CN108493292B - 一种基于碳化硅单晶的x射线探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件制备技术领域，涉及一种基于碳化硅单晶的X射线探测器及其制备方法。该探测器主要包括：高阻碳化硅单晶、高电子浓度n型碳化硅层、低电子浓度n型碳化硅层、高空穴浓度p型碳化硅层、低空穴浓度p型碳化硅层、二氧化硅保护层、p型碳化硅欧姆接触电极、n型碳化硅欧姆接触电极、和金引线电极。本发明提出一种有效而简便的工艺制造技术，解决了碳化硅基高能X射线探测器的制备难题，实现新型碳化硅辐射探测器的研制。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件制备技术领域，涉及一种基于碳化硅单晶的X射线探测器及其制备方法。
背景技术
以碳化硅为代表的第三代宽禁带半导体材料因其禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速度高、耐腐蚀和抗辐照等突出优点，在高频、高功率、抗辐射等电子器件方面具有重要应用。特别是，碳化硅的禁带宽度达3.2eV、击穿电场可达3.0×106V/cm、电离能为7.78eV、电阻率可达1012Ω·cm、熔点为2700℃、电子饱和速度2.0×107cm/s，是研制半导体辐射探测器的理想材料。人们已经掌握了几种制备碳化硅单晶的方法，通过离子注入技术可以实现n型和p型导电特性，通过在生长过程中掺入钒元素可以制备出半绝缘的碳化硅。从已报道的研究结果来看，碳化硅材料主要用来制备电力电子器件和光电器件。在性能要求更高的X射线探测器研制方面(暗电流要尽可能小、载流子传输损耗尽可能小)，目前主要采用同质外延生长碳化硅的方法来完成器件结构的制备。受现有技术条件的限制，采用外延生长方法制备的碳化硅X射线探测器的探测灵敏区厚度一般不会超过150微米，对于具有很强穿透性的X射线来说，这一厚度无法使得具有较高能量X射线的能量得以充分沉积，从而直接影响探测器对于能量较高的X射线的探测灵敏度、探测效率和能量分辨率，或者直接导致无法对高能X射线进行探测。然而相比于外延生长碳化硅器件结构，采用碳化硅单晶进行X射线探测器的研制具有的优势为：1、单晶厚度可依据需要进行切割以满足高能X射线探测需求；2、单晶质量较高有利于载流子的有效收集。为此，本发明创新的提出采用碳化硅单晶进行X射线探测器的研制。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述制备碳化硅X射线探测器过程中所面临的诸多技术难题，提出一种基于碳化硅单晶的X射线探测器及其制备方法。
本发明的技术方案：
一种基于碳化硅单晶的X射线探测器，包括高阻碳化硅单晶1、高电子浓度n型碳化硅层2、低电子浓度n型碳化硅层3、高空穴浓度p型碳化硅层4、低空穴浓度p型碳化硅层5、二氧化硅保护层6、p型碳化硅欧姆接触电极7、n型碳化硅欧姆接触电极8和金引线电极9；
所述的高阻碳化硅单晶1为主体结构；
所述的高电子浓度n型碳化硅层2嵌入至高阻碳化硅单晶1的上表面，二者的上表面平齐；
所述的低电子浓度n型碳化硅层3围绕高电子浓度n型碳化硅层2布置；
所述的二氧化硅保护层6围绕n型碳化硅欧姆接触电极8布置周围，整体覆盖在高阻碳化硅单晶1的上表面；
所述的两个金引线电极9位于氧化硅保护层6和n型碳化硅欧姆接触电极8交界处的上表面；
所述的高空穴浓度p型碳化硅层4嵌入至高阻碳化硅单晶1的下表面，二者的上表面平齐；
所述的低空穴浓度p型碳化硅层5围绕高空穴浓度p型碳化硅层4布置；
所述的p型碳化硅欧姆接触电极7为倒置的T型，顶部与高空穴浓度p型碳化硅层4接触；
所述的低空穴浓度p型碳化硅层5和p型碳化硅欧姆接触电极7之间的空隙填充有二氧化硅保护层6，将高阻碳化硅单晶1的下表面全部覆盖。
