CN107452831A - 一种碳化硅探测二极管及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅探测二极管及制作方法，具体实现方法包括两种方案：方案一：在碳化硅衬底上生长第一掺杂类型层，在第一掺杂类型层上进行第二掺杂类型离子注入，通过高温退火完成注入杂质激活，制作二极管阳极和阴极；方案二：在碳化硅衬底上生长第一掺杂类型层，在第一掺杂类型层上进行第二掺杂类型层生长，在第二掺杂类型层上进行第二类型掺杂区注入，在器件边缘通过碳化硅刻蚀形成台阶，制作二极管阳极和阴极。本发明通过改善器件有源区部分注入及金属化结构使得表面全部耗尽成为探测灵敏区，减小死区或消除表面探测死区。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，尤其涉及一种碳化硅探测二极管及制作方法。
背景技术
在核科学研究、核试验测试、核反恐、核核查、核保障、环保、核成像和空间探测等方面各类探测器多年来已有广泛应用。利用核辐射在气体、液体或固体中引起的电离效应、发光现象、物理或化学变化进行核辐射探测的原件称为核辐射探测器。到目前为止，各种应用的核辐射探测器种类很多，工作原理也不尽相同。从种类上将探测器分为径迹探测器、气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器。
半导体探测器探测带电粒子的基本原理与气体电离室十分相似。用半导体材料制成的辐射探测器，又称固体电离室。由于半导体的密度比气体大得多，对射线的阻碍也比气体大得多。半导体探测器是一种特殊的半导体二极管。在二极管上加反向电压增加灵敏区厚度，并在灵敏区上产生较强的电场。射线进入探测器灵敏区，产生电子-空穴对，其数量正比于入射粒子在耗尽区内损耗的能量。电子-空穴对在灵敏区中强电场作用下迅速分离.并分别被两电极收集，从而产生电脉冲信号。要实现这一过程，即探测器正常工作，必须同时满足两个条件，第一是要求用作探测器的固体材料具有高电阻率，这样才能保证加上较高电场时只有很小的漏电流，其次是探测器材料必须有足够长的载流子漂移长度，以便载流子通过灵敏区达到电极不发生复合和俘获。为了满足以上两个要求灵敏区采用较高纯度的低掺半导体材料。
从结构上看，半导体探测器有晶体电导型、P-N结型、PiN结型等几种。按P-N结的制备工艺，探测器又可分为面垒型、扩散结型、离子注入型等。制造探测器的材料有硅、锗及化合物半导体等。半导体探测器具有很好的能量分辨率、宽的能量线性范围、快的脉冲上升时间以及体积小等优点，在精密能谱测量方面明显优于气体电离探测器和闪烁计数器，缺点是耐辐照损伤能力较差、性能受环境温度变化的影响较灵敏，以及有些半导体探测器必须在低温下使用或保存。
与目前普遍采用的气体探测器相比，半导体探测器具有能量分辨率高、时间响应快、线性范围宽、体积小、工作电压较低等优点。常规的Si(Ge)半导体探测器有以下难以克服的缺点：对辐射损伤灵敏，受一定强度粒子辐照后性能逐渐变差甚至失效；探测器一般在室温或低温条件下工作，无法胜任在高温条件下的测量工作；探测器工作电压相对较低，容易被击穿。SiC的击穿电场比硅高一个量级，因此SiC器件的电压阻断层可以有较小的厚度和更高掺杂浓度，对于相同有源层厚度SiC电子器件具有更高的工作电压和更低的泄漏电流，从而实现更高探测精度。SiC的禁带宽度将近是硅的3倍，室温下达3.2eV，使SiC器件可以在250℃～600℃的工作温度下保持良好的器件特性。SiC器件的最高工作温度在500℃以上，而硅器件的最高工作温度只有150℃，砷化镓器件的最高工作温度也不到250℃。另外，SiC具有更高的临界移位能(45～90eV)，这使得SiC具有高抗电磁波冲击和高抗辐射破坏的能力，SiC核探测器可以工作于更高的辐照剂量。