CN102005486B - 基于碳化硅三极管的β射线探测器 - Google Patents

基于碳化硅三极管的β射线探测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于碳化硅三极管的β射线探测器及其制作方法，主要解决了现有β射线探测器灵敏度低，抗辐照性能差和工作电压高的问题。该β射线探测器自上而下依次包括发射极欧姆接触(1)、掺杂浓度为1×1019～3×1019cm-3发射区(2)、厚0.5μm掺杂浓度为1×1017～5×1017cm-3的p型基区外延层(3)、掺杂浓度为5×1014～5×1015cm-3的n型集电区外延层(4)、掺杂浓度为1×1018～7×1018cm-3的n型高掺杂SiC衬底(5)和衬底背面集电极欧姆接触(6)，该发射极欧姆接触(1)由一条水平栅条和多条垂直栅条组成，垂直栅条宽h＝5μm，其间距是栅宽的8～12倍，水平栅条宽度为垂直栅条宽度的2～10倍，长度是垂直栅条长度的1～10倍。本发明在300℃高温下工作，抗辐射性强，灵敏度高，工作电压低，可用于辐射监测领域。

Description

基于碳化硅三极管的β射线探测器
技术领域
本发明属于微电子领域，尤其涉及一种基于碳化硅三极管的β射线探测器，可用于探测环境中的β射线。
技术背景
固体β射线探测器大体可以分为半导体型和闪烁型两种。半导体β射线探测器的基本工作原理是，入射电子在半导体物质中损失能量而产生电子-空穴对，这些电子-空穴对的产生数目正比于电子在该物质中的能量损失，通常采用的半导体材料是硅或锗。
半导体探测器作为辐射探测介质的使用始于20世纪60年代，其能量分辨率高，可以方便的研究复杂能谱的精细结构，此外还具有线性范围广、脉冲上升时间短、体积小等优点，广泛应用于各种辐射探测领域。但是现有的半导体探测器的大多基于Si或HPGe，大都要求在液氮温度77K下保存或使用，由于使用了低温容器和真空室，增加了探测器的总体积，而且要频繁的添加液氮，无法在野外恶劣环境下使用，使其应用范围受到了限制；Si和HPGe在受到高能粒子辐射时会在半导体中产生严重的辐射损伤缺陷，对器件性能下降甚至失效；而且大都采用pn结，pin或肖特基结结构，探测效率和灵敏度较低，雪崩型探测器虽然可以达到较高的探测效率和探测灵敏度，但需要施加很高的电压。
发明内容：
本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提出一种基于碳化硅三极管的β射线探测器及其制作方法，以保证在300℃高温下正常工作，提高探测器抗辐射性和灵敏度，降低工作电压。
为了实现上述目的，本发明提供的碳化硅三极管β射线探测器，自上而下依次包括发射极欧姆接触、掺杂浓度为1×1019～3×1019cm-3发射区、掺杂浓度为1×1017～5×1017cm-3的p型基区外延层、掺杂浓度为5×1014～5×1015cm-3的n型集电区外延层、掺杂浓度为1×1018～7×1018cm-3的n型高掺杂SiC衬底和衬底背面集电极欧姆接触，其中，基区外延层的厚度仅为0.5μm，发射极为等间距栅状结构，该栅状结构是由一条水平栅条和m条垂直栅条组成，m≥3，垂直栅条宽h＝5μm，其间距d是栅宽h的8～12倍，水平栅条的宽度H为垂直栅条宽度h的a倍，2≤a≤10，水平栅条的长度L是垂直栅条长度R的b倍，1≤b≤10。
所述的碳化硅三极管的β射线探测器采用两极结构，即只在发射区引出发射极，在衬底背面引出集电极，取消了基极。
