一種具有增益的紫外探測器結構及其製備方法

2023-07-04 19:35:41

專利名稱：一種具有增益的紫外探測器結構及其製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件技術領域，特別涉及一種基於SiC的具有增益的紫外探測器結構及其製備方法。
背景技術：
紫外探測技術是近50年來新發展起來的一項技術，在軍事和民用等領域具有廣泛而重要的應用，因而成為國內外研究開發的重點課題。對於軍事方面，紫外探測器在紫外對抗與反對抗技術、紫外製導及預警系統、紫外保密通訊等領域發揮了重要應用；對於民事方面，紫外探測器可用於如火焰探測、刑事偵查、天文觀測、醫療保健等日常生產、生活等眾多領域。寬禁帶半導體材料碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、金鋼石(C)等，由於其較寬的帶 隙，能夠在很強的可見及紅外線背景下檢測200 380nm波段的紫外光，同時具有耐高溫及高效、高可靠性的特點，是理想的製備紫外光電探測器的材料。目前，用來製備紫外探測器較為成熟的材料是GaN、SiC。其中，SiC材料作為光電探測器的優勢包括(I) SiC材料自身有襯底，且隨著SiC材料在功率器件方面的快速發展和應用，其材料質量相對較高，其缺陷密度遠低於GaN的缺陷密度，因而有利於製備大面積光電器件。(2) SiC是可以在其上直接熱氧生成高質量的SiO2的化合物半導體材料，其熱氧形成的SiO2作為鈍化層，可降低器件表面的漏電流。(3)由於SiC材料在功率器件方面巨大的應用前景，SiC器件的相關製備工藝發展較快。這些因素為SiC作為製備紫外光電探測器的材料提供了良好的基礎。目前，SiC材料的研究主要集中在帶隙較寬的4H_SiC材料上。基於SiC的紫外探測器，常見的結構有肖特基(Schootky)光電二極體、p_i_n光電二極體、金屬-半導體-金屬(MSM)光電探測器和雪崩光電二極體(APD)等。其中，Schottky、p-i-n和MSM結構的SiC光電探測器，其製備工藝相對簡單，具有較低的工作偏壓，但都沒有內部增益，對微弱光信號的響應度很低，無法滿足對微弱紫外光信號的探測需求，使其應用受到一定的限制。與其它結構的探測器相比，4H_SiC紫外APD器件，利用雪崩倍增機制實現內部增益和光電流放大，靈敏度高、響應速度快，適合進行紫外微弱信號的探測。4H-SiC材料的APD紫外探測器的特點是，在工作中能夠實現高的增益，但在使用時需加高的偏置電壓，這會給器件帶來較高的噪聲，降低器件的信噪比；並且為了提高器件的擊穿電壓，往往需要在器件結構中加入結終端設計，這增加了器件的製備工藝難度。

發明內容
(一 )要解決的技術問題有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種紫外光探測器及其製備方法，以在不需要高的偏置電壓下實現光增益，並避免器件中較高的雪崩噪聲。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種基於SiC的具有增益的紫外探測器，該紫外探測器包括半絕緣SiC襯底；在該半絕緣SiC襯底上外延生長的P型緩衝SiC外延層；在該P型緩衝SiC外延層上外延生長的η型SiC外延層；在該η型SiC外延層上外延生長的η+型SiC外延層；部分刻蝕該η+型SiC外延層至露出該η型SiC外延層從而在該η型SiC外延層表面形成的條狀凹柵區；在該條狀凹柵區兩側未被刻蝕的該η+型SiC外延層上形成的源漏區歐姆接觸源極和漏極；在該條狀凹柵區上形成的透明肖特基勢壘柵極；以及在歐姆接觸源極、漏極與透明肖特基勢壘柵極之間形成的鈍化介質層。上述方案中，所述半絕緣SiC襯底厚度為300 400nm ;所述p型緩衝SiC外延層厚度為O. 5 2 μ m ;所述η型SiC外延層厚度為O. 