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种碳化硅探测二极管及制作方法，通过结构改进减小或消除探测区死层或阻挡层。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种碳化硅探测二极管，包括碳化硅衬底，碳化硅衬底上方为第一掺杂类型层，第一掺杂类型层上方包括第二掺杂类型离子注入区；第二掺杂类型离子注入区上方设置阳极，碳化硅衬底下方设置阴极。
进一步地，第二掺杂类型离子注入区包括若干间隔的区域；其中，包括若干宽度较大的区域，掺杂浓度较大，用以制作欧姆基础阳极；最外侧间距由内向外逐渐增大，内部间距相等。
进一步地，第一掺杂类型层上方还设有第二掺杂类型层，在第二掺杂类型层上方设置第二掺杂类型离子注入区。器件边缘刻蚀有台阶，台阶深度大于第二掺杂类型层的厚度。
进一步地，器件边缘刻蚀有多层台阶。
一种碳化硅探测二极管的制作方法，具体包括以下步骤：
(1)在碳化硅衬底上生长第一掺杂类型层；
(2)在第一掺杂类型层上进行第二掺杂类型离子注入形成第二掺杂类型离子注入区，高温退火完成注入杂质激活；
(3)在第二掺杂类型离子注入区上方制作阳极，在碳化硅衬底下方制作阴极。
进一步地，步骤(2)前还包括步骤：在第一掺杂类型层上生长第二掺杂类型层。
进一步地，步骤(3)前还包括步骤：在器件边缘通过碳化硅刻蚀形成台阶，台阶刻蚀深度大于第二掺杂类型层的厚度。
进一步地，刻蚀形成多层台阶。
有益效果：本发明通过改善器件有源区部分注入及金属化结构使得表面全部耗尽成为探测灵敏区，减小或消除表面探测死区。
附图说明
图1是实施例1中生长第一掺杂类型层的示意图；
图2是实施例1中进行第二掺杂类型离子注入的示意图；
图3是实施例1中制作阳极和阴极的示意图；
图4是实施例2中生长第一掺杂类型层和第二掺杂类型层的示意图；
图5是实施例2中进行第二掺杂类型离子注入的示意图；
图6是实施例2中边缘台阶刻蚀的示意图；
图7是实施例2中边缘多层台阶刻蚀的示意图；
图8是实施例2中边缘台阶刻蚀后制作阳极和阴极的示意图；
图9是实施例2中边缘多层台阶刻蚀后制作阳极和阴极的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
本发明所述的碳化硅探测二极管的制作方法，包括以下的步骤：
S1：在碳化硅衬底2上生长第一掺杂类型层1，如图1所示；
S2：在第一掺杂类型层1上进行第二掺杂类型离子注入形成第二掺杂类型离子注入区3，通过高温退火完成注入杂质激活，如图2所示；
第一掺杂类型为N型掺杂，第二掺杂类型为P型掺杂，或者第一掺杂类型为P型掺杂，第二掺杂类型为N型掺杂。
离子注入区3表面掺杂浓度大于1E19cm-3，离子注入区3注入深度在0.2-1.5μm之间。
S3：在第二掺杂类型离子注入区3上制作二极管阳极4，在碳化硅衬底2下方制作阴极6，如图3所示。阳极4金属为钛、镍等能够通过高温退火形成欧姆接触的金属材料。
在器件探测区内部形成的第二掺杂类型离子注入区3，包括若干形成间隔的区域，在器件外围及中心部分形成宽度较大的若干第二掺杂类型离子注入区域，掺杂浓度较大，用以制作欧姆基础阳极。
如图3所示，仅示出了三个第二掺杂类型离子注入区域，掺杂浓度较大，用以制作欧姆基础阳极。
离子注入区最外侧部分注入区间距由内向外逐渐增大，在外围形成浮空场限制环，内部浮空第二类型掺杂区间距均相等，间距在0.5-3.0μm之间，形成终端保护结构，用以提高器件阻断性能，避免电场集边效应。
在器件探测区内部形成间隔的第二掺杂类型离子注入区3，使得阴极6在高压情况下，表面处第一掺杂类型层1全部耗尽。
