SiC肖特基紫外探測器的製作方法

2023-05-20 05:16:16 1

專利名稱：SiC肖特基紫外探測器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於半導體光電探測器技術領域，特別涉及SiC肖特基紫外探測器。
背景技術：
紫外探測技術是繼紅外和雷射探測技術之後發展起來的又一重要的光電探測技術。紫外探測技術在醫學、生物學、軍事等領域的應用前景廣闊，對一個國家的國防和國民經濟建設均有很重要的意義。
中國《高技術通訊》(2002年3月，第104-109頁)和中國《半導體光電》(2003年2月，第24卷第1期，第5-11頁)指出，矽基半導體紫外探測技術可利用成熟的矽工藝，但其探測器需配置笨重的濾光器，且耐高溫、耐腐蝕性較差。
技術內容本實用新型提供一種能用於檢測紅外或可見光背景下紫外信號的SiC肖特基紫外探測器。
這種SiC肖特基紫外探測器，特徵在於其襯底(1)是n+型半導體SiC，襯底(1)背面是採用電子束蒸發併合金形成歐姆接觸的Ti、Ni和Ag三層金屬或Ni單層金屬(2)，襯底(1)上面是n型SiC外延層(3)，外延層(3)上面直徑300μm～1000μm的有源區是用電子束蒸發金屬併合金形成肖特基接觸的薄金屬層(4)，其厚度為50nm～150nm，在有源區薄金屬層(4)、n型SiC外延層(3)及n+型SiC襯底(1)周圍直徑為350μm～1050μm的區域是鈍化層(5)，在鈍化層(5)與有源區薄金屬層(4)及有源區薄金屬層上面直徑為320μm～1020μm的區域是電子束蒸發厚度為0.8～1.2μm的有源焊接區厚金屬層梳狀電極(6)，在有源區薄金屬層上面塗有防反射的透明膜(7)。
上述的半導體SiC可採用4H-SiC或6H-SiC；有源區薄金屬層可採用功函數大於SiC的金屬，如Au或Ni等金屬中的一種；有源焊接區厚金屬層採用與有源區薄金屬層相同的金屬材料；鈍化層可採用SiO2或Si3N4；防反射的透明膜可採用ZnS。
本實用新型SiC肖特基紫外探測器主要基於如下原理n型寬禁帶半導體SiC與功函數大於SiC的金屬Au、Ni接觸時，由於SiC的功函數小於Au、Ni等金屬的功函數，電子流向金屬使金屬帶負電，而使半導體SiC表面形成了一個正的空間電荷區，這樣便形成了一個電場方向由半導體指向金屬的勢壘區，稱之為肖特基勢壘。
SiC肖特基紫外探測器主要基於肖特基勢壘能產生光伏效應的特性入射光被半導體SiC吸收並產生空穴-電子對，產生的空穴-電子對被肖特基勢壘區的電場分開形成載流子，當載流子漂移通過勢壘區時，在外電路形成光生電壓或電流。SiC肖特基紫外探測器主要有以下兩種工作方式(1)入射光子能量hv＞Eg半導體SiC的禁帶寬度，且加在探測器上的反偏壓V＜＜VB探測器的雪崩擊穿電壓。在這種條件下，入射光穿過金屬層在半導體SiC表面被吸收並激發產生空穴-電子對，空穴-電子對迅速被勢壘區分開並在外電路形成電壓或電流。(2)入射光子能量hv＞Eg半導體SiC的禁帶寬度，且加在探測器上的反偏壓V≈VB探測器的雪崩擊穿電壓。在這種條件下，入射光在半導體SiC中激發出來的空穴-電子對非常迅速地被分開，在高場下運動並獲得很高的能量後通過碰撞繼續激發出新的空穴-電子對，從而形成載流子的雪崩倍增。這種工作方式下的SiC肖特基紫外探測器屬於雪崩光電二級管中的一種。
