專利名稱：4H-SiC雪崩光電探測器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光電探測器，尤其是涉及一種具有內部增益的4H-SiC基雪崩半導 體紫外光電探測器。
背景技術：
紫外光電探測器在軍事、工業(yè)和民用方面都有很重要的應用。對紫外光線的探測目前一 般采用硅基紫外光電探測器，但是文獻(1.高技術通訊，2002: 104 — 109; 2.半導體光電， 2003， 24 (1): 5 — 11)指出，硅基半導體紫外測試技術可利用成熟的硅工藝，但由于硅材料 自身能帶的限制，使硅基光電探測器對可見光和紅外光都很敏感，因此當作為紫外光電探測 器使用時，要在窗口加上復雜而且昂貴的濾波片。4H-SiC的帶隙寬度約為3.24eV，使其可以 直接對紫外光探測而不考慮可見和紅外光背景對紫外信號的影響。另外，因為4H-SiC空穴 與電子的離化系數比約為10，使4H-SiC適合做雪崩光電探測器(具有小的倍增噪聲)。雪崩 半導體光電探測器具有內部增益，可以提高測量的靈敏度，也可以對小信號和單光子進行檢 測。目前小信號和單光子的檢測一般用光電倍增管，但是這種檢測器件存在尺寸較大、易損 壞以及需在高壓低溫下工作等缺點。Feng Yan等(Solid-State Electronics, 2000, 44: 41)和 Xiangyi Guo等(IEEE Photonics TechnologyLetters,2006, 18( 1): 136)報道了相似結構的4H-SiC 雪崩紫外光電探測器，其缺點是在較高的擊穿電壓下才能達到較高的倍增因子。因為雪崩探 測器正常的工作電壓在擊穿電壓附近，所以在保證4H-SiC雪崩紫外光電探測器性能優(yōu)異的前 提下，擊穿電壓越低越好。
發(fā)明內容
本實用新型的目的在于針對現有的4H-SiC雪崩紫外光電探測器存在的在較高的擊穿電 壓下才能達到較高的倍增因子等不足，提供一種在低擊穿電壓下具有高的內部增益，對可見 光與紅外光不敏感，可以直接對紫外光、微弱信號和單光子信號進行檢測的4H-SiC雪崩光電 探測器。本實用新型的技術方案是采用了吸收層與倍增層分離雪崩光電探測器結構，這種結 構既可以降低器件的擊穿電壓，提高器件的響應時間，又可以提高器件的量子效率。
本實用新型設有n+型4H-SiC襯底，在n+型4H-SiC襯底上從下到上依次生長n型外延吸 收層(簡稱吸收層)、n型外延倍增層(簡稱倍增層)和p+外延層，n型外延吸收層可以為非
故意摻雜的本征層或者摻雜濃度范圍在lxlO'S/cn^ lxl()"/cmS的輕摻雜層，其厚度為0.5 2pm; n型外延倍增層的摻雜濃度范圍在Ixl0l6/cm3 lxl0l8/cm3，其厚度為0.05 0.5pm; p+ 外延層其摻雜濃度至少為lxlOl8/cm3，其厚度為0.1 0.5nm。器件的表面通過熱氧化生成一 層氧化硅的鈍化膜，在p+外延層上設有P型電極，在p型電極上磁控濺射Ti/Au作為焊盤接 觸金屬，在襯底的背面設有n型電極。
本實用新型最好設有至少3個臺面，臺面寬度最好小于50pm。臺面最好設3個，3個臺 面的位置分別設在襯底，n型外延倍增層和p+外延層上。p型電極最好為金屬Ti/Au、 Al/Au、 Al/Ti/Au或Ti/Al/Au電極，n型電極最好為Ni/Au電極。