为实现上述目的，本发明提供的基于碳化硅三极管的β射线探测器的制作方法，包括如下步骤：
(1)在掺杂浓度为1×1018～7×1018cm-3的n型高掺杂SiC衬底上外延掺杂浓度为5×1014～5×1015cm-3的n型低掺杂外延层；
(2)在所述的n型低掺杂外延层上外延掺杂浓度为1×1017～5×1017cm-3，厚度为0.5μm的p型外延层；
(3)在所述的p型外延层上淀积1μm厚的SiO2阻挡层，并在SiO2阻挡层上涂胶，使用带栅状结构图案的光刻板，对阻挡层进行反应离子刻蚀，形成0.8μm深的栅状沟槽；
(4)对上述带有SiO2阻挡层的碳化硅片进行两次氮离子注入，并在1350℃温度下退火45分钟，形成掺杂浓度为1×1019～3×1019cm-3的n型发射区；
(5)在掺杂浓度为1×1018～7×1018cm-3的n型高掺杂SiC衬底背面，采用电子束蒸发Ni/Ti/Au金属层，并在1100±50℃温度下，氮气气氛中退火两分钟形成集电极欧姆接触；
(6)刻蚀掉SiO2阻挡层，在基区和发射区上涂胶，使用带栅状结构图案的光刻板，在发射区上方光刻出栅状图形；
(7)在光刻胶及刻蚀出的栅状区域上电子束蒸发Ni/Ti/Au金属层，通过超声波剥离形成栅状发射极，在825℃温度下，氮气气氛中退火5分钟形成发射极欧姆接触。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1)本发明由于采用了厚度为0.5μm外延层作为基区，可以探测低能β射线，辐照生电流比具有相同辐照面积的二极管大k倍，比普通二极管射线探测器具有更高的灵敏度，其中，k为三极管共发射极直流放大倍数。
2)本发明由于采用了等间距栅状结构的发射极，且水平栅条间距d是栅宽h的8～12倍，使发射极所占面积小，探测器有效面积大，提高了探测器灵敏度。
3)本发明由于采用了碳化硅材料，具有良好的抗辐照性能，提高了探测器性能稳定性，且碳化硅材料耐高温，保证探测器可以在300℃的高温下正常工作。
附图说明
图1是本发明基于碳化硅三极管的β射线探测器的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明基于碳化硅三极管的β射线探测器的制作工艺流程图。
具体实施方式
参照图1，本发明的β射线探测器采用掺杂浓度为1×1018～7×1018cm-3的SiC高掺杂n型SiC衬底5；衬底背面是集电极欧姆接触6；衬底上面是掺杂浓度为5×1014～5×1015cm-3的n型集电区外延层4；n型集电区外延层上为厚0.5μm掺杂浓度为1×1017～5×1017cm-3的p型基区外延层3；掺杂浓度为1×1019～3×1019cm-3发射区2位于基区上；发射区正上方为发射极欧姆接触1，该发射极欧姆接触为等间距栅状结构，该栅状结构是由一条水平栅条和m条垂直栅条组成，m≥3，垂直栅条宽h＝5μm，其间距d是栅宽h的8～12倍，水平栅条的宽度H为垂直栅条宽度h的a倍，2≤a≤10，水平栅条的长度L是垂直栅条长度R的b倍，1≤b≤10，如图2所示。
参照图3，本发明的制作方法通过下面实施例说明。
实施例1
第1步，选用掺杂浓度为1×1018cm-3的n型高掺杂SiC衬底，并在衬底外延面外延掺杂浓度为5×1014cm-3的n型低掺杂外延层，如图3a。
第2步，在所述的n型低掺杂外延层上方外延一层掺杂浓度为1×1017cm-3，厚度为0.5μm的p型外延层，如图3b。