由hv＞Eg可知SiC肖特基紫外探測器光譜響應範圍的長波限λC＝hc/Eg，由半導體SiC的禁帶寬度Eg決定例如，器件採用的SiC若是4H-SiC，則其禁帶寬度約3.25eV，可計算出長波限約為382nm；若是採用6H-SiC，其禁帶寬度約3.0eV，計算出長波限約為413nm。短波限的出現主要是因為短波長入射光的吸收係數太大，入射光子能量太高，激發出來的載流子很容易被複合而消失掉，所以即使入射光被吸收了也很難在外電路形成明顯的光生電壓或電流。實驗測得4H-SiC肖特基紫外探測器光譜響應範圍為200～400nm，其中382～400nm的響應非常小。
本實用新型SiC肖特基紫外探測器的結構簡單，製作簡便，其主要特點是1、光譜響應範圍是紫外光波段，而對可見光和紅外輻射不響應，這是由半導體SiC的寬禁帶決定的；2、在太陽光或紅外線背景中使用不必配置濾光器，而且耐高溫、抗輻射；3、響應時間短，量子效率高。肖特基勢壘層就在半導體表面，光激發的載流子絕大部分直接產生在勢壘區，不用經過擴散就處於勢壘區，不僅省去了擴散時間，也減少了複合損失，所以探測器響應快、效率高；4、暗電流低，信噪比高。


附圖1是本實用新型SiC肖特基紫外探測器的結構示意圖。
附圖2是SiC肖特基紫外探測器在7V反偏壓下的光譜響應圖。
具體實施方式
實施例1本實施例SiC肖特基紫外探測器採用的具體製作方法如下製備器件的半導體材料4H-SiC；襯底n+型，電阻率0.014Ω·cm，厚度300μm；外延層n型，摻雜濃度3.3×1015/cm3，厚度10.0μm，微管缺陷＜10/cm3。
本實施例以Au/n-4H-SiC為例，製作的工藝流程如下先清洗SiC，然後進行高溫高純氧氣氧化，幹氧30分鐘+溼氧5小時+幹氧30分鐘，接著去除背底保護外延區的SiO2，再進行背底電子束蒸發Ti、Ni和Ag(總厚度為600～1500nm)或Ni(厚度為600～1500nm)，在高純氬氣保護下進行950℃合金5～8分鐘，再光刻有源區SiO2(保護背底)，然後電子束蒸發有源焊接區厚Au(800nm～1200nm)，接著光刻壓焊區，電子束蒸發薄Au有源區50～150nm，光刻有源區和壓焊區Au，再在純度99.99％的氬氣保護下進行有源區650℃肖特基合金5分鐘，然後進行初測、劃片、引線焊接、封裝，即成為如附圖1所示的SiC肖特基紫外探測器的器件。
本實施例製作的SiC肖特基紫外探測器，襯底是n+型SiC(1)，襯底背面為採用電子束蒸發併合金形成歐姆接觸的TiNiAg層(2)，襯底上面是n型SiC外延層(3)，外延層上面中間有源區是電子束蒸發併合金形成肖特基接觸的薄金屬層(4)，在有源區薄金屬層、n型SiC外延層及n+型SiC襯底約三分之一上部的周圍是鈍化層(5)，在鈍化層與有源區薄金屬層相鄰的區域及有源區薄金屬層上面的部分區域為以電子束蒸發有源焊接區厚金屬層梳狀電極(6)，在有源區薄金屬層上面塗上防反射的透明膜(7)。
Ni/n-4H-SiC的製備過程與Au/n-4H-SiC相似，不過要在薄Ni有源區上面覆蓋薄Au，以防止Ni在空氣中被氧化。為了避免大的反射和吸收損失，有源區金屬層必須很薄，還可在探測器的表面塗上防反射的透明膜ZnS。
最後綜合測試分析。