碳化硅材料襯底及3個外延層的作用如下選擇重摻雜的n型碳化硅襯底是因為與p型 碳化硅相比具有更低的電導率。p+外延層一是用來形成p型歐姆接觸，另一作用是與n型外 延倍增層形成器件需要的p-n結。因為n型外延倍增層的摻雜濃度比p+外延層的摻雜濃度低 2個數量級，當加反向偏壓時，p-n結的耗盡層基本上都在n型外延倍增層一側，所以n型外 延倍增層內電場強度比較高，構成了器件的倍增區(qū)。n型外延吸收層的厚度較大，光線大部 分在這層被吸收，此層是器件的吸收層。這種吸收層與n型外延倍增層分離的結構可以使器 件的倍增層足夠小而吸收層盡量厚。由于n型外延倍增層較小，因此能夠使整個器件發(fā)生統(tǒng) 一的倍增效應，而延長吸收層厚度可以有效地增加器件的量子效率。
本實用新型的原理如下。在實際應用中，要求探測器在較低的偏壓下工作。當然，從交 流直流轉換器的體積及可靠性的要求來說，更低的工作電壓是合乎要求的。對于雪崩光電探 測器，其正常的工作電壓在擊穿電壓附近，所以在保證雪崩探測器性能的基礎上擊穿電壓越 低越好。為了使雪崩型光電探測器在具有高性能的同時具有比較低的擊穿電壓，可以將載流 子漂移區(qū)內的電場減小到比較低但仍足以保持載流子以飽和漂移速度漂移的值。為了滿足這 一要求，采用了吸收層與倍增層分離的穿通型雪崩光電探測器結構。這種結構使器件的倍增 層足夠小而吸收層盡量厚。倍增層較小能夠使整個器件發(fā)生統(tǒng)一的倍增效應，而延長吸收層 厚度可以有效地增加器件的量子效率。這種結構的特點是當反向電壓達到器件的穿通電壓后， 耗盡區(qū)就從p+擴展到襯底。但是只有在雪崩區(qū)具有產生載流子碰撞離化所需的高電場，其中 一部分電壓降落在雪崩區(qū)，而另一部分電壓降落在吸收區(qū)。光線從正面入射，當入射到雪崩 光電探測器光敏面上的光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度時，就能通過本征激發(fā)使 一個電子從價帶躍遷到導帶，從而產生載流子。在耗盡區(qū)電場的作用下，電子-空穴對向器件 的兩端漂移，空穴將會在電場的作用下向P-n結附近的倍增區(qū)漂移。在一個高反向偏置的p-n 結的高電場區(qū)中，空穴以飽和速度漂移并從電場獲得足夠的能量，從而通過碰撞離化激發(fā)新的電子-空穴對。 一連串這樣的碰撞離化導致載流子倍增。由此可見，與現有的光電探測器相 比，本實用新型具有以下突出的優(yōu)點。1.由于4H-SiC材料的帶隙寬度為3.24eV，因此光譜 響應范圍在紫外光波段，對可見光和紅外光不響應。2.由于采用了吸收層與倍增層分離的穿 通型結構，因此器件具有擊穿電壓低、響應時間快及量子效率高等優(yōu)點。3.采用多臺面終端 結構有效地抑制了器件的邊緣擊穿，使器件具有高的倍增因子，提高了器件紫外探測的靈敏 度，可以進行微弱信號與單光子信號的檢測。4.具有耐高溫和抗輻射的優(yōu)點。

圖1為本實用新型實施例的截面結構示意圖。 圖2為圖1的俯視圖。
圖3為本實用新型實施例的光電流、暗電流以及倍增因子隨電壓的變化關系。在圖3中， 橫坐標為反向電壓/V，左縱坐標為電流/A，右縱坐標為倍增因子。3組曲線從上至下依次為 光電流(Photo current)、日音電流(Dark current)和倍增電流(Gain)。
圖4為本實用新型的4H-SiC雪崩紫外光電探測器的光譜響應曲線。在圖4中，橫坐標為 入射波長(nm)，縱坐標為相對光譜響應，上曲線為0V，下曲線為30V。
具體實施方式
