CN105047749A - 一种具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器 - Google Patents
一种具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，器件表面淀积了一层复合的全介质结构薄膜做钝化层，不仅具有保护器件的作用，还能够在全介质结构中产生布拉格共振，滤掉一定波长范围内的紫外光，使碳化硅探测器对紫外波段的响应具有选择性，从而实现日盲特性。所述的全介质结构一般为具有高低折射率的不同介质材料交替叠加形成，其厚度介于1-20微米之间。使用本发明所述设计的具有滤波功能钝化层的SiC肖特基紫外探测器，比传统结构器件相比有着更短的截止波长，实现了对紫外波段响应的选择性，也实现了探测器的日盲特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，属于半导体光电器件技术领域。
背景技术
紫外光是电磁频谱中波长400～10nm范围的辐射总称，可进一步细分为UVA波段(400～320nm)、UVB波段(320～280nm)、UVC波段(280～200nm)以及真空紫外线波段(200～10nm)。太阳光是自然界最主要的紫外光源，UVC波段有一段波长范围的光在通过大气层时，会被平流层中的臭氧强烈的吸收，因而在近地大气中几乎不存在，这段区域称为日盲波段(240～280nm)。由于日盲波段内几乎没有自然光背景辐射的干扰，该波段被广泛作为紫外探测器的响应波段，具有极低的误报率。因此日盲紫外探测器可应用于导弹尾焰探测、火灾预警、污染检测等众多方面，在紫外光通信、紫外预警、紫外成像、紫外天文等领域都具有重要意义。
紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用的光电探测技术。紫外探测技术的关键是研制出高灵敏度、低噪声的紫外探测器件。长久以来，投入商业和军事应用的紫外探测器大多采用对紫外敏感的光电倍增管和类似的真空器件。尽管紫外光电倍增管被开发多年，较为成熟，并且在稳定性、暗电流、响应速度、电流增益等方面具有优势，但是这种真空器件不可避免的存在体积大、容易破损、功耗多、工作电压高等缺点，大大限制了其在紫外探测领域的应用。在此背景下，基于半导体的固体紫外探测器作为一种新型的紫外探测器件，其研究与发展得到了越来越多的关注。
首先用于紫外线检测的半导体紫外探测器使用窄禁带半导体材料,如Si和III-V族化合物(GaAs，InP等)，但是,采用这些材料制备的紫外探测器存在不少问题。首先由于其禁带宽度通常位于近红外到可见光波段,可见光和红外线对紫外探测器影响很大,因此,为了抑制可见光和红外线辐射,必须在探测器前使用价格昂贵的长波抑制滤光片,结果导致检测系统复杂、价格高、灵敏度低；其次,工作温度较高时,这类器件性能下降,表现为量子效率降低、暗电流增大；再次,窄禁带半导体材料长期暴露于高强度紫外线辐射环境中还容易出现老化现象。基于上述原因,Si基和III-V族化合物制作的紫外探测器在实际应用时有很多局限。
随着第三代宽禁带半导体的研究深入，日益发展成熟的宽禁带半导体材料为紫外探测器的研究注入了新的活力。由于宽禁带半导体材料对可见光和红外线无响应,与窄禁带材料相比具有较好的温度特性,用它制备的紫外紫外探测器不需要滤光片且更适用于高温环境。到目前为止，宽禁带半导体紫外探测器使用的材料主要是III族氮化物半导体和碳化硅，有些产品已量产上市。其中，碳化硅(SiC)作为宽禁带半导体材料的典型代表，以其材料成熟度高、禁带宽度大(3.26eV)、击穿电场高(3.0MV/cm)、饱和电子漂移速度大(2.0×107cm/s)和热导率高等多方面性能优势成为制备紫外探测器的首选材料。基于碳化硅的多种结构(如金属-半导体-金属结构、肖特基势垒结构、pn结和p-i-n结结构、雪崩倍增结构)紫外探测器也成为了国际研究热点。在碳化硅的几种结构中，肖特基结构由于具有工艺流程简单、响应速度快、适合制备超大光敏面积器件的优点，得到了很大的发展。