一种基于碳化硅单晶的X射线探测器的制备方法，步骤如下：
步骤1：在高阻碳化硅单晶1的上表面和下表面，采用多次光刻掩膜沉积，制备图形化AlN离子注入阻挡层，分别为AlN离子注入阻挡层a10、AlN离子注入阻挡层b11和AlN离子注入阻挡层c12；AlN离子注入阻挡层a10厚度为10nm～10μm，直径占整个样品边长的50％～90％；AlN离子注入阻挡层b11厚度为10nm～15μm，环面宽度占整个样品边长的5％～30％；AlN离子注入阻挡层c12厚度为10nm～20μm，覆盖区域为除AlN离子注入阻挡层a10和AlN离子注入阻挡层b11的所有区域；
步骤2：采用离子注入和热退火的方法在高阻碳化硅单晶1的上表面形成电子浓度横向分布的n型碳化硅层，在高阻碳化硅单晶1的下表面形成空穴浓度横向分布的p型碳化硅层；n型碳化硅层和p型碳化硅层的厚度为10nm～10μm；n型碳化硅层包括高电子浓度n型碳化硅层2和低电子浓度n型碳化硅层3，低电子浓度n型碳化硅层3围绕电子浓度n型碳化硅层2布置，高电子浓度n型碳化硅层2的电子浓度为5.0×1016cm-3～5.0×1019cm-3，低电子浓度n型碳化硅层3的电子浓度范围为5.0×1015cm-3～5.0×1018cm-3；p型碳化硅层包括高空穴浓度p型碳化硅层4和低空穴浓度p型碳化硅层5，低空穴浓度p型碳化硅层5围绕高空穴浓度p型碳化硅层4布置，高空穴浓度p型碳化硅层的空穴浓度为5.0×1016cm-3～5.0×1019cm-3，低空穴浓度p型碳化硅层5的空穴浓度为5.0×1015cm-3～5.0×1018cm-3；
步骤3：保护碳化硅单晶1上表面的AlN层，湿法腐蚀掉碳化硅单晶1下表面的AlN层，在碳化硅单晶1下表面沉积二氧化硅保护层6；利用光刻掩膜技术和HF湿法腐蚀技术在二氧化硅保护层6上开孔；利用光刻掩膜技术、沉积技术和热退火技术，制备图形化的p型碳化硅欧姆接触电极7；
其中，二氧化硅保护层6的厚度为10nm～10μm；开孔面积与高空穴浓度p型碳化硅层4面积一致；p型碳化硅欧姆接触电极7厚度为10nm～15μm，宽度介于开孔和碳化硅单晶1下表面边沿之间；
步骤4：湿法腐蚀掉碳化硅单晶1上表面的AlN层，在碳化硅单晶1上表面沉积二氧化硅保护层6；利用光刻掩膜技术和HF湿法腐蚀技术在二氧化硅保护层6上开孔；利用光刻掩膜技术和镀膜技术，制备图形化的n型碳化硅欧姆接触电极8；利用光刻掩膜技术、沉积技术和热退火技术，制备图形化的金引线电极9；
其中，二氧化硅保护层6的厚度为10nm～10μm；开孔面积与高电子浓度n型碳化硅层2面积一致；n型碳化硅欧姆接触电极8的厚度为10nm～15μm，面积与开孔面积一致；金引线电极9的厚度为10nm～10μm，覆盖面积介于从高阻碳化硅单晶1上表面边沿延伸至10％孔径之间。
所述的湿法腐蚀的腐蚀液为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种混合；
所述的沉积方法是溶胶凝胶法、热蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法、激光脉冲沉积、原子层外延或分子束外延法。
本发明的有益效果：本发明设计了一种基于碳化硅单晶的新型X射线探测器结构，并提出了一种有效而简便的工艺制造技术，解决了碳化硅基高能X射线探测器的制备难题，实现新型碳化硅辐射探测器的研制。
附图说明
图1是基于碳化硅单晶的X射线探测器的结构示意图。
图2是具有n型碳化硅接触电极的器件结构的俯视图。
图3是具有AlN离子注入阻挡层的碳化硅单晶的截面示意图。
图4是具有AlN离子注入阻挡层的碳化硅单晶的平面图示意图。