第3步，在所述的p型外延层上淀积1μm厚的SiO2作为阻挡层，并在SiO2阻挡层上旋涂光刻胶，使用带有栅状图案的光刻板进行光刻，该栅状图案由一条水平栅条和3条垂直栅条构成，垂直栅条宽度为5μm，垂直栅条间距为40μm，水平栅条的宽度H为垂直栅条宽度h的2倍，水平栅条的长度L和垂直栅条长度R相等，之后去除光刻胶，并对阻挡层进行反应离子刻蚀，形成0.8μm深的栅状沟槽，如图3c。
第4步，对上述带有SiO2阻挡层的碳化硅片进行两次氮离子注入，并在1350℃温度下退火45分钟，形成掺杂浓度为1×1019cm-3的n型发射区，如图3d。
第5步，在掺杂浓度为1×1018cm-3的n型高掺杂SiC衬底背面，采用电子束蒸发Ni/Ti/Au金属层，三层金属的厚度分别为400nm/50nm/200nm，并在1100±50℃温度下，氮气气氛中退火两分钟形成集电极欧姆接触，如图3e。
第6步，刻蚀掉SiO2阻挡层，在基区和发射区上旋涂光刻胶，使用与步骤3中相同的光刻板，在发射区正上方光刻出栅状图形，如图3f。
第7步，在光刻胶及刻蚀出的栅状区域电子束蒸发厚度分别为200nm/50nm/200nm的Ni/Ti/Au三层金属，通过超声波剥离形成栅状发射极，并在825℃温度下，氮气气氛中退火5分钟形成发射极欧姆接触，如图3g。
实施例2
第一步，选用掺杂浓度为3×1018cm-3的n型高掺杂SiC衬底，并在衬底外延面外延掺杂浓度为1×1015cm-3的n型低掺杂外延层，如图3a。
第二步，在所述的n型低掺杂外延层上方外延一层掺杂浓度为3×1017cm-3，厚度为0.5μm的p型外延层，如图3b。
第三步，在所述的p型外延层上淀积1μm厚的Si O2作为阻挡层，并在SiO2阻挡层上旋涂光刻胶，使用带有栅状图案的光刻板进行光刻，该栅状图案由一条水平栅条和10条垂直栅条构成，垂直栅条宽度为5μm，垂直栅条间距为50μm，水平栅条的宽度H为垂直栅条宽度h的5倍，水平栅条的长度L是垂直栅条长度的5倍，之后去除光刻胶，并对阻挡层进行反应离子刻蚀，形成0.8μm深的栅状沟槽，如图3c。
第四步，对上述带有SiO2阻挡层的碳化硅片进行两次氮离子注入，并在1350℃温度下退火45分钟，形成掺杂浓度为2×1019cm-3的n型发射区，如图3d。
第五步，在掺杂浓度为3×1018cm-3的n型高掺杂SiC衬底背面，采用电子束蒸发Ni/Ti/Au金属层，三层金属的厚度分别为400nm/50nm/200nm，并在1100±50℃温度下，氮气气氛中退火两分钟形成集电极欧姆接触，如图3e。
第六步，刻蚀掉SiO2阻挡层，在基区和发射区上旋涂光刻胶，使用与步骤3中相同的光刻板，在发射区正上方光刻出栅状图形，如图3f。
第七步，在光刻胶及刻蚀出的栅状区域电子束蒸发厚度分别为200nm/50nm/200nm的Ni/Ti/Au三层金属，通过超声波剥离形成栅状发射极，并在825℃温度下，氮气气氛中退火5分钟形成发射极欧姆接触，如图3g。
实施例3
第a步，选用掺杂浓度为7×1018cm-3的n型高掺杂SiC衬底，并在衬底外延面外延掺杂浓度为5×1015cm-3的n型低掺杂外延层，如图3a。
第b步，在所述的n型低掺杂外延层上方外延一层掺杂浓度为5×1017cm-3，厚度为0.5μm的p型外延层，如图3b。
第c步，在所述的p型外延层上淀积1μm厚的SiO2作为阻挡层，并在SiO2阻挡层上旋涂光刻胶，使用带有栅状图案的光刻板进行光刻，该栅状图案由一条水平栅条和50条垂直栅条构成，垂直栅条宽度为5μm，垂直栅条间距为60μm，水平栅条的宽度H为垂直栅条宽度h的10倍，水平栅条的长度L是垂直栅条长度的10倍，之后去除光刻胶，并对阻挡层进行反应离子刻蚀，形成0.8μm深的栅状沟槽，如图3c。
