做出表面較薄的多孔層而形成的，然後在沉積金層在多孔矽基板的頂部，當作一電極來使用。且通常使用鋁來作為矽的背面電極而形成歐姆接觸。結構圖如下圖一，圖二：
1.3 多孔矽濕度感測器的運作原理
多孔矽濕度感測器的運作原理其實是很簡單的，當把多孔矽濕度感測器置於含有溼氣的環境中，水份子就會凝結且進入micropores 中，而引起元件層和層之間電容之電容率的變化，即而可求出環境中所含有的水氣百分比。
1.4多孔矽濕度感測器的缺點
第一，在元件中電容對所殘餘矽反應的影響仍然是未知的，所以因此被忽
略的。第二，由於水被吸收於多孔矽層內的進和出，而造成元件的反應仍然是很遲鈍的。最後，又因元件的反應是非常依賴(金/矽)接觸的品質，但是由於接點缺乏可再現性而可能會妨礙這類型元件大量的生產。
1.5薄膜感測器結構(MEMBRANE SENSOR STRUCTURE)
為了要克服以上的這些問題而設計出薄膜型的感測器，事實上在多孔矽薄膜感測器的電容介質僅僅是由多孔矽的區域所組成。(意指:元件只有在多孔矽的區域作反應)而重設的電阻被放置於薄膜之下方用來驅動元件之歸零化，最後，把金電極在多孔矽形成之前鍍於矽基板之上方，而成為較具有可預料和可靠性的結構。圖二 (a) , (b) 呈現出這元件所組成的結構圖。
1.6薄膜感測器發展(MEMBRANE SENSOR DEVELOPMENT)
我們是利用先前的感測器和新感測器結構來比較並且測試其相異點，第一我們先沉積金於多孔矽薄膜形成之前和之後的比較，利用40%HF溶液(HF：ethanol = 1：1)於P-type的矽基板上，電流密度30mA/cm2，陽極化蝕刻5分鐘。元件成形後，再把沉積金於多孔矽薄膜形成之前和之後的感測器放入一環境測試的腔體內(Heraeus HC7020)，並且測試感測器對於相對濕度反應的變化。
圖三為濕度感測器元件被穩定置於10 %的相對濕度，一個小時後10 %的相對濕度上升至95 %的相對濕度。且使用HP4274A LCR計量器測量濕度感測器元件電容相應的變化。如下例圖三所示。
圖四為濕度感測器元件利用電阻加熱而使元件重設歸零和未使用電阻加熱重設歸零時間上的比較。
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2. 氣體感測器
2.1述言:
多孔矽在光的吸咐和光的發射具有很多展新和獨特的特性，像是高度多孔矽的表部面積(>200m2/cm3)和化學活躍性質，靈敏度和效率。且多孔矽擁有數種的應用例如包括光電元件，微電子機制系統(MEMS)和感測器，還有多孔矽元件的結構和設計都可相容於現今整體已成熟的矽超大積體(VLSI)的技術裡。然而也可利用多晶矽在不同的基板上形成多晶多孔矽，而在這我們呈現出基本的多孔矽有機氣體感測器之應用。
在鋁(Al)/多孔矽(porous Si)/p-Si/鋁(Al)蕭特基的二極體氣體感測器，此感測器在室溫2600ppm下對丙酮，甲醇，2-propanol和乙醇氣體的敏感度分別約為400，500，1000和4000%。相對的在800-2600ppm的乙醇，敏感度就為200-4000%。而且多孔矽感測器也可以被積體於其它的VLSI Si 元件裡，而成為最新的微電子系統。
2.2實驗步驟和應用
利用化學清洗所摻雜硼<100>p-Si 的晶圓，且在矽晶圓背面鍍上1um薄膜的鋁(Al)，並且在氮氣中以450℃/30min退火處理，以獲得良好均勻的歐姆接觸，這個步驟對於獲得均勻的陽極化電流和形成均勻的多孔矽層是非常重要的。次之再將多孔矽的樣品將浸泡於稀硝酸 (HNO3：DI=1：9) 溶液中5~10分鐘。而達到多孔矽表面鈍化的效果。
多晶矽(poly-Si)薄膜是以625℃/50min在LPCVD反應腔中利用silane的熱分解在p-Si基板上所形成的，並且再以相同溼蝕刻的方法吃出多孔矽。
為了要測出有機氣體，氣體感測器將被放置於一封閉的腔體內，並且裝滿丙酮，甲醇，2-propanol和乙醇之混合氣體的固定濃度(0~2600ppm)。並且依照所測的電流-電壓的特性來辨定出氣體的種類。PS：感測器的靈敏度是依照二極體電流的比例。
2.3結果和討論
圖一呈現出多孔矽應用於電壓的截面圖，圖中的多孔矽薄膜的厚度大約為3.7um。
圖二是呈現出多孔矽二極體感測器對2600ppm有機氣體(如丙酮，甲醇，2-propanol和乙醇之混合氣體)I-V特性曲線。PS：氣體感測器曝於有機氣體一分鐘後開始測量。
然而，在曝於2600ppm之有機氣體的電流被發現若依隨著順向偏壓的增加而快速的增加。例如：在乙醇的氣體，若電壓由3V增至12V，電流大約由4mA增至83mA，而靈敏度則大約由23倍至42倍左右。且圖二也呈現出鋁(Al)/多孔矽(porous Si)/p-Si/鋁(Al)二極體可以成為有機氣體最好感測器，特別是對乙醇的氣體感測，因為乙醇在我們日常生活裡是最容易接觸到的氣體，且圖二結果也呈現出氣體感測器在曝於幾千ppm乙醇氣體濃度中，將有很高靈敏度。而且可以利用這項特質再很多的應用上，例如：酒精測試的檢測員，測試人體血液所含酒精成份的濃度。
圖三為多晶多孔矽二極體感測器對2600ppm有機氣體(如丙酮，甲醇，2-propanol和乙醇之混合氣體)I-V特性曲線圖。PS：和圖二比較。