图5是离子注入和热退火后具有AlN阻挡层碳化硅单晶结构示意图。
图6是具有p型碳化硅接触电极的器件结构截面示意图。
图7是具有p型碳化硅接触电极的器件结构平面示意图。
图中：1高阻碳化硅单晶；2高电子浓度n型碳化硅层；3低电子浓度n型碳化硅层；4高空穴浓度p型碳化硅层；5低空穴浓度p型碳化硅层；6二氧化硅保护层；7p型碳化硅欧姆接触电极；8n型碳化硅欧姆接触电极；9金引线电极；10AlN离子注入阻挡层a；11AlN离子注入阻挡层b；12AlN离子注入阻挡层c。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
本实施例提供了一种基于碳化硅单晶的X射线探测器，包括以下工艺步骤：
步骤1：选择厚度为200μm、表面5mm见方的高阻碳化硅单晶。
步骤2：在高阻碳化硅单晶1的上下表面，采用多次光刻掩膜沉积，制备图形化AlN离子注入阻挡层，AlN离子注入阻挡层a 10区域厚度范围50nm，直径为3mm(占比60％)；AlN离子注入阻挡层b 11区域厚度为100nm，环宽为0.5mm(占比10％)；AlN离子注入阻挡层c 12区域厚度为500nm。
步骤3：采用离子注入和热退火的方法在上表面形成电子浓度横向分布的n型碳化硅层，在下表面形成空穴浓度横向分布的p型碳化硅层；高电子浓度n型碳化硅层2和高空穴浓度p型碳化硅层4的厚度为400nm，高电子浓度n型碳化硅层2的电子浓度为1.0×1018cm-3，高空穴浓度p型碳化硅层4的空穴浓度范围为5.0×1017cm-3；低电子浓度n型碳化硅层3和低空穴浓度p型碳化硅层5的厚度为350nm，低电子浓度n型碳化硅层3的电子浓度为5.0×1017cm-3，低空穴浓度p型碳化硅层5的空穴浓度范围为1.0×1017cm-3；
步骤4：利用蜡保护好上表面的AlN层，利用氢氧化钾溶液腐蚀掉下表面的AlN层，沉积二氧化硅保护层6；而后利用光刻掩膜技术和HF湿法腐蚀技术在二氧化硅保护层6上开孔；而后利用光刻掩膜技术、沉积技术和热退火技术，制备图形化的p型碳化硅欧姆接触电极；二氧化硅保护层6的厚度为100nm；开孔直径3mm；p型碳化硅欧姆接触电极7的厚度为200nm，直径为4mm；
步骤5：利用氢氧化钾溶液腐蚀掉上表面的AlN层，沉积二氧化硅保护层6；而后利用光刻掩膜技术和HF湿法腐蚀技术在二氧化硅保护层6上开孔；而后利用光刻掩膜技术、沉积技术，制备图形化的n型碳化硅欧姆接触电极8；二氧化硅保护层6的厚度为100nm；开孔直径3mm；n型碳化硅欧姆接触电极8的厚度为100nm，直径为3mm；而后利用光刻掩膜技术、镀膜技术和热退火技术制备环状的金引线电极9，外环直径为4mm，内环直径为2.6mm，厚度为500nm。
Claims (4)
1.一种基于碳化硅单晶的X射线探测器，其特征在于，所述的基于碳化硅单晶的X射线探测器包括高阻碳化硅单晶1、高电子浓度n型碳化硅层2、低电子浓度n型碳化硅层3、高空穴浓度p型碳化硅层4、低空穴浓度p型碳化硅层5、二氧化硅保护层6、p型碳化硅欧姆接触电极7、n型碳化硅欧姆接触电极8和金引线电极9；
所述的高阻碳化硅单晶1为主体结构；所述的高电子浓度n型碳化硅层2嵌入至高阻碳化硅单晶1的上表面，二者的上表面平齐；所述的低电子浓度n型碳化硅层3围绕高电子浓度n型碳化硅层2布置；所述的二氧化硅保护层6围绕n型碳化硅欧姆接触电极8布置周围，整体覆盖在高阻碳化硅单晶1的上表面；两个所述的金引线电极9位于氧化硅保护层6和n型碳化硅欧姆接触电极8交界处的上表面；
所述的高空穴浓度p型碳化硅层4嵌入至高阻碳化硅单晶1的下表面，二者的上表面平齐；所述的低空穴浓度p型碳化硅层5围绕高空穴浓度p型碳化硅层4布置；所述的p型碳化硅欧姆接触电极7为倒置的T型，顶部与高空穴浓度p型碳化硅层4接触；所述的低空穴浓度p型碳化硅层5和p型碳化硅欧姆接触电极7之间的空隙填充有二氧化硅保护层6，将高阻碳化硅单晶1的下表面全部覆盖。