參見圖1和2，本實用新型的4H-SiC雪崩紫外光電探測器主要包括重摻雜的n型碳化硅 襯底2，以及在襯底上從下到上依次生長的3層外延層，分別為n型外延吸收層ll、 n型外 延倍增層10和p+外延層9;最深的臺階3作為器件之間的隔離，上面2個臺面統(tǒng)稱為臺面5， 作為器件結構的終端外延，抑制器件電流集邊效應并防止器件邊緣的提甜擊穿；樣品表面包 裹氧化層4;器件最上層是被氧化層4保護的光敏面7。光敏面7上有環(huán)型并帶有兩個插絲的 p型電極8，電極上設有焊盤6;整個器件的背面是n型電極1。光敏面7可以為圓形也可以 為其它形狀，P型電極隨著光敏面形狀的改變而改變。為了更好地收集載流子，電極都是環(huán) 繞光敏面的環(huán)形，并帶有伸向光敏面中心的插絲。鈍化層可以為熱氧化生成的氧化層，也可 以是在熱氧化生成的氧化層上面再采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVU)或者低壓化學氣 相沉積(LPCVD)生長一層氧化硅或者氮化硅的鈍化層。
以下給出制備4H-SiC雪崩紫外光電探測器的實例。
1.對生長好的外延片標準清洗先用甲苯、丙酮和乙醇超聲清洗3遍，用去離子水洗凈; 分別煮一號液(氨水過氧化氫:水=1:1:5)和二號液(鹽酸:過氧化氫:水=1:1:5)各15min， 用去離子水洗凈；將芯片放入氫氟酸中浸泡3 5min，用去離子水洗凈后用氮氣吹干待用。2.制 備臺面設從外到內3個臺面的深度分別為dl(1.6Mffl)、 d2(0.4M和d3(0.25Wn)，則具體的
臺面制備過程如下采用第一塊光刻版光刻最外面臺面圖形，顯影使臺面上的光刻膠去掉； 濺射鎳金屬作為后面干法刻蝕的掩模；采用等離子誘導干法刻蝕深度為dl-d2;用王水腐蝕 掉芯片表面的鎳；清洗后用第二塊光刻版光刻出第二個臺面的圖形，直接用光刻膠作為干法 刻蝕的掩膜進行第二次干法刻蝕，刻蝕深度為d2-d3;清洗掉表面的光刻膠，采用第三塊光 刻版光刻出最里面的臺面圖形，用光刻膠做第三次刻蝕的掩膜，進行第三次干法刻蝕，刻蝕
厚度為d3。這樣同時形成3個臺面。最終隔離臺面位于襯底層，2個臺面終端外延分別位于 芯片的n型外延倍增層和p+外延層。3.制備氧化層熱氧化前首先再次做標準清洗，第一次
熱氧化也叫犧牲層的氧化；將芯片放進氧化爐中，采用干氧、濕氧和干氧交替氧化厚度約為 100A的氧化層；取出第一次氧化好的樣品，放入緩沖氫氟酸溶液進行腐蝕，去除第一次氧化 形成的氧化層，用去離子水沖洗干凈；將芯片再次放進氧化爐進行第二次氧化。二次氧化同
樣采用干氧、濕氧和干氧交替，生成厚度約為600A的氧化層作為芯片的鈍化層。4.制備電
極在光敏面上光刻環(huán)形的帶有兩個插絲p型電極區(qū)，并用緩沖氫氟酸腐蝕掉電極圖形處的
氧化層磁控濺射Ti/Al/Au作為p型電極接觸金屬；芯片襯底的背面用來形成n型歐姆接觸， 其制備過程如下器件正面用光刻膠保護，然后用緩沖氫氟酸腐蝕掉背面氧化層，再在襯底 的背面磁控濺射Ni/Au作為n型電極接觸金屬；最后兩種歐姆接觸同時在高溫下退火最后形 成良好的歐姆接觸；最后，光刻方形的焊盤區(qū)，磁控濺射Ti/Au作為燥盤金屬。 以下通過測試電路對器件進行測試，其測試方法和結果如下。