2 O. 4 μ m ;所述n+型SiC外延層厚度為 O. I O. 2 μ m。 上述方案中，所述P型緩衝SiC外延層，摻雜濃度為I X IO15 5 X IO15CnT3 ;所述η型SiC外延層，摻雜濃度為I X IO17 3. 5 X IO17CnT3 ;所述η+型SiC外延層，摻雜濃度為大於 I X IO19Cm 3O為達到上述目的，本發明還提供了一種基於SiC的具有增益的紫外探測器的製備 方法，該方法包括步驟10、在半絕緣SiC襯底上依次生長P型緩衝SiC外延層、η型SiC外延層和η+型SiC外延層；步驟20、利用SiC的ICP刻蝕工藝，對器件進行隔離；步驟30、利用SiC的ICP刻蝕工藝，部分刻蝕該η+型SiC外延層至露出該η型SiC外延層，從而在該η型SiC外延層表面形成條狀凹柵區；步驟40、在該條狀凹柵區兩側未被刻蝕的該η+型SiC外延層上形成源漏區的歐姆接觸源極和漏極；步驟50、通過PECVD的方法，在器件表面澱積鈍化層SiN ；步驟60、在η型SiC外延層的凹柵區表面製備透明肖特基金屬柵；步驟70、對器件電極進行加厚。上述方案中，所述步驟10包括步驟101、在厚度為300 400nm的半絕緣SiC襯底正面利用CVD方法外延生長P型緩衝SiC外延層，該P型緩衝SiC外延層的摻雜濃度為1\1015 5父1015(^_3，厚度為
O.5 2 μ m ;步驟102、在P型緩衝SiC外延層上生長η型SiC外延層，該η型SiC外延層的摻雜濃度為 I X IO17 3. 5 X IO17CnT3,厚度為 O. 2 O. 4 μ m ;步驟103、在η型SiC外延層上生長η+型SiC外延層，該η+型SiC外延層的摻雜大於I X IO1W3,厚度為O. I O. 2 μ m。上述方案中，所述步驟20包括步驟201、使用正膠9920光刻膠製作刻蝕掩膜層，厚度2 μ m ;步驟202、利用ICP刻蝕機刻蝕SiC外延層至p型SiC外延層。上述方案中，步驟202中所述利用ICP刻蝕機刻蝕n+型SiC外延層，刻蝕工藝條件為RF 50V, LF 300V, CHF3 20sccm, C2H4 :3sccm，壓強lOmTorr，刻蝕時間約 6 分鐘。上述方案中，所述步驟30包括步驟301、使用正膠9920光刻膠製作刻蝕掩膜層，厚度2 μ m ;
步驟302、利用ICP刻蝕機刻蝕n+型SiC外延層，直至露出該η型SiC外延層，在該η型SiC外延層表面形成條狀凹柵區。上述方案中，步驟302中所述利用ICP刻蝕機刻蝕η+型SiC外延層，刻蝕工藝條件為RF 50ff, LF 300ff, CHF3 20sccm, C2H4 :3sccm，壓強:lOmTorr，刻蝕時間 40 秒 80 秒。上述方案中，所述步驟40包括步驟401、在器件表面旋塗光刻膠，通過光刻形成源、漏區歐姆接觸圖形；步驟402、利用磁控濺射技術生長Ni金屬，剝離形成源、漏區金屬；步驟403、在900°C至1000°C溫度範圍內，在真空環境或惰性氣體氛圍中對源、漏區金屬進行快速熱退火，形成η.型SiC層上源、漏區的歐姆接觸源極和漏極。上述方案中，所述步驟60包括 步驟601、在器件表面旋塗光刻膠，通過光刻形成肖特基金屬柵圖形，利用ICP刻蝕技術開SiN窗口 ；步驟602、採用電子束蒸發生長透明Ni金屬，剝離後，在η型SiC外延層的凹柵區形成肖特基金屬柵。上述方案中，所述步驟70包括步驟701、在器件表面旋塗光刻膠，通過光刻形成電極加厚圖形，利用ICP刻蝕技術開SiN窗口 ；步驟702、採用電子束蒸發生長Ti/Al，剝離後，完成器件電極加厚。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果I、本發明提供的這種基於SiC的紫外光探測器結構，當紫外光輻射在肖特基結時，由於光照作用形成的光生電子-空穴對在肖特基結的電場作用下移動，形成光生電壓，調製了源、漏極之間的電導，從而實現對紫外光信號的進行探測和放大。因此，本發明提供的紫外探測器結構，可以在不需加高偏壓的情況下，實現信號增益，同時能夠避免APD結構的器件中較高的雪崩噪聲。2、本發明提供的這種基於SiC紫外光探測器的製備方法，能夠充分利用SiC材料在MESFET功率器件方面的成熟的工藝基礎，降低本發明器件的製備工藝難度。


