CN105304748A - 双工作模式的4H-SiC紫外光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
双工作模式的4H-SiC紫外光电探测器及其制备方法，涉及半导体光电探测器件。探测器设有N+型4H-SiC衬底，在N+型4H-SiC衬底上依次设有第一N-型外延吸收层和第二N型外延倍增层；从第二N型外延倍增层至第一N-型外延吸收层表面刻蚀一高度；在第二N型外延倍增层和第一N-型外延吸收层表面形成P+型欧姆接触层，形成P+N和P+N-两个PN结；在P+型欧姆接触层的表面生长二氧化硅钝化层；在钝化层上设P型电极窗口，在P型电极窗口和N+型4H-SiC衬底背面分别溅射P电极和N电极。制备方法：对生长好的外延片进行RCA标准清洗；倾斜台面的制备；P+层的制备；氧化层的制备；电极的制备。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电探测器件，具体是涉及一种探测波长为200～400nm的双工作模式的4H-SiC紫外光电探测器及其制备方法。
背景技术
紫外光电探测器可广泛应用于军事和民用等领域，在军事方面可用于导弹预警、火箭发射、飞行器制导等方面，在民用方面可用于生物医药的分析、火灾报警、太阳光紫外线强度测定等方面，因此其具有广阔的应用前景，是光电探测领域的前沿研究方向之一。4H-SiC是第三代宽带隙半导体的核心材料之一，具有高临界击穿电场、高饱和电子速度、高电子迁移率和高热导率等优点，成为制备高性能紫外光电探测器的热门材料。另外，4H-SiC材料的空穴和电子的离化系数比高达50，这使得4H-SiC材料很适合做雪崩光电探测器(APD)，具有较小的倍增噪声。目前，国内外的单位研究的4H-SiC紫外光电探测器主要是两种结构，PIN和分离吸收层与倍增层(SAM)。PIN结构的SiC紫外光电探测器一般应用于光信号的高速简易探测，具有响应速度快、暗电流低和功耗低等优点，这是由于I层具有较低的掺杂深度，使得器件在低工作电压或者零偏压下工作时便完全耗尽；但是其雪崩击穿电压很高，器件功耗大，且没有内部增益，无法稳定地工作在雪崩击穿电压状态。SAM结构的SiCAPD一般应用于紫外微弱信号和单光子信号的检测，在穿通状态下吸收层与倍增层的分离可以降低器件的击穿电压，具有雪崩噪声小、内部增益大等优点；但是其倍增层掺杂浓度比较高，造成暗电流较大，且在低电压工作状态，器件的有源区不能完全耗尽，造成光谱响应低、紫外/可见抑制比低，性能远低于PIN光电探测器。PIN结构和SAM结构的光电探测器是为满足紫外探测应用过程中不同探测要求而设计的两种结构。因此，设计一种新型结构的光电探测器，即在一种结构的器件上实现PIN紫外光电探测器和SAM结构APD两种器件的探测要求，使其在低电压工作状态和雪崩击穿电压工作状态分别具有PIN结构和SAM结构的特性或比之更好的特性，对紫外光电探测器的实际应用有重要意义。
本申请人在中国专利CN201032635中公开一种PIN结构4H－SiC紫外光电探测器，设有n+型衬底，在n+型衬底上依次外延生长n型层、n－型层和p+型层，n+型衬底背面为n型欧姆接触电极，采用干法刻蚀工艺刻蚀一高度从表面p+型层到达n型层的器件隔离台阶，隔离台阶和p+型层表面覆盖氧化层，在p+型层表面的p型接触电极窗口处沉积p型欧姆接触电极，p型欧姆接触电极上一角覆盖金属Ti/Au层作为焊盘，覆盖氧化层的台面为器件的光敏面。