光電流、暗電流以及光譜響應的測量可采用電腦控制的一套測試系統(tǒng)完成，測試系統(tǒng)包 括一臺Keithley 2410源流表用來提供器件測量吋需要的外加偏壓， 一臺Keithley 6514靜電計， 可以對微弱電流測量，精度可達到O.lfA。光譜響應測量所用的光源為功率450W的氛弧燈， 由單色儀進行分光。由于單色儀的限制，測量的波長范圍為200 400nm。光源通過一個紫外 增強的標準硅222探測器進行校準。測試得到的器件的光電流、暗電流及直流倍增因子如圖 3所示。由圖3看出.器件的暗電流在10pA數量級，光電流是在280nm波長的紫外光照射下 獲得的?？梢钥闯觯趩尾ㄩL的入射光照射下，器件的光電流比暗電流高出3個數量級，說 明本實用新型對紫外光具有靈敏的響應。器件的擊穿電壓約為55V，在擊穿電壓附近，直流 倍增因子大于104。這些結果說明器件在低的擊穿電壓下具有高的倍增因子，使器件的探測靈 敏度有很大的提高，滿足了器件設計的要求。圖4給出器件的光譜響應曲線。在OV偏壓下， 本實用新型的響應波長范圍在200 380nm，響應波長的峰值位于260nm，而器件的紫外可見 比約為IOOO。隨著反向電壓的升高，響應度相應的提高。這些結果說明器件能夠有效的進行 紫外光的探測，而基本上不受可見光及紅外光背景的影響。
權利要求1.4H-SiC雪崩光電探測器，其特征在于設有n+型4H-SiC襯底，在n+型4H-SiC襯底上從下到上依次生長n型外延吸收層、n型外延倍增層和p+外延層，n型外延吸收層可以為非故意摻雜的本征層或者摻雜濃度范圍在1×1015/cm3～1×1016/cm3的輕摻雜層，其厚度為0.5～2μm；n型外延倍增層的摻雜濃度范圍在1×1016/cm3～1×1018/cm3，其厚度為0.05～0.5μm；p+外延層其摻雜濃度至少為1×1018/cm3，其厚度為0.1～0.5μm，器件的表面通過熱氧化生成一層氧化硅的鈍化膜，在p+外延層上設有p型電極，在p型電極上磁控濺射Ti/Au作為焊盤接觸金屬，在襯底的背面設有n型電極。
2. 如權利要求1所述的4H-SiC雪崩光電探測器，其特征在于設有至少3個臺面，臺面 寬度小于50nm。
3. 如權利要求2所述的4H-SiC雪崩光電探測器，其特征在于臺面設3個，3個臺面的 位置分別設在襯底，n型外延倍增層和p+外延層上。
4. 如權利要求1所述的4H-SiC雪崩光電探測器，其特征在于p型電極為Ti/Au電極、 Al/Au電極、Al/Ti/Au電極或Ti/Al/Au電極。
5. 如權利要求1所述的4H-SiC雪崩光電探測器，其特征在于n型電極為Ni/Au電極。
專利摘要4H-SiC雪崩光電探測器，涉及一種光電探測器。提供一種在低擊穿電壓下具有高的內部增益，對可見光與紅外光不敏感，可直接對紫外光、微弱信號和單光子信號進行檢測的4H-SiC雪崩光電探測器。設有n⁺型4H-SiC襯底，襯底上從下到上生長n型外延吸收層、n型外延倍增層和p⁺外延層，吸收層為非故意摻雜的本征層或摻雜濃度1×10¹⁵/cm³～1×10¹⁶/cm³的輕摻雜層；倍增層摻雜濃度1×10¹⁶/cm³～1×10¹⁸/cm³，厚度為0.05～0.5μm；p⁺外延層摻雜濃度至少為1×10¹⁸/cm³，厚度為0.1～0.5μm。器件表面為鈍化膜，在p⁺外延層上設p電極，p電極上設焊盤，襯底背面設n電極。
文檔編號H01L31/18GK201000897SQ200620156550
公開日2008年1月2日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權日2006年12月20日
發(fā)明者吳正云, 朱會麗, 陳廈平 申請人:廈門大學