目前，人们已经制备出了各种结构的碳化硅紫外探测器，现有器件也表现出了优良的性能。但是，基于碳化硅的紫外探测技术的进一步发展需要解决一个重要的问题，那就是：由于常用的碳化硅材料常温下禁带宽度为3.26eV，对应的截止边波长约为380nm，虽然基于SiC的紫外探测器具有可见光盲的特性，即对可见光和红外光不响应，大大减小了背景噪声，但对紫外波段的响应却不具有选择性，也即不具有“日盲”特性，这大大限制了SiC紫外探测器在很多重要领域的应用，如军事领域的紫外预警系统等。要想拓宽SiC紫外探测器在军事和民用领域的应用，就必须想办法使得基于SiC的紫外探测器具有日盲特性。
一般情况下，具有日盲特性的紫外探测器大多基于GaN化合物或ZnO基材料制作。其中GaN材料人们研究最多,其优点是GaN与AlN形成AlGaN合金后禁带宽度可在3.4eV～6.2eV间进行调节,理论上讲,利用这种材料研制的本征型紫外探测器的截止波长对应地可以连续从365nm变化到200nm,是制作日盲紫外探测器的首选材料。但GaN材料自身存在的诸如缺乏相匹配的衬底、p型掺杂工艺复杂等导致的材料不成熟问题一直制约它的发展，这导致基于GaN的紫外探测器漏电流较大，热稳定性差，器件性能不高。ZnO基材料由于MgZnO和ZnCdO的合金体系彼此之间晶格失配小,带隙从3.3eV到7.8eV连续可调,是很有前途的日盲紫外探测器材料,但目前最主要的问题是高载流子浓度的p型材料仍未获得,而且该材料的耐酸碱腐蚀程度相对较差。因此，研制基于成熟材料的碳化硅日盲紫外探测器具有非常重要的意义。
为了获得具有日盲特性的碳化硅紫外探测器，传统的解决办法是在碳化硅探测器前加装长波抑制滤光片，但这会导致检测系统复杂、价格高、灵敏度低，不利于碳化硅探测器的实际应用，从而大大限制了SiC紫外探测器在军事和民用领域的应用。
发明内容
为了解决现有技术中SiC肖特基紫外探测器对紫外波段的响应不具有选择性，因此也不具有“日盲”特性的关键问题，本发明提出一种具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，其钝化层为复合的全介质结构薄膜，复合的全介质结构薄膜由不同折射率的材料交替叠加形成。
基于光的干涉理论,光学薄膜主要分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振及消振膜等,光谱范围从紫外光区一直扩展到远红外和软X射线区。申请人经研究发现，光学薄膜具有在几乎不改变体积与质量的同时却能够改变光学元件光学性能的特性,如改变透射率或反射率,抑制杂散光干扰,改变偏振或位相特性,实现分束,可使某光谱带通或阻滞等等。运用薄膜特征矩阵可以知道光学薄膜具有如下特性:在不考虑色散的理想情况下,薄膜光学厚度在λ/4倍数的波长处,反射率存在极值,极大值和极小值的区分主要取决于薄膜的折射率与基底折射率的大小；本申请利用全介质层结构薄膜在周期结构中产生布拉格共振，对紫外光进行调制，从而达到抑制通带外光谱成份、增加通带透过率的作用。
上述在器件表面淀积了一层复合的全介质结构薄膜做钝化层，不同于传统SiC器件采用的单一介质层结构，不仅具有保护器件的作用，还能够在全介质结构中产生布拉格共振，滤掉一定波长范围内的紫外光，使碳化硅探测器对紫外波段的响应具有选择性，从而实现日盲特性，拓宽了器件的应用范围，降低了日盲紫外探测系统的成本。
优选，复合的全介质结构薄膜由不同折射率的材料交替叠加形成。即在肖特基金属电极外围交替淀积高低折射率的不同介质材料，在肖特基电极外围形成全介质层结构。上述复合的全介质结构薄膜钝化层包含至少一组高低折射率介质交叠而成的周期结构，优选，复合的全介质结构薄膜的厚度为1～20微米；交替叠加的周期数为10～500。
交替叠加的周期数指不同折射率的材料交替叠加的次数，每叠加两层定义为一周期，当复合的全介质结构薄膜由一高折射率材料和一低折射率材料交替叠加形成时，则沉积一层高折射率材料和一层低折射率材料为一周期。
为了进一步加强对紫外波段的响应具有选择性，优选，复合的全介质结构薄膜由高折射率材料和低折射率材料交替叠加形成；高折射率材料的折射率大于1.5，低折射率材料的折射率小于1.5；进一步优选，高折射率材料包括：HfO2、ZrO2、Y2O3、Al2O3、Si3N4、NdF3或LaF3，低折射率材料包括：SiO2、YbF3、AlF3、BaF2、MgF2或Na3AlF6。