測量光譜響應曲線時可用M850螢光分光光度計(200～600nm)產生的連續紫外光照射探測器。具體測量時可設計一個合適的測量電路，要點如下(1)把探測器的一端連接變阻器，另一端連接一個有10MΩ負反饋電路的運放(如MAX432)倒相輸入端，運放輸出端接記錄儀。這樣探測器產生的光電流經10MΩ的電阻輸出到記錄儀上，由記錄儀顯示光譜響應曲線。通過變阻器可改變加在探測器上的反偏壓，從而可測出探測器在不同偏壓下的光譜響應曲線。可用LP-3A型雷射功率測試儀測出照射在探測器上的入射光功率，算出量子效率和光譜響應度。(2)在測量電路中可採用多個不同電容值的濾波電容，在正負電源的接入電路上可分別採用三端穩壓78系列和79系列以減少電源不穩定信號對整個測量電路的影響，在變阻器的兩端可再並聯穩壓管以儘量減少電源不穩定信號對探測器的影響。
附圖2給出了SiC肖特基紫外探測器在7V反偏壓下的光譜響應的具體測量結果圖中的橫坐標為入射光波長，單位是nm；縱坐標為光譜響應度，單位是mA/W；曲線A是Au/n-4H-SiC肖特基紫外探測器在7V反偏壓下的光譜響應曲線，曲線B是Ni/n-4H-SiC肖特基紫外探測器在7V反偏壓下的光譜響應曲線。
由附圖2可知，在7V反偏壓下，Ni/n-4H-SiC肖特基紫外探測器在300nm處光譜響應度達到峰值45.84mA/W，Au/n-4H-SiC肖特基紫外探測器在300nm處光譜響應度達到峰值86.72mA/W；Ni/n-4H-SiC和Au/n-4H-SiC肖特基紫外探測器光譜響應範圍均是200～400nm。
採用以下方法可進一步提高探測器的光譜響應度(1)給探測器加反偏壓；(2)採用結晶質量高的SiC半導體；(3)增大探測器有源區面積；(4)減小SiC外延層厚度。
根據原理分析，SiC肖特基紫外探測器的半導體SiC也可採用6H-SiC代替4H-SiC。
權利要求1.一種種SiC肖特基紫外探測器，特徵在於其襯底(1)是n+型半導體SiC，襯底(1)背面是採用電子束蒸發併合金形成歐姆接觸的Ti、Ni和Ag三層金屬或Ni單層金屬(2)，襯底(1)上面是n型SiC外延層(3)，外延層(3)上面直徑300μm～1000μm的有源區是用電子束蒸發金屬併合金形成肖特基接觸的薄金屬層(4)，其厚度為50nm～150nm，在有源區薄金屬層(4)、n型SiC外延層(3)及n+型SiC襯底(1)周圍直徑為350μm～1050μm的區域是鈍化層(5)，在鈍化層(5)與有源區薄金屬層(4)及有源區薄金屬層上面直徑為320μm～1020μm的區域是電子束蒸發厚度為0.8～1.2μm的有源焊接區厚金屬層梳狀電極(6)，在有源區薄金屬層上面塗有防反射的透明膜(7)。
2.如權利要求1所述的SiC肖特基紫外探測器，特徵在於所述半導體SiC採用4H-SiC或6H-SiC；有源區薄金屬層採用功函數大於SiC的金屬Au或Ni，有源焊接區厚金屬層採用與有源區薄金屬層相同的金屬材料；鈍化層採用SiO2或Si3N4；防反射的透明膜採用ZnS。
專利摘要本實用新型SiC肖特基紫外探測器，特徵是其襯底為n+型半導體SiC(1)，襯底背面採用電子束蒸發併合金形成歐姆接觸的TiNiAg層(2)，襯底上面是n型SiC外延層(3)，外延層上面中間有源區是電子束蒸發併合金形成肖特基接觸的薄金屬層(4)，在有源區薄金屬層、n型SiC外延層及n+型SiC襯底約三分之一上部的周圍是鈍化層(5)，在鈍化層與有源區薄金屬層相鄰的區域及有源區薄金屬層上面的部分區域是電子束蒸發有源焊接區厚金屬層梳狀電極(6)，有源區薄金屬層上面塗有防反射的透明膜(7)。本探測器可用於檢測紅外線或可見光背景下的紫外信號。
文檔編號G01J1/02GK2703329SQ20032012316
公開日2005年6月1日 申請日期2003年12月31日 優先權日2003年12月31日
發明者謝家純, 王麗玉 申請人:中國科學技術大學