圖I為依照本發明實施例的基於SiC的具有增益的紫外探測器的結構示意圖；圖2為依照本發明實施例的基於SiC的具有增益的紫外探測器的製備方法流程圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。如圖I所示，圖I為依照本發明實施例的基於SiC的具有增益的紫外探測器的結構示意圖，該紫外探測器包括半絕緣SiC襯底；在該半絕緣SiC襯底上外延生長的P型緩衝SiC外延層；在該P型緩衝SiC外延層上外延生長的η型SiC外延層；在該η型SiC外延層上外延生長的n+型SiC外延層；部分刻蝕該n+型SiC外延層至露出該η型SiC外延層從而在該η型SiC外延層表面形成的條狀凹柵區；在該條狀凹柵區兩側未被刻蝕的該η+型SiC外延層上形成的源漏區歐姆接觸源極和漏極；在該條狀凹柵區上形成的透明肖特基勢壘柵極；以及在歐姆接觸源極、漏極與透明肖特基勢壘柵極之間形成的鈍化介質層。其中，所述肖特基勢壘柵極形成於所述η型SiC外延層上的條狀凹柵區中，源極和漏極分別形成於所述η+型SiC外延層上，且各電極之間進一步設有鈍化介質層。當紫外光輻射在器件的肖特基結表面上時，由於光照的作用形成的光生電子-空穴對在肖特基結內的電場的作用移動，形成光生電壓，其效果等效於在柵極的肖特基結上施加了偏壓，從而對源、漏電極之間的電導產生調製作用，完成對紫外光信號的探測及放大作用。 所述半絕緣SiC襯底厚度為300 400nm ;所述p型緩衝SiC外延層厚度為O. 5 2μπι;所述η型SiC外延層厚度為O. 2 O. 4 μ m ;所述η+型SiC外延層厚度為O. I
O.2 μ m。所述P型緩衝SiC外延層，摻雜濃度為I X IO15 5 X IO15CnT3 ;所述η型SiC外延層，摻雜濃度為I X IO17 3. 5 X IO17cm-3 ;所述η+型SiC外延層，摻雜濃度為大於I X IO19Cm'圖2為本發明實施例基於SiC具有增益的紫外探測器的製備方法流程圖。該方法可製作圖I所示的SiC紫外探測器，包括以下步驟步驟10、在半絕緣SiC襯底上依次生長P型緩衝SiC外延層、η型SiC外延層和η+型SiC外延層；該步驟具體如下步驟101、在厚度為300 400nm的半絕緣SiC襯底正面利用CVD方法外延生長P型緩衝SiC外延層，該P型緩衝SiC外延層的摻雜濃度為1\1015 5父1015(^_3，厚度為
O.5 2 μ m ;步驟102、在P型緩衝SiC外延層上生長η型SiC外延層，該η型SiC外延層的摻雜濃度為 I X IO17 3. 5 X IO17CnT3,厚度為 O. 2 O. 4 μ m ;步驟103、在η型SiC外延層上生長η+型SiC外延層，該η+型SiC外延層的摻雜大於I X IO1W3,厚度為O. I O. 2 μ m。步驟20、利用SiC的ICP刻蝕工藝，對器件進行隔離；該步驟具體如下步驟201、使用正膠9920光刻膠製作刻蝕掩膜層。厚度2 μ m ;步驟202、利用ICP刻蝕機刻蝕SiC外延層至p型SiC外延層。刻蝕工藝條件為RF 50V, LF 300V, CHF3 20sccm, C2H4 3sccm 壓強lOmTorr，刻蝕時間約 6 分鐘。步驟30、利用SiC的ICP刻蝕工藝，部分刻蝕該n+型SiC外延層至露出該η型SiC外延層，從而在該η型SiC外延層表面形成條狀凹柵區；該步驟具體如下步驟301、使用正膠9920光刻膠製作刻蝕掩膜層，厚度2 μ m ;步驟302、利用ICP刻蝕機刻蝕η.