本申请人在中国专利CN101030609公开一种δ掺杂4H－SiC雪崩紫外光电探测器及其制备方法，δ掺杂4H－SiC雪崩紫外光电探测器呈台面结构，设有n+型4H－SiC衬底，在衬底上从下至上依次外延生长n+型缓冲层、超低掺杂n－型层、δ掺杂n型层、低掺杂n－型层和高掺杂p+型层，超低掺杂n－型层、δ掺杂n型层和低掺杂n－型层共同构成有源层；设有至少3个台面，其中最下面的台面用于器件隔离并位于n+型缓冲层，其它台面全部位于器件有源层上；器件表面设有致密的氧化硅钝化膜，设p型和n型电极。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的紫外光电探测器存在的上述缺陷，提供一种可满足不同电压工作状态的，探测波长为200～400nm的双工作模式的4H-SiC紫外光电探测器及其制备方法。
本发明所述双工作模式的4H-SiC紫外光电探测器设有N+型4H-SiC衬底，在N+型4H-SiC衬底上依次设有第一N-型外延吸收层和第二N型外延倍增层；从第二N型外延倍增层至第一N-型外延吸收层表面刻蚀一高度，使得第二N型外延倍增层为圆台；在第二N型外延倍增层和第一N-型外延吸收层表面形成P+型欧姆接触层，形成P+N和P+N-两个PN结；在P+型欧姆接触层的表面生长二氧化硅层作为器件的钝化层；在钝化层上设有P型电极窗口，在P型电极窗口和N+型4H-SiC衬底背面分别溅射P电极和N电极。
所述第一N-型外延吸收层的厚度可为1.0μm，第二N型外延倍增层的厚度可为0.3μm。
所述圆台的斜面和水平面的夹角≤10°，所述圆台的下底面直径可为4～6μm，所述圆台的斜面和水平面的夹角等于10°时，圆台的上底面直径可为0.6～2.6μm。
所述P+型欧姆接触层的厚度可为0.2μm。
所述钝化层的厚度可为0.3μm。
N+型4H-SiC衬底、第一N-型外延吸收层、第二N型外延倍增层、P+型欧姆接触层的掺杂浓度分别可为1.0×1019/cm3、1×1015/cm3、7.0×1017/cm3和2.0×1019/cm3。
本发明所述双工作模式4H-SiC紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)对生长好的外延片进行RCA标准清洗；
2)倾斜台面的制备：使用光刻胶AZ4620在样品表面涂上一层厚的光刻胶作为干法刻蚀的阻挡层，利用光刻胶和4H-SiC的刻蚀速率不同，采用ICP刻蚀，使得第二N型层形成一倾斜圆台，且圆台的斜面和水平面的夹角为θ，且角θ≤10°；
3)P+层的制备：采用高温离子注入方法在第二N型外延层和第一N-型层表面上形成一P+型欧姆接触层。
4)氧化层的制备：热氧化前做好RCA标准清洗，装片到氧化炉，第一次生长的氧化层做为牺牲层，具体是采用干氧、湿氧和干氧交替氧化；取出样品，放入缓冲氢氟酸溶液中腐蚀，去除第一次生长的氧化层，冲洗干净后将样品再次放进氧化炉进行第二次氧化，具体是采用干氧、湿氧、干氧和氮气氛围交替，热氧化后，取出样品放入PECVD的腔体中，用PECVD生长二氧化硅层，二氧化硅层作为器件的钝化层；
5)电极的制备：用缓冲氢氟酸腐蚀窗口处的氧化层形成P型电极区，然后磁控溅射Ti/Al/Ti/Au作为P型接触电极，在样品的衬底背面溅射Ni/Au形成N型接触电极，两种电极同时在高温下退火，最后形成良好的欧姆接触。
在步骤1)中，所述对生长好的外延片进行RCA标准清洗的方法可为：
(1)用甲苯、丙酮和乙醇超声5min，重复2遍，再用去离子水冲洗干净；
(2)用三号液于250℃下煮20min后，用热、冷去离子水冲洗；所述三号液按体积比的配比为H2SO4∶H2O2＝4∶1；
(3)将样品放入稀释氢氟酸浸泡4min，再用热、冷去离子水冲洗；所述稀释氢氟酸按体积比的配比为HF∶H2O＝1∶20；
(4)用一号液煮10min后，用热、冷去离子水冲洗；所述一号液按体积比的配比NH3·H2O∶H2O2∶H2O＝1∶1∶4；
(5)将样品放入稀释氢氟酸中浸泡4min，再用热、冷去离子水冲洗；