探测区中除了第二类型掺杂区以外，第一类型掺杂区全部耗尽即探测灵敏区位于表面，这种结构很大程度上减小了探测死区面积。
实施例2
本发明所述的碳化硅探测二极管的制作方法，包括以下的步骤：
S1：在碳化硅衬底2上生长第一掺杂类型层1，在第一掺杂类型层1上进行第二掺杂类型层5的生长，如图4所示；
第二掺杂类型层5的厚度在0.4-4.0μm之间，第二掺杂类型层5的掺杂浓度在2E14-5E18cm-3之间。
S2：在第二掺杂类型层5上进行第二类型掺杂区注入形成第二掺杂类型离子注入区3，如图5所示；
离子注入区3表面掺杂浓度大于1E19cm-3，离子注入区3注入深度在0.2-1.5μm之间。
S3：在器件边缘通过碳化硅刻蚀形成台阶，如图6所示；也可以刻蚀形成多层台阶，如图7所示；
台阶刻蚀深度大于第二掺杂类型层5的厚度，通过边缘第二类型掺杂层5的台阶刻蚀提高终端保护区的阻断电压。
S4：制作二极管阳极4和阴极6，如图8和9所示；
在器件探测区内部形成的第二掺杂类型离子注入区3，包括若干形成间隔的区域，掺杂浓度较大，用以制作欧姆基础阳极。
第二类型掺杂层5的掺杂浓度较低，使得阴极6在加高压的情况下所有的第二类型掺杂层5全部耗尽。
通过将第二类型掺杂层掺杂浓度降低，使得表面处第二类型掺杂层全部耗尽成为灵敏区，起到探测作用。
本发明的探测二极管结构，通过探测区表面掺杂区结构的改进及电极分布的改进消除了探测死区，改善了探测效率，探测到的电流通过第二类型掺杂区进行收集。
Claims (10)
1.一种碳化硅探测二极管，其特征在于：包括碳化硅衬底，碳化硅衬底上方为第一掺杂类型层，第一掺杂类型层上方包括第二掺杂类型离子注入区；第二掺杂类型离子注入区上方设置阳极，碳化硅衬底下方设置阴极。
2.根据权利要求1所述的碳化硅探测二极管，其特征在于：第二掺杂类型离子注入区包括若干间隔的区域；其中，包括若干宽度较大的区域，掺杂浓度较大，用以制作欧姆基础阳极；最外侧间距由内向外逐渐增大，内部间距相等。
3.根据权利要求1所述的碳化硅探测二极管，其特征在于：第一掺杂类型层上方还设有第二掺杂类型层，在第二掺杂类型层上方设置第二掺杂类型离子注入区。
4.根据权利要求3所述的碳化硅探测二极管，其特征在于：器件边缘刻蚀有台阶，台阶深度大于第二掺杂类型层的厚度。
5.根据权利要求4所述的碳化硅探测二极管，其特征在于：器件边缘刻蚀有多层台阶。
6.根据权利要求1所述的碳化硅探测二极管，其特征在于：第一掺杂类型为N型掺杂，第二掺杂类型为P型掺杂；或者第一掺杂类型为P型掺杂，第二掺杂类型为N型掺杂。
7.一种碳化硅探测二极管的制作方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)在碳化硅衬底上生长第一掺杂类型层；
(2)在第一掺杂类型层上进行第二掺杂类型离子注入形成第二掺杂类型离子注入区，高温退火完成注入杂质激活；
(3)在第二掺杂类型离子注入区上方制作阳极，在碳化硅衬底下方制作阴极。
8.根据权利要求4所述的碳化硅探测二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)前还包括步骤：在第一掺杂类型层上生长第二掺杂类型层。
9.根据权利要求4所述的碳化硅探测二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)前还包括步骤：在器件边缘通过碳化硅刻蚀形成台阶，台阶刻蚀深度大于第二掺杂类型层的厚度。
10.根据权利要求6所述的碳化硅探测二极管的制作方法，其特征在于：刻蚀形成多层台阶。
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