型SiC外延層，刻蝕工藝條件為RF 50ff, LF 300W，CHF3 20sccm, C2H4 3sccm,壓強10mTorr,刻蝕時間40秒 80秒，直至露出該η型SiC外延層，在該η型SiC外延層表面形成條狀凹柵區。步驟40、在該條狀凹柵區兩側未被刻蝕的該η+型SiC外延層上形成源漏區的歐姆接觸源極和漏極；該步驟具體如下步驟401、在器件表面旋塗光刻膠，通過光刻形成源、漏區歐姆接觸圖形；步驟402、利用磁控濺射技術生長Ni金屬，剝離形成源、漏區金屬；步驟403、在900°C 1000°C溫度範圍內，在真空環境或惰性氣體氛圍中對源、漏區金屬進行快速熱退火，形成n+型SiC層上源、漏區的歐姆接觸源極和漏極。步驟50、通 過PECVD的方法，在器件表面澱積鈍化層SiN ；步驟60、在η型SiC外延層的凹柵區表面製備透明肖特基金屬柵；該步驟具體如下步驟601、在器件表面旋塗光刻膠，通過光刻形成肖特基金屬柵圖形，利用ICP刻蝕技術開SiN窗口 ；步驟602、採用電子束蒸發生長透明Ni金屬，剝離後，在η型SiC外延層的凹柵區形成肖特基金屬柵。步驟70、對器件電極進行加厚。該步驟具體如下步驟701、在器件表面旋塗光刻膠，通過光刻形成電極加厚圖形，利用ICP刻蝕技術開SiN窗口 ；步驟702、採用電子束蒸發生長Ti/Al，剝離後，完成器件電極加厚。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於SiC的具有增益的紫外探測器，其特徵在於，該紫外探測器包括 半絕緣SiC襯底； 在該半絕緣SiC襯底上外延生長的P型緩衝SiC外延層； 在該P型緩衝SiC外延層上外延生長的η型SiC外延層； 在該η型SiC外延層上外延生長的η+型SiC外延層； 部分刻蝕該η.型SiC外延層至露出該η型SiC外延層從而在該η型SiC外延層表面形成的條狀凹柵區； 在該條狀凹柵區兩側未被刻蝕的該η+型SiC外延層上形成的源漏區歐姆接觸源極和漏極； 在該條狀凹柵區上形成的透明肖特基勢壘柵極；以及 在歐姆接觸源極、漏極與透明肖特基勢壘柵極之間形成的鈍化介質層。
2.根據權利要求I所述的基於SiC的具有增益的紫外探測器，其特徵在於，所述半絕緣SiC襯底厚度為300 400nm ;所述p型緩衝SiC外延層厚度為O. 5 2 μ m ;所述η型SiC外延層厚度為O. 2 O. 4 μ m ;所述η.型SiC外延層厚度為O. I O. 2 μ m。
3.根據權利要求I所述的基於SiC的具有增益的紫外探測器，其特徵在於，所述P型緩衝SiC外延層，摻雜濃度為IX IO15 5 X IO15CnT3 ;所述η型SiC外延層，摻雜濃度為1X IO17 3. 5 X IO17CnT3 ;所述η+型SiC外延層，摻雜濃度為大於I X IO1W30
4.一種基於SiC的具有增益的紫外探測器的製備方法，其特徵在於，該方法包括 步驟10、在半絕緣SiC襯底上依次生長P型緩衝SiC外延層、η型SiC外延層和η+型SiC外延層； 步驟20、利用SiC的ICP刻蝕工藝，對器件進行隔離； 步驟30、利用SiC的ICP刻蝕工藝，部分刻蝕該η+型SiC外延層至露出該η型SiC外延層，從而在該η型SiC外延層表面形成條狀凹柵區； 步驟40、在該條狀凹柵區兩側未被刻蝕的該η+型SiC外延層上形成源漏區的歐姆接觸源極和漏極； 步驟50、通過PECVD的方法，在器件表面澱積鈍化層SiN ； 步驟60、在η型SiC外延層的凹柵區表面製備透明肖特基金屬柵； 步驟70、對器件電極進行加厚。
5.根據權利要求4所述的基於SiC的具有增益的紫外探測器的製備方法，其特徵在於，所述步驟10包括 步驟101、在厚度為300 400nm的半絕緣SiC襯底正面利用CVD方法外延生長p型緩衝SiC外延層，該P型緩衝SiC外延層的摻雜濃度為I X IO15 5X 1015cm_3，厚度為O. 5 2μ m ； 步驟102、在P型緩衝SiC外延層上生長η型SiC外延層，該η型SiC外延層的摻雜濃度為 I X IO17 3. 5 X 1017cnT3，厚度為 O. 2 O. 4 μ m ; 步驟103、在η型SiC外延層上生長η+型SiC外延層，該η+型SiC外延層的摻雜大於I X 1019cnT3，厚度為 O. I O. 2 μ m。