(6)用二号液煮10min后，用热、冷去离子水冲洗，然后用氮气吹干待用；所述二号液按体积比的配比为HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶4。
本发明的主要工作原理是：在器件两端加上一反向偏置电压，将会在P+N结和P+N-结处形成两个空间耗尽层。由于N-层的掺杂浓度很低，当反向电压略大于或等于0V时，P+N-空间耗尽层的厚度便和N-层的厚度一样，即N-层已经处于穿通状态。此时该探测器的工作状态和PIN紫外光电探测器的工作状态类似，即工作在低反向电压，具有低暗电流和高响应度的状态。当反向电压继续增大，P+N结处首先发生雪崩击穿，P+N-结中N-层仍然处于穿通状态并起到吸收光子转化成光生载流子的作用，光生载流子漂移到P+N结处的空间耗尽层产生雪崩倍增效应，此时该探测器的工作状态和SAM结构的APD的工作状态类似，处于低雪崩击穿电压和高载流子倍增的状态，具有高探测率和高紫外/可见抑制比的特性。
在不降低甚至提高器件的光电性能前提下，本发明的光电探测器可具有两种工作模式，即在低工作电压条件下作为PIN光电探测器使用，并可在雪崩工作电压条件下作为APD使用。
本发明由于采用圆台状的小面积倍增区和大面积吸收区相结合的结构，使器件获得较低的雪崩击穿电压，并且有效地降低器件的暗电流。该探测器工作在雪崩击穿电压以下，具有低暗电流、高光谱响应，与PIN光电探测器的性能相一致；也可以工作在雪崩击穿电压状态，具有高探测率和高紫外/可见抑制比，比传统SAM结构APD具有更优的光电特性。
与现有的紫外光电探测器相比，本发明具有以下突出的优点。(1)设计了圆台状的小面积倍增层和大面积吸收区相结合的结构，可以获得较低的雪崩击穿电压，有效地降低了器件的暗电流，同时保证光子的充分吸收；(2)设计器件的边缘终端为倾斜的台面，其表面电场分布比较均匀，有效地抑制电场集边效应，进一步防止器件局部提前击穿，提高器件的探测灵敏度，对微弱信号和单光子信号进行检测。(3)可以满足光电探测器在不同电压工作状态的性能要求，即当工作在较低反向偏压时，具有低暗电流、高光谱响应，与PIN光电探测器的相一致的光电特性；当工作在雪崩击穿电压状态时，具有高探测率和高紫外/可见抑制比，比传统SAM结构APD具有更优的光电学特性。
附图说明
图1为本发明实施例的三维结构截面示意图。
图2为本发明的器件(APIN)暗电流和光电流随反向电压的变化关系，以及相同外延层浓度和厚度的PIN结构紫外光电探测器和SAM结构APD的暗电流和光电流随反向电压的变化关系。在图2中，横坐标为反应电压(V)，纵坐标为电流(A)。
图3为本发明的器件(APIN)和SAM结构APD在雪崩击穿电压工作状态下的光谱响应图，插图为本发明的器件(APIN)和PIN结构光电探测器在反向电压5V下的光谱响应图。在图3中，横坐标为入射波长(nm)，纵坐标为相对光谱响应(A/W)。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述双工作模式的4H-SiC紫外光电探测器实施例设有N+型4H-SiC衬底2，在N+型4H-SiC衬底2上依次设有第一N-型外延吸收层3和第二N型外延倍增层5；从第二N型外延倍增层5至第一N-型外延吸收层3表面刻蚀一高度，使得第二N型外延倍增层5为圆台；在第二N型外延倍增层5和第一N-型外延吸收层3表面形成P+型欧姆接触层，形成P+N和P+N-两个PN结；在P+型欧姆接触层的表面生长二氧化硅层作为器件的钝化层；在钝化层上设有P型电极窗口，在P型电极窗口和N+型4H-SiC衬底2背面分别溅射P电极和N电极。
所述第一N-型外延吸收层3的厚度可为1.0μm，第二N型外延倍增层5的厚度可为0.3μm。