为了进一步提高材料间的匹配性，优选，复合的全介质结构薄膜由HfO2层和SiO2层交替叠加形成。
结合光学薄膜的设计理论,我们采用高折射率材料与低折射率材料相互叠加的方式进行薄膜设计，在器件表面形成全介质层结构。全介质层结构中两种高低折射率材料的选取对结构的滤波功能至关重要。薄膜材料的折射率、色散分布、透明波段等都会影响薄膜的光谱特性,材料的物理结构的变化也将会影响薄膜的机械性能。实际研制中,能够用于紫外波段的薄膜材料也不是很多,申请人经研究发现，适用于紫外波段的光学薄膜材料有以下几种,高折射率膜料有HfO2、ZrO2、Y2O3、Si3N4、Al2O3、NdF3或LaF3等,低折射率膜料有SiO2、YbF3、AlF3、BaF2、MgF2或Na3AlF6等。申请人经研究还发现，采用高折射率材料HfO2和低折射率材料SiO2交替叠加形成的全介质层结构,这两种材料的应力匹配,附着力匹配,透明区也都满足要求，二氧化铪(HfO2)的分子量为210.60,密度是9.68g/cm3,透明波段在0.22-12μm之间,紫外到中红外波段都能通过，通常使用电子束和反应溅射法进行蒸发沉积，紫外波段折射率为2.15；SiO2的透明区为0.2-9μm，其折射率为1.46，是折射率最小的硬膜材料，也是唯一分解很小的低折射率材料，其消光系数较低，对于光的吸收较小，与二氧化铪的结合能力较强，抗腐蚀能力也较强。
上述复合的全介质结构薄膜不仅具有保护器件的作用，还具有一定的滤波作用。通过对两种介质材料厚度和周期数的不同设置，该复合结构钝化层可过滤掉UVA波段或同时过滤掉UVA波段和UVB波段的紫外光。申请人经实验发现，进一步优选的复合的全介质结构薄膜厚度为3～8微米，周期数为40～100。
为了进一步保证产品的日盲响应特性，复合的全介质结构薄膜由电子束蒸发或溅射淀积而成，淀积速率为0.1nm/s～30nm/s。前述可同时采用离子辅助蒸发或化学气相沉积以提高成膜质量。优选的淀积速率为0.1nm/s～1nm/s。
碳化硅肖特基紫外探测器为垂直结构，从下到上依次包括欧姆接触电极、n型SiC衬底、n型SiC外延层、肖特基接触、肖特基金属电极和表面钝化层。
优选，上述碳化硅肖特基紫外探测器为垂直结构，探测器从下到上依次包括欧姆接触电极、n型SiC外延结构、肖特基接触、肖特基金属电极和表面钝化层，肖特基金属电极的中心部分伸出表面钝化层，n型SiC外延结构从下到上依次包括n型SiC衬底、重掺杂SiC缓冲层和轻掺杂SiC有源区，SiC衬底与欧姆接触电极相接，轻掺杂SiC有源区与肖特基接触相接；欧姆接触电极的厚度为0.1～10微米，欧姆接触电极的材料为镍、金、铂、铝、钛、钨或钼中的至少一种。优选的欧姆接触电极的厚度为0.1～1微米。
由重掺杂SiC缓冲层和轻掺杂SiC有源区构成的SiC外延层的掺杂浓度为1×1014～1×1019cm-3，总厚度为0.1～50微米。
肖特基接触位于n型SiC外延层之上，肖特基接触由功函数大于4eV的单层金属或两层以上金属构成，其中，与n型SiC外延层直接接触的金属为镍(Ni)、铂(Pt)、金(Au)或铝(Al)，肖特基接触的厚度为2～50纳米，为了提高紫外光的透过率，进一步优选的肖特基接触的厚度为2～10纳米。上述当肖特基接触由两层以上金属构成时，每层的功函数均大于4eV。
肖特基金属电极位于肖特基接触之上、并覆盖肖特基接触，肖特基金属电极为单层或多层金属材料，厚度为0.1～1微米，肖特基金属电极的材料为镍(Ni)、金(Au)、铂(Pt)、铝(Al)、钛(Ti)、钯(Pd)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)或铑(Rh)中的至少一种。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，具有如下几点有益效果：
一、通过在碳化硅器件表面淀积全介质层结构，在结构内产生布拉格共振，对入射紫外光产生调制作用，使碳化硅探测器对紫外波段的响应具有选择性，从而实现了碳化硅探测器的日盲特性，大大拓宽了碳化硅探测器的应用范围；
二、通过将滤光薄膜集成到碳化硅器件的工艺流程中，简化了碳化硅日盲探测器的结构，降低了日盲探测系统的成本，灵敏度高，有利于探测器的广泛使用；
