專利名稱：一種PIN結構4H-SiC紫外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，尤其是涉及一種探測波長為200 400 nm的SiC (碳 化硅)PIN紫外光電探測器。
技術背景紫外探測技術近年來日益成為世界各國關注的又一重要光電探測技術，其對于一個國家 的工業(yè)、國防和民用方面都有著潛在的應用前景，如火災報警、導彈尾焰探測及制導、太陽 光紫外線強度測定等。目前使用廣泛的硅基半導體紫外探測器件，雖然其技術工藝較為成熟， 但是由于其材料本身的限制，存在耐高溫性能差、高壓工作易損壞和使用時需配置濾波器等 缺點。隨著第三代寬帶隙半導體材料(如III族氮化物、金剛石、II-VI族化合物和碳化硅 等)的出現，特別是4H-SiC材料，由于其具有寬帶隙、高臨界擊穿電場和高熱導率等特點， 因此利用其制備的紫外光電探測器件的出現推動了紫外探測技術的發(fā)展。John T. Torvik等 在"IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 1999,46,7.，，文獻中報道了采用6H-SiC材料 制備的PIN結構紫外光電探測器，探測波長范圍為200 400 nm，且器件暗電流較小，其報道 結果從實驗角度驗證了碳化硅材料在紫外光電探測器件制備方面將具有良好的應用價值。發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種可用于在很強的可見及紅外光背景下檢測紫外信號的 PIN結構4H-SiC紫外光電探測器，以克服現有的硅基半導體紫外探測器件由于其材料本身的 限制，存在耐高溫性能差、高壓工作易損壞和使用時需配置濾波器等缺點。本實用新型設有n+型襯底，在n+型襯底上依次外延生長n型層、n—型層和p+型層，n+型 襯底背面為n型歐姆接觸電極，采用干法刻蝕工藝刻蝕一高度從表面p+型層到達n型層的器 件隔離臺階，隔離臺階和p+型層表面覆蓋氧化層，在p+型層表面的p型接觸電極窗口處沉積 p型歐姆接觸電極，p型歐姆接觸電極上一角覆蓋金屬層作為焊盤，覆蓋氧化層的臺面為器 件的光敏面。n+型襯底材料可采用4H-SiC、6H-SiC或3C-SiC等。n型層的摻雜濃度可為1.0X107cm3 1.0X10'7cm3。 n—型層的摻雜濃度可為1. OX 107cm3 5. OX 10'7cm3。 p+型層的摻雜濃度至少 為1.0X10'7cm3， p+型層的厚度為0. 1 0.5Pfli。 p型歐姆接觸電極可選用Ti/Au、 Al/Au、 Ti/Al/Au或Al/Ti/Au層。n型歐姆接觸電極最好為Ni/Au層。p型歐姆接觸電極上一角覆蓋 焊盤金屬層為Ti/Au層。在焊盤與p型歐姆接觸電極之間可沉積一薄金屬Ti層，該層起到 了增加焊盤金屬與器件表面黏附性的作用，沉積一薄金屬Ti層可采用磁控濺射或電子束蒸 發(fā)方法。光敏面面積大小可根據器件實際需要而設計其尺寸。氧化層起到器件鈍化膜和抗反 射膜雙重作用。本實用新型采用的PIN結構4H-SiC材料設計原理在于考慮一半導體材料pn結，由于它們之間存在著載流子濃度梯度，導致了空穴從p區(qū)到n區(qū) 以及電子從n區(qū)到p區(qū)的擴散運動。對于p區(qū)，空穴離開后，留下了不可動的帶負電荷的電離 受主，這些電離受主，沒有正電荷與之保持電中性。因此，在pn結附近p區(qū)一側出現了一個 負電荷區(qū)。同理，在pn結附近n區(qū)一側出現了由電離施主構成的--個正電荷區(qū)，通常就把pn 結附近的這些電離施主和受主所存在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)，也稱勢壘區(qū)。---般室溫附近， 對于絕大部分勢壘區(qū)，其中雜質雖然都已電離，但是載流子濃度比起n區(qū)和p區(qū)的多數載流子 濃度小得多，好象已經耗盡了，所以通常也稱勢壘區(qū)為耗盡區(qū)。耗盡區(qū)中的這些電荷產生了 從n區(qū)指向p區(qū)的電場，稱為內建電場。在內建電場作用下，電子向n區(qū)漂移，空穴向p區(qū)漂移。 