所述圆台的斜面和水平面的夹角≤10°，所述圆台的下底面直径可为4～6μm，所述圆台的斜面和水平面的夹角等于10°时，圆台的上底面直径可为0.6～2.6μm。
所述P+型欧姆接触层的厚度可为0.2μm。
所述钝化层的厚度可为0.3μm。
N+型4H-SiC衬底2、第一N-型外延吸收层3、第二N型外延倍增层5、P+型欧姆接触层的掺杂浓度分别可为1.0×1019/cm3、1×1015/cm3、7.0×1017/cm3和2.0×1019/cm3。
本发明所述双工作模式4H-SiC紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)对生长好的外延片进行RCA标准清洗；
2)倾斜台面的制备：使用光刻胶AZ4620在样品表面涂上一层厚的光刻胶作为干法刻蚀的阻挡层，利用光刻胶和4H-SiC的刻蚀速率不同，采用ICP刻蚀，使得第二N型层形成一倾斜圆台，且圆台的斜面和水平面的夹角为θ，且角θ≤10°；
3)P+层的制备：采用高温离子注入方法在第二N型外延层和第一N-型层表面上形成一P+型欧姆接触层。
4)氧化层的制备：热氧化前做好RCA标准清洗，装片到氧化炉，第一次生长的氧化层做为牺牲层，具体是采用干氧、湿氧和干氧交替氧化；取出样品，放入缓冲氢氟酸溶液中腐蚀，去除第一次生长的氧化层，冲洗干净后将样品再次放进氧化炉进行第二次氧化，具体是采用干氧、湿氧、干氧和氮气氛围交替，热氧化后，取出样品放入PECVD的腔体中，用PECVD生长二氧化硅层，二氧化硅层作为器件的钝化层；
5)电极的制备：用缓冲氢氟酸腐蚀窗口处的氧化层形成P型电极区，然后磁控溅射Ti/Al/Ti/Au作为P型接触电极，在样品的衬底背面溅射Ni/Au形成N型接触电极，两种电极同时在高温下退火，最后形成良好的欧姆接触。
在步骤1)中，所述对生长好的外延片进行RCA标准清洗的方法可为：
(1)用甲苯、丙酮和乙醇超声5min，重复2遍，再用去离子水冲洗干净；
(2)用三号液于250℃下煮20min后，用热、冷去离子水冲洗；所述三号液按体积比的配比为H2SO4∶H2O2＝4∶1；
(3)将样品放入稀释氢氟酸浸泡4min，再用热、冷去离子水冲洗；所述稀释氢氟酸按体积比的配比为HF∶H2O＝1∶20；
(4)用一号液煮10min后，用热、冷去离子水冲洗；所述一号液按体积比的配比NH3·H2O∶H2O2∶H2O＝1∶1∶4；
(5)将样品放入稀释氢氟酸中浸泡4min，再用热、冷去离子水冲洗；
(6)用二号液煮10min后，用热、冷去离子水冲洗，然后用氮气吹干待用；所述二号液按体积比的配比为HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶4。
本发明的主要工作原理是：在器件两端加上一反向偏置电压，将会在P+N结和P+N-结处形成两个空间耗尽层。由于N-层的掺杂浓度很低，当反向电压略大于或等于0V时，P+N-空间耗尽层的厚度便和N-层的厚度一样，即N-层已经处于穿通状态。此时该探测器的工作状态和PIN紫外光电探测器的工作状态类似，即工作在低反向电压，具有低暗电流和高响应度的状态。当反向电压继续增大，P+N结处首先发生雪崩击穿，P+N-结中N-层仍然处于穿通状态并起到吸收光子转化成光生载流子的作用，光生载流子漂移到P+N结处的空间耗尽层产生雪崩倍增效应，此时该探测器的工作状态和SAM结构的APD的工作状态类似，处于低雪崩击穿电压和高载流子倍增的状态，具有高探测率和高紫外/可见抑制比的特性。
在不降低甚至提高器件的光电性能前提下，本发明的光电探测器可具有两种工作模式，即在低工作电压条件下作为PIN光电探测器使用，并可在雪崩工作电压条件下作为APD使用。