第d步，对上述带有SiO2阻挡层的碳化硅片进行两次氮离子注入，并在1350℃温度下退火45分钟，形成掺杂浓度为3×1019cm-3的n型发射区，如图3d。
第e步，在掺杂浓度为7×1018cm-3的n型高掺杂SiC衬底背面，采用电子束蒸发Ni/Ti/Au金属层，三层金属的厚度分别为400nm/50nm/200nm，并在1100±50℃温度下，氮气气氛中退火两分钟形成集电极欧姆接触，如图3e。
第f步，刻蚀掉SiO2阻挡层，在基区和发射区上旋涂光刻胶，使用与步骤3中相同的光刻板，在发射区正上方光刻出栅状图形，如图3f。
第g步，在光刻胶及刻蚀出的栅状区域电子束蒸发厚度分别为200nm/50nm/200nm的Ni/Ti/Au三层金属，通过超声波剥离形成栅状发射极，并在825℃温度下，氮气气氛中退火5分钟形成发射极欧姆接触，如图3g。

Claims (4)

1.一种基于碳化硅三极管的β射线探测器，自上而下依次包括发射极欧姆接触(1)、掺杂浓度为1×1019～3×1019cm-3发射区(2)、掺杂浓度为1×1017～5×1017cm-3的p型基区外延层(3)、掺杂浓度为5×1014～5×1015cm-3的n型集电区外延层(4)、掺杂浓度为1×1018～7×1018cm-3的n型高掺杂SiC衬底(5)和衬底背面集电极欧姆接触(6)，其特征在于基区外延层(3)的厚度仅为0.5μm，发射极(1)为等间距栅状结构，该栅状结构是由一条水平栅条和m条垂直栅条组成，m≥3，垂直栅条宽h＝5μm，其间距d是栅宽h的8～12倍，水平栅条的宽度H为垂直栅条宽度h的a倍，2≤a≤10，水平栅条的长度L是垂直栅条长度R的b倍，1≤b≤10。
2.一种基于碳化硅三极管的β射线探测器制作方法，主要包括如下步骤：
(1)在掺杂浓度为1×1018～7×1018cm-3的n型高掺杂SiC衬底上外延掺杂浓度为5×1014～5×1015cm-3的n型低掺杂外延层；
(2)在所述的n型低掺杂外延层上外延掺杂浓度为1×1017～5×1017cm-3，厚度为0.5μm的p型外延层；
(3)在所述的p型外延层上淀积1μm厚的SiO2阻挡层，并在SiO2阻挡层上涂胶，使用带栅状结构图案的光刻板，对阻挡层进行反应离子刻蚀，形成0.8μm深的栅状沟槽；
(4)对上述带有SiO2阻挡层的碳化硅片进行两次氮离子注入，并在1350℃温度下退火45分钟，形成掺杂浓度为1×1019～3×1019cm-3的n型发射区；
(5)在掺杂浓度为1×1018～7×1018cm-3的n型高掺杂SiC衬底背面，采用电子束蒸发Ni/Ti/Au金属层，并在1100±50℃温度下，氮气气氛中退火两分钟形成集电极欧姆接触；
(6)刻蚀掉SiO2阻挡层，在基区和发射区上涂胶，使用带栅状结构图案的光刻板，在发射区上方光刻出栅状图形；
(7)在光刻胶及刻蚀出的栅状区域上电子束蒸发Ni/Ti/Au金属层，通过超声波剥离形成栅状发射极，在825℃温度下，氮气气氛中退火5分钟形成发射极欧姆接触。
3.根据权利要求书2所述的碳化硅三极管的β射线探测器的制作方法，其中步骤(5)所述的电子束蒸发Ni/Ti/Au金属层，其厚度分别为400nm/50nm/200nm。
4.根据权利要求书2所述的碳化硅三极管的β射线探测器的制作方法，其中步骤(7)所述的电子束蒸发Ni/Ti/Au金属层，其厚度分别为200nm/50nm/200nm。
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