三、复合结构的钝化层相比传统单一介质的钝化层对器件的保护作用更好，增强了器件的可靠性。
附图说明
图1是传统设计中使用单一结构的介质(SiO2)作为钝化层的SiC肖特基紫外探测器的结构简图；
图2是本发明的实施例1具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器的结构简图；
图3是对使用传统结构钝化层(单一结构的介质(SiO2))和使用实施例1中具有滤波功能的两种复合介质层做钝化层，得到的SiC肖特基紫外探测器对紫外光的光谱响应曲线图；
图4是使用分光光度计测量得到的实施例1中的两种复合介质层对光的透射谱。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
图1所示为传统的使用单一介质层做钝化层的SiC肖特基紫外探测器的截面结构示意图，器件的基本构成部分包括：
欧姆接触电极101；位于欧姆接触电极101之上的SiC外延结构102，SiC外延结构102从下到上包括SiC衬底102a、重掺杂SiC缓冲层102b和轻掺杂SiC有源区102c；位于SiC外延结构102之上的肖特基接触103，肖特基接触103与轻掺杂SiC有源区102c接触，形成具有整流特性的肖特基结；位于肖特基接触103之上的肖特基金属电极104，肖特基金属电极104覆盖肖特基接触103，其中心部分伸出钝化层105；位于肖特基金属电极104之上的钝化层105，使用单一的介质层(SiO2或Si3N4)，厚度介于0.1～0.5微米之间，保护器件免受长时间暴露在空气中产生的影响而导致性能退化。
图2为本发明的一个实例的结构示意图。器件的构成部分包括：
欧姆接触电极101，同图1中欧姆接触电极101；位于欧姆接触电极101之上的n型SiC外延结构102，同图1中的SiC外延结构102；位于n型SiC外延结构102之上的肖特基接触103，同图1中的肖特基接触103；位于肖特基接触103之上的肖特基金属电极104，同图1中肖特基金属电极104；位于肖特基金属电极之上的滤波钝化层205，不同于传统SiC器件采用单一介质层结构的是：使用了高折射率介质HfO2和低折射率介质SiO2交替排列形成的复合结构作为钝化层，不仅具有保护器件的作用，还能够在全介质层结构中产生布拉格共振，对紫外光具有一定的滤波作用。
图3是用三种结构的SiC肖特基紫外探测器实际测试得到的对紫外光的光谱响应图，分别对应于图1中的传统结构钝化层、图2中的复合结构1和复合结构2做钝化层三种情况；其中传统结构钝化层由0.2微米SiO2组成，复合结构1由周期数为50的SiO2/HfO2交替结构叠加形成，总厚度为4.5微米，其中每层HfO2的厚度介于20～30纳米，每层SiO2的厚度介于60～70纳米；复合结构2由周期数为55的SiO2/HfO2交替结构叠加形成，总厚度为4.9微米，其中每层HfO2的厚度介于30～35纳米，每层SiO2的厚度介于50～60纳米，复合结构1和复合结构2由电子束蒸发淀积而成，淀积速率为0.5nm/s。其它参数：欧姆接触电极101厚度总共为385纳米，是由35纳米镍(Ni)金属层、50纳米钛(Ti)金属层、200纳米铝(Al)金属层、100纳米金(Au)金属层经高温退火形成的层状合金结构；n型SiC外延结构102包括SiC衬底层102a、重掺杂SiC缓冲层102b和轻掺杂SiC有源区102c，其中SiC衬底层为n型重掺，厚度为370微米，重掺杂SiC缓冲层102b掺杂浓度约为5×1018cm-3，厚度为1微米，轻掺杂SiC有源区102c掺杂浓度为3×1015cm-3，厚度为4微米；肖特基接触103为Ni金属，其厚度为4.5纳米，与SiC材料之间的肖特基势垒高度为1.57eV；肖特基金属电极104厚度为1微米，是由0.5微米Ti和0.5微米Au形成的多层金属层。由图3可见，使用传统结构做钝化层的器件，光谱响应曲线的截止波长约为380纳米，与SiC的禁带宽度为3.26eV相对应；使用复合结构1做钝化层的器件，光谱响应的截止波长减小为320纳米，碳化硅肖特基探测器对UVA波段的紫外光不响应；使用复合结构2做钝化层的器件，光谱响应的截止波长进一步减小为280纳米，碳化硅肖特基探测器对UVA和UVB波段的紫外光都不响应，实现了日盲特性。这说明，使用两种不同折射率的介质SiO2/HfO2交替叠加形成的复合结构做钝化层的器件具有探测特定波段紫外光的能力，也间接证明了复合介质钝化层具有滤波功能。