本发明在高掺杂的N+型4H-SiC衬底2上依次设计第一N-型外延吸收层3和第二N型外延倍增层5，厚度分别为1.0μm和0.3μm。采用光刻掩膜技术和ICP刻蚀工艺刻蚀一高度从第二N型外延倍增层5到第一N-型外延吸收层3表面，使得第二N型层为圆台，圆台的斜面和水平面的夹角等于10度。采用高温离子注入方法在第二N型外延层和第一N-型表面形成P+型欧姆接触层4，P+型层的厚度为0.2μm。通过热氧化和PECVD在P+型层的表面生长一层二氧化硅6作为器件的钝化层，二氧化硅层的厚度为0.3μm。通过湿法腐蚀形成P型电极窗口，然后在P型电极窗口和N+衬底背面分别溅射P电极7和N电极1。设计N+、N-、N和P+层的掺杂浓度分别为1.0×1019/cm3、1×1015/cm3、7.0×1017/cm3和2.0×1019/cm3。结构设计完成后，便通过半导体器件模拟软件SILVACOATLAS模拟其光电特性。
如图2(a)、(b)所示，用半导体器件模拟软件SILVACOATLAS模拟器件的暗电流和光电流(入射波长为270nm、入射光功率密度为4×10-3W/cm2)随反向电压的变化关系。所设计器件具有较低的雪崩击穿电压，且光电流比暗电流提高了3个数量级，这个数值比PIN结构和SAM结构的光电探测器都要高。当反向偏压较低时，所设计的器件表现出与PIN结构光电探测器的暗电流具有相同数量级，响应速度快。
如图3所示，所设计器件的响应波长范围在200～400nm，比SAM结构APD具有更高的光谱响应，且器件的紫外/可见抑制比大于103数量级。由图3中的插图可得，在较低反向偏压5V下，所设计器件的光谱响应与PIN结构的光电探测器几乎一致。
这些结果表明，本发明的器件能够工作在不同的电压状态，具有低暗电流、高光谱响应、高探测率和高紫外/可见抑制比，可以有效地对微弱紫外信号和单光子信号进行探测。
本发明提供了一种探测波长为200～400nm的4H-碳化硅(4H-SiC)紫外光电探测器，包括从下到上依次设计的N+型4H-SiC衬底、N-型吸收层、圆台状的小面积N型倍增层、P+型层和氧化层。通过半导体器件模拟软件SILVACOATLAS模拟出其电流电压特性、电场分布和光谱响应。实验结果表明，由于采用圆台状的小面积倍增区和大面积吸收区相结合的结构，使器件获得较低的雪崩击穿电压，并且有效地降低器件的暗电流。该探测器工作在雪崩击穿电压以下，具有低暗电流、高光谱响应，与PIN光电探测器的性能相似；也可以工作在雪崩击穿电压状态，具有高探测率和高紫外/可见抑制比，比传统吸收层和倍增层分离的雪崩光电探测器(APD)具有更优的光电特性。因此在不降低甚至提高器件光电性能的前提下，本发明的光电探测器可具有两种工作模式，即在低工作电压条件下作为PIN光电探测器使用，并可在雪崩工作电压条件下作为APD使用。本发明对于制备高性能的可满足这两种模式的SiC紫外光电探测器具有重要的应用前景。
Claims (9)
1.双工作模式的4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于设有N+型4H-SiC衬底，在N+型4H-SiC衬底上依次设有第一N-型外延吸收层和第二N型外延倍增层；从第二N型外延倍增层至第一N-型外延吸收层表面刻蚀一高度，使得第二N型外延倍增层为圆台；在第二N型外延倍增层和第一N-型外延吸收层表面形成P+型欧姆接触层，形成P+N和P+N-两个PN结；在P+型欧姆接触层的表面生长二氧化硅层作为器件的钝化层；在钝化层上设有P型电极窗口，在P型电极窗口和N+型4H-SiC衬底背面分别溅射P电极和N电极。
2.如权利要求1所述双工作模式的4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于所述第一N-型外延吸收层的厚度为1.0μm，第二N型外延倍增层的厚度为0.3μm。