然而必須指出的是，雖然耗盡區(qū)的內建電場足以使載流子的漂移速度達到極限值，但耗盡區(qū) 兩邊的P型和n型擴散區(qū)，電場分布趨于零，載流子的運動是濃度梯度引起的擴散運動，速度 較慢，因而影響了電子和空穴分別向n區(qū)和p區(qū)兩極漂移。為了減弱上述影響，應當盡量減小 零電場的P區(qū)和n區(qū)厚度而增加耗盡區(qū)厚度，并且還應盡量避免電子一空穴對在零電場內產 生。由于本實用新型P工N結構4H-SiC材料設計生長薄的p+層，其厚度約為0.2幽，摻雜濃度大 于i07on、并且在p+層和n層之間存在一輕摻雜較寬的rf層(本征I層)，其厚度約為O. 5剛， 摻雜濃度小于l(〕7cmi，使得電子—空穴對較為集中在I層產生，當PIN結外加反向偏壓情況下， I層中大量電子和空穴在外加反向偏壓和內建電勢共同產生的電場作用下，分別向n區(qū)和p區(qū) 兩極漂移后在外Hi路中產生電流。本實用新型PIN結構4H-SiC紫外光電探測器工作的基本原理如下當光電探測器工作時，在器件兩端加上大小為Vk的反向偏置，其在PIN結中形成的電場 和內建電場方向相同。根據半導體的光電效應可知，當半導體的P1N結受到光照，且入射光 子能量大于材料的禁帶寬度(/^>￡」時，就被半導體吸收，并激發(fā)p區(qū)、1區(qū)、n區(qū)的價帶電子，產生光生電子-空穴對。電場作用使電子和空穴分離，導帶中電子向n區(qū)運動，價帶 空穴向P區(qū)運動，在器件兩個電極上產生光電壓，在外電路上產生光電流，即將接收到的光 信號轉換成電信號輸出。本實用新型PIN結構4H-SiC紫外光電探測器的光譜響應范圍為200 400咖。短波限的出 現是因為波長小于200 ran的入射光由于其波長較短，光吸收系數大，所以光生載流子在穿過 耗盡層之前就因表面復合被吸收復合掉，很難導出在外電路形成光電流；長波限的出現是因 為4H-SiC材料的禁帶寬度i^ 3.2 eV,由公式& =Av，義r-C'，可算得義《 380 nm，因此本實用新型提供的紫外光電探測器對大于380 nm的入射光基本不響應，之所以還存在很小的 響應度是因為當入射光子能量小于4H-SiC材料的禁帶寬度而又大于金屬-半導體接觸下金屬 一邊的勢壘高度時，入射光激發(fā)金屬中的電子越過勢壘被半導體收集所致。

圖1是本實用新型PIN結構4H-SiC紫外光電探測器的結構示意圖。圖2是本實用新型PIN結構4H-SiC紫外光電探測器的光譜響應曲線。在圖2中，橫坐標為 波長Wavelength(nm)，縱坐標為響應度Responsivity (A/W),圖中曲線記號從上至下依次為 反向偏壓OV， -5V， -10V， -20V。
具體實施方式
參見圖1，以下實施例以PIN結構4H-SiC紫外光電探測器為例，設有!!+型4H-SiC襯底 2,在n'型4H-SiC襯底2上依次外延生長摻雜濃度為7. 4X 1(Tcm'和厚度為2陶的n型層11 、 摻雜濃度為3.5X107cm3和厚度為0.5 Mm的輕摻雜n—層(本征I層)10、摻雜濃度為2.0 X 107cnr'和厚度為0. 2Mffl的p+型層9， n'型4H-SiC襯底2背面是n型歐姆接觸電極Ni/Au 層1，采用干法刻蝕工藝刻蝕一高度從表面p'型層9到達n型層ll的器件隔離臺階3,臺 階3和p'型層9表面覆蓋的是氧化層4,在p'型層9表面的p型接觸電極窗口 8處沉積的 是P型歐姆接觸電極Ti/Al/Au層6，p型歐姆接觸電極Ti/A]/Au層6上一角覆蓋金屬Ti/Au 層作為焊盤5，覆蓋氧化層4的臺面是器件的光敏面7。本實施例P1N結構4H-SiC紫外光電探測器的具體制備方法說明如下。 首先對4H-SiC外延片進行標準清洗；使用干法刻蝕工藝刻蝕出器件隔離臺階3，高度從 表面p'型層9到達n型層11;外延片置氧化爐升溫至1100。C，通過千氧一〉濕氧一〉干氧交替 氧化的方法熱生長厚度70 nm的氧化層4;腐蝕p型接觸電極窗口 8處的氧化層，露出p型接 觸電極窗口 8;磁控濺射沉積p型接觸電極6;磁控濺射沉積n型接觸電極1;高溫退火使p型和n型電極形成歐姆接觸；制備焊盤5;對流片進行綜合測試分析；進行管芯劃片、壓焊，最后封裝成管。上述n+型4H-SiC襯底2的材料可采用其同質多型體6H-SiC或3C-SiC替代，同樣的制備方 法可以在6H-SiC或3C-SiC材料上實現。氧化層4起到器件鈍化膜和抗反射膜雙重作用，鈍化