2.一种基于碳化硅单晶的X射线探测器的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：在高阻碳化硅单晶1的上表面和下表面，采用多次光刻掩膜沉积，制备图形化AlN离子注入阻挡层，分别为AlN离子注入阻挡层a10、AlN离子注入阻挡层b11和AlN离子注入阻挡层c12；AlN离子注入阻挡层a10厚度为10nm～10μm，直径占整个样品边长的50％～90％；AlN离子注入阻挡层b11厚度为10nm～15μm，环面宽度占整个样品边长的5％～30％；AlN离子注入阻挡层c12厚度为10nm～20μm，覆盖区域为除AlN离子注入阻挡层a10和AlN离子注入阻挡层b11的所有区域；
步骤2：采用离子注入和热退火的方法在高阻碳化硅单晶1的上表面形成电子浓度横向分布的n型碳化硅层，在高阻碳化硅单晶1的下表面形成空穴浓度横向分布的p型碳化硅层；n型碳化硅层和p型碳化硅层的厚度为10nm～10μm；n型碳化硅层包括高电子浓度n型碳化硅层2和低电子浓度n型碳化硅层3，低电子浓度n型碳化硅层3围绕电子浓度n型碳化硅层2布置，高电子浓度n型碳化硅层2的电子浓度为5.0×1016cm-3～5.0×1019cm-3，低电子浓度n型碳化硅层3的电子浓度范围为5.0×1015cm-3～5.0×1018cm-3；p型碳化硅层包括高空穴浓度p型碳化硅层4和低空穴浓度p型碳化硅层5，低空穴浓度p型碳化硅层5围绕高空穴浓度p型碳化硅层4布置，高空穴浓度p型碳化硅层的空穴浓度为5.0×1016cm-3～5.0×1019cm-3，低空穴浓度p型碳化硅层5的空穴浓度为5.0×1015cm-3～5.0×1018cm-3；
步骤3：保护碳化硅单晶1上表面的AlN层，湿法腐蚀掉碳化硅单晶1下表面的AlN层，在碳化硅单晶1下表面沉积二氧化硅保护层6；利用光刻掩膜技术和HF湿法腐蚀技术在二氧化硅保护层6上开孔；利用光刻掩膜技术、沉积技术和热退火技术，制备图形化的p型碳化硅欧姆接触电极7；
其中，二氧化硅保护层6的厚度为10nm～10μm；开孔面积与高空穴浓度p型碳化硅层4面积一致；p型碳化硅欧姆接触电极7厚度为10nm～15μm，宽度介于开孔和碳化硅单晶1下表面边沿之间；
步骤4：湿法腐蚀掉碳化硅单晶1上表面的AlN层，在碳化硅单晶1上表面沉积二氧化硅保护层6；利用光刻掩膜技术和HF湿法腐蚀技术在二氧化硅保护层6上开孔；利用光刻掩膜技术和镀膜技术，制备图形化的n型碳化硅欧姆接触电极8；利用光刻掩膜技术、沉积技术和热退火技术，制备图形化的金引线电极9；
其中，二氧化硅保护层6的厚度为10nm～10μm；开孔面积与高电子浓度n型碳化硅层2面积一致；n型碳化硅欧姆接触电极8的厚度为10nm～15μm，面积与开孔面积一致；金引线电极9的厚度为10nm～10μm，覆盖面积介于从高阻碳化硅单晶1上表面边沿延伸至10％孔径之间。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的湿法腐蚀的腐蚀液为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种混合。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述的沉积方法是溶胶凝胶法、热蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法、激光脉冲沉积、原子层外延或分子束外延法。
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