3.如权利要求1所述双工作模式的4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于所述圆台的斜面和水平面的夹角≤10°，所述圆台的下底面直径为4～6μm。
4.如权利要求1所述双工作模式的4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于所述圆台的斜面和水平面的夹角等于10°，圆台的上底面直径为0.6～2.6μm。
5.如权利要求1所述双工作模式的4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于所述P+型欧姆接触层的厚度为0.2μm。
6.如权利要求1所述双工作模式的4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于所述钝化层的厚度为0.3μm。
7.如权利要求1所述双工作模式的4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于N+型4H-SiC衬底、第一N-型外延吸收层、第二N型外延倍增层、P+型欧姆接触层的掺杂浓度分别为1.0×1019/cm3、1×1015/cm3、7.0×1017/cm3和2.0×1019/cm3。
8.双工作模式4H-SiC紫外光电探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)对生长好的外延片进行RCA标准清洗；
2)倾斜台面的制备：使用光刻胶AZ4620在样品表面涂上一层厚的光刻胶作为干法刻蚀的阻挡层，利用光刻胶和4H-SiC的刻蚀速率不同，采用ICP刻蚀，使得第二N型层形成一倾斜圆台，且圆台的斜面和水平面的夹角为θ，且θ≤10°；
3)P+层的制备：采用高温离子注入方法在第二N型外延层和第一N-型层表面上形成一P+型欧姆接触层；
4)氧化层的制备：热氧化前RCA标准清洗，装片到氧化炉，第一次生长的氧化层作为牺牲层，采用干氧、湿氧和干氧交替氧化；取出样品，放入缓冲氢氟酸溶液中腐蚀，去除第一次生长的氧化层，冲洗干净后将样品再次放进氧化炉进行第二次氧化，采用干氧、湿氧、干氧和氮气氛围交替，热氧化后，取出样品放入PECVD的腔体中，用PECVD生长二氧化硅层，二氧化硅层作为器件的钝化层；
5)电极的制备：用缓冲氢氟酸腐蚀窗口处的氧化层形成P型电极区，然后磁控溅射Ti/Al/Ti/Au作为P型接触电极，在样品的衬底背面溅射Ni/Au形成N型接触电极，两种电极同时退火，最后形成欧姆接触。
9.如权利要求8所述双工作模式4H-SiC紫外光电探测器的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述对生长好的外延片进行RCA标准清洗的方法为：
(1)用甲苯、丙酮和乙醇超声5min，重复2遍，再用去离子水冲洗干净；
(2)用三号液于250℃下煮20min后，用热、冷去离子水冲洗；所述三号液按体积比的配比为H2SO4∶H2O2＝4∶1；
(3)将样品放入稀释氢氟酸浸泡4min，再用热、冷去离子水冲洗；所述稀释氢氟酸按体积比的配比为HF∶H2O＝1∶20；
(4)用一号液煮10min后，用热、冷去离子水冲洗；所述一号液按体积比的配比NH3·H2O∶H2O2∶H2O＝1∶1∶4；
(5)将样品放入稀释氢氟酸中浸泡4min，再用热、冷去离子水冲洗；
(6)用二号液煮10min后，用热、冷去离子水冲洗，然后用氮气吹干待用；所述二号液按体积比的配比为HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶4。
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