为了更直观的证明本申请复合介质层薄膜具有滤波功能，我们同时在石英片上淀积了相同的复合结构介质层，并用分光光度计测量得到了两种复合介质层薄膜对光的透射谱，如图4所示，分别对应于使用总厚度为4.5微米和4.9微米的二氧化硅和氧化铪复合介质层做钝化层两种情况(复合结构1和复合结构2)。从图4可知，两种复合结构的透射谱曲线形状与图3的光谱响应曲线相一致，复合结构1在320纳米以后的紫外波段透射几乎为0，复合结构2在280纳米以后的紫外波段透射也近乎0。由此可知，由两种不同折射率的介质SiO2/HfO2交替叠加形成的复合结构具有明显的滤波功能。
测试结果表明，使用本发明所述设计的具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，比传统结构器件有着更短的截止波长，实现了对紫外波段的选择性响应。
Claims (10)
1.一种具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，其特征在于：其钝化层为复合的全介质结构薄膜，复合的全介质结构薄膜由不同折射率的材料交替叠加形成。
2.如权利要求1所述的具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，其特征在于：复合的全介质结构薄膜的厚度为1～20微米。
3.如权利要求1或2所述的具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，其特征在于：复合的全介质结构薄膜由高折射率材料和低折射率材料交替叠加形成；高折射率材料的折射率大于1.5，低折射率材料的折射率小于1.5。
4.如权利要求3所述的具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，其特征在于：高折射率材料包括：HfO2、ZrO2、Y2O3、Al2O3、Si3N4、NdF3或LaF3，低折射率材料包括：SiO2、YbF3、AlF3、BaF2、MgF2或Na3AlF6。
5.如权利要求4所述的具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，其特征在于：复合的全介质结构薄膜由HfO2层和SiO2层交替叠加形成。
6.如权利要求3所述的具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，其特征在于：至少包含一组高低折射率交替叠加的周期结构，交替叠加的周期数为10～500。
7.如权利要求1或2所述的具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，其特征在于：复合的全介质结构薄膜由电子束蒸发、溅射工艺、或化学气相沉积方法淀积而成，淀积速率为0.1nm/s～30nm/s。
8.如权利要求1或2所述的具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，其特征在于：碳化硅肖特基紫外探测器为垂直结构，从下到上依次包括欧姆接触电极、n型SiC衬底、n型SiC外延层、肖特基接触、肖特基金属电极和表面钝化层；欧姆接触电极的厚度为0.1～10微米，欧姆接触电极的材料为镍、金、铂、铝、钛、钨或钼中的至少一种。
9.如权利要求8所述的具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，其特征在于：n型SiC外延层的掺杂浓度为1×1014～1×1019cm-3，总厚度为0.1～50微米。
10.如权利要求8所述的具有滤波功能钝化层的碳化硅肖特基紫外探测器，其特征在于：肖特基接触位于SiC外延层之上，肖特基接触由功函数大于4eV的单层金属或两层以上金属构成，其中，与SiC外延层直接接触的金属为镍、铂、金或铝，肖特基接触的厚度为2～50纳米。
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