6.根據權利要求4所述的基於SiC的具有增益的紫外探測器的製備方法，其特徵在於，所述步驟20包括步驟201、使用正膠9920光刻膠製作刻蝕掩膜層，厚度2 μ m ; 步驟202、利用ICP刻蝕機刻蝕SiC外延層至P型SiC外延層。
7.根據權利要求6所述的基於SiC的具有增益的紫外探測器的製備方法，其特徵在於，步驟202中所述利用ICP刻蝕機刻蝕SiC外延層，刻蝕工藝條件為RF 50ff,LF 300ff,CHF3 20sccm, C2H4 :3sccm,壓強IOmTorr,刻蝕時間 6 分鐘。
8.根據權利要求4所述的基於SiC的具有增益的紫外探測器的製備方法，其特徵在於，所述步驟30包括 步驟301、使用正膠9920光刻膠製作刻蝕掩膜層，厚度2 μ m ; 步驟302、利用ICP刻蝕機刻蝕n+型SiC外延層，直至露出該η型SiC外延層，在該η型SiC外延層表面形成條狀凹柵區。
9.根據權利要求8所述的基於SiC的具有增益的紫外探測器的製備方法，其特徵在於，步驟302中所述利用ICP刻蝕機刻蝕η+型SiC外延層，刻蝕工藝條件為RF 50ff, LF 300ff,CHF3 20sccm, C2H4 :3sccm,壓強IOmTorr,刻蝕時間 40 秒 80 秒。
10.根據權利要求4所述的基於SiC的具有增益的紫外探測器的製備方法，其特徵在於，所述步驟40包括 步驟401、在器件表面旋塗光刻膠，通過光刻形成源、漏區歐姆接觸圖形； 步驟402、利用磁控濺射技術生長Ni金屬，剝離形成源、漏區金屬； 步驟403、在900 V至1000 V溫度範圍內，在真空環境或惰性氣體氛圍中對源、漏區金屬進行快速熱退火，形成η.型SiC層上源、漏區的歐姆接觸源極和漏極。
11.根據權利要求4所述的基於SiC的具有增益的紫外探測器的製備方法，其特徵在於，所述步驟60包括 步驟601、在器件表面旋塗光刻膠，通過光刻形成肖特基金屬柵圖形，利用ICP刻蝕技術開SiN窗口 ； 步驟602、採用電子束蒸發生長透明Ni金屬，剝離後，在η型SiC外延層的凹柵區形成肖特基金屬棚。
12.根據權利要求4所述的基於SiC的具有增益的紫外探測器的製備方法，其特徵在於，所述步驟70包括 步驟701、在器件表面旋塗光刻膠，通過光刻形成電極加厚圖形，利用ICP刻蝕技術開SiN 窗口 ； 步驟702、採用電子束蒸發生長Ti/Al，剝離後，完成器件電極加厚。
全文摘要
本發明公開了一種基於SiC的具有增益的紫外探測器及其製備方法，該紫外探測器包括半絕緣SiC襯底；在該半絕緣SiC襯底上外延生長的p型緩衝SiC外延層；在該p型緩衝SiC外延層上外延生長的n型SiC外延層；在該n型SiC外延層上外延生長的n+型SiC外延層；部分刻蝕該n+型SiC外延層至露出該n型SiC外延層從而在該n型SiC外延層表面形成的條狀凹柵區；在該條狀凹柵區兩側未被刻蝕的該n+型SiC外延層上形成的源漏區歐姆接觸源極和漏極；在該條狀凹柵區上形成的透明肖特基勢壘柵極；以及在歐姆接觸源極、漏極與透明肖特基勢壘柵極之間形成的鈍化介質層。本發明提出的SiC紫外探測器結構，不需加高的偏置電壓就可以獲得較高的增益，並能夠避免由於雪崩引起的額外噪聲。
文檔編號H01L31/18GK102931272SQ201210483359
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月23日 優先權日2012年11月23日
發明者白雲, 申華軍, 湯益丹, 王弋宇, 韓林超, 劉新宇 申請人:中國科學院微電子研究所