膜可采用高溫熱氧化生成的氧化層，還可在氧化層上通過LPCVD或電子束蒸發(fā)覆蓋一層氮化 硅(Si,N,)膜。制備焊盤時在焊盤5和p型歐姆接觸電極6之間沉積一薄金屬Ti層，該層起 到了增加焊盤金屬與器件表面黏附性的作用。沉積金屬層可采用磁控濺射或電子束蒸發(fā)方 法。光敏面7的面積大小可根據器件實際需要設計。本實用新型所述的PIN結構4H-SiC紫外光電探測器的光譜響應測試采用一套由微機控制 的紫外顯微光譜系統，山功率為450W的氙燈經紫外單色儀分光后提供波長范圍為200 400nm 的紫外光源、紫外光纖、紫外顯微物鏡、微探針臺、KE1THLEY2410高壓源表、KEITHLEY6514 靜電計(測試精度O. ifA)和控制系統組成。圖2是本實用新型實施例PIN結構4H-SiC紫外光電探測器的光譜響應曲線。從圖2中 可以看出，器件的光譜響應范圍為200 400 nm，峰值響應波長約為270跳在0、 5、 10、 20V反向偏壓下器件的紫外可見比超過3個數量級。數據表明本實用新型實施例PIN結構 4H-SiC紫外光電探測器紫外光響應特性良好，紫外可見比高，因此器件可以在很強的可見及 紅外線背景下檢測微弱紫外光信號。
權利要求1.一種PIN結構4H-SiC紫外光電探測器，其特征在于設有n+型襯底，在n+型襯底上依次外延生長n型層、n-型層和p+型層，n+型襯底背面為n型歐姆接觸電極，采用干法刻蝕工藝刻蝕一高度從表面p+型層到達n型層的器件隔離臺階，隔離臺階和p+型層表面覆蓋氧化層，在p+型層表面的p型接觸電極窗口處沉積p型歐姆接觸電極，p型歐姆接觸電極上一角覆蓋金屬層作為焊盤，覆蓋氧化層的臺面為器件的光敏面。
2. 如權利要求1所述的一種PIN結構4H-SiC紫外光電探測器，其特征在于n型層的摻 雜濃度為1.0X10'7cm3 1.0X1019/cm3。
3. 如權利要求l所述的一種PIN結構4H-SiC紫外光電探測器，其特征在于n—型層的摻 雜濃度為1. OX 10'5/cm3 5. 0X 10'7cm3。
4. 如權利要求l所述的一種PIN結構4H-SiC紫外光電探測器，其特征在于p+型層的摻 雜濃度至少為1.0X107cm3。
5. 如權利要求1所述的一種PIN結構4H-SiC紫外光電探測器，其特征在于p+型層的厚 度為0. 1 0. 5Mm。
6. 如權利要求1所述的一種PIN結構4H-SiC紫外光電探測器，其特征在于p型歐姆接 觸電極上一角覆蓋焊盤金屬層為Ti/Au層。
7. 如權利要求1所述的一種PIN結構4H-SiC紫外光電探測器，其特征在于n+型襯底材 料為4H-SiC、 6H-SiC或3C-SiC。
8. 如權利要求l所述的一種PIN結構4H-SiC紫外光電探測器，其特征在于p型歐姆接 觸電極為Ti/Au層、Al/Au層、Ti/Al/Au層或Al/Ti/Au層。
9. 如權利要求l所述的一種PIN結構4H-SiC紫外光電探測器，其特征在于所述的n型 歐姆接觸電極為Ni/Au層。
專利摘要一種PIN結構4H-SiC紫外光電探測器，涉及一種光電探測器，尤其是涉及一種探測波長為200～400nm的SiC PIN紫外光電探測器。提供一種可用于在很強的可見及紅外光背景下檢測紫外信號的碳化硅(SiC)PIN結構紫外光電探測器。設有n⁺型襯底，在n⁺型襯底上依次外延生長n型層、n^-型層和p⁺型層，n⁺型襯底背面為n型歐姆接觸電極，采用干法刻蝕工藝刻蝕一高度從表面p⁺型層到達n型層的器件隔離臺階，隔離臺階和p⁺型層表面覆蓋氧化層，在p⁺型層表面的p型接觸電極窗口處沉積p型歐姆接觸電極，p型歐姆接觸電極上一角覆蓋金屬Ti/Au層作為焊盤，覆蓋氧化層的臺面為器件的光敏面。
文檔編號H01L31/105GK201032635SQ20062015658
公開日2008年3月5日 申請日期2006年12月23日 優(yōu)先權日2006年12月23日
發(fā)明者盧嵩岳, 吳正云, 朱會麗, 凌 李, 陳廈平 申請人:廈門三優(yōu)光機電科技開發(fā)有限公司;廈門大學