CN109301007A - 紫外探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紫外探测器及其制备方法，所述紫外探测器包括：按自下而上的顺序依次设置的N+型SiC衬底、N型SiC缓冲层、N型SiC集电区、P型SiC基区、N型Ga2O3发射区；设置于N+型SiC衬底下表面的集电极；以及设置于N型Ga2O3发射区上的发射极；其中，所述N型Ga2O3发射区的侧壁和所述P型SiC基区的侧壁共面。

Description

紫外探测器及其制备方法
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，特别涉及一种紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测技术在军事和民事等领域具有广泛而重要的应用。现有技术中用于制备紫外探测器的半导体材料主要包括GaN和SiC。基于GaN和SiC的紫外探测器的类型主要有：肖特基(Schottky)光电二极管、p-i-n光电二极管、金属-半导体-金属(MSM)光电探测器和雪崩光电二极管(APD)等。
Schottky、p-i-n和MSM结构的紫外探测器制备工艺相对简单、工作偏压较低，但是不具有内部增益、对微弱紫外光信号的响应度很低；APD结构的紫外探测器具有内部增益、灵敏度高、响应速度快，但是在使用时需要施加高偏置电压，从而会引入噪声、降低器件的信噪比。
因此，有必要研究一种具有高增益、无需施加高偏置电压的紫外探测器。
发明内容
本发明的实施例旨在提出一种灵敏度好、信噪比高的紫外探测器及其制备方法。
根据本发明的一个方面，提出一种紫外探测器，包括：按自下而上的顺序依次设置的N+型SiC衬底、N型SiC缓冲层、N型SiC集电区、P型SiC基区、N型Ga2O3发射区；设置于N+型SiC衬底下表面的集电极；以及设置于N型Ga2O3发射区上的发射极；其中，所述N型Ga2O3发射区的侧壁和所述P型SiC基区的侧壁共面。
根据一些实施方式，所述紫外探测器还包括设置于紫外探测器表面的介质层。
根据一些实施方式，所述介质层包括厚度为2500nm的SiO2介质层。
根据一些实施方式，所述N+型SiC衬底的厚度为300～400μm；所述N型SiC缓冲层的厚度为0.5μm；所述N型SiC集电区的厚度为0.5～2μm；所述P型SiC基区的厚度为0.5～2μm；所述N型Ga2O3发射区的厚度为0.2～0.5μm。
根据一些实施方式，所述N型SiC缓冲层的掺杂浓度为1×1018cm-3；所述N型SiC集电区的掺杂浓度为5×1018～1×1019cm-3；所述P型SiC基区的掺杂浓度为1×1017～1×1016cm-3；所述N型Ga2O3发射区的掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3。
根据一些实施方式，所述集电极的材料为Ni金属；所述发射极的材料为Ti/Au金属。
根据本发明的另一方面，提出一种制备紫外探测器的方法，包括：在N+型SiC衬底上依次形成N型SiC缓冲层、N型SiC集电区、P型SiC基区、N型Ga2O3发射区；同时刻蚀所述N型Ga2O3发射区和所述P型SiC基区，使得所述N型Ga2O3发射区的侧壁和所述P型SiC基区的侧壁共面；在所得结构的表面覆盖介质层；在N+型SiC衬底的下表面形成集电极；在经刻蚀的N型Ga2O3发射区上形成发射极。
根据一些实施方式，同时刻蚀所述N型Ga2O3发射区和所述P型SiC基区的工艺条件包括：射频功率(RF)100W，低频功率(LF)500W，SF6气体流量20sccm，Ar气体流量5sccm，压强10mtorr。
根据一些实施方式，所述方法还包括：基于所述紫外探测器的峰值响应波长确定所述介质层的材料和厚度。
根据一些实施方式，形成集电极包括：在N+型SiC衬底的下表面生长Ni金属；在900～1000℃的温度范围内，在真空环境或惰性气体氛围中进行快速热退火。
根据一些实施方式，形成发射极包括：在介质层上光刻出发射极的图形；基于所述图形，在介质层上开设发射极窗口，以暴露出经刻蚀的N型Ga2O3发射区；在经刻蚀的N型Ga2O3发射区上生长Ti/Au金属；在850～900℃的温度范围内，在真空环境或惰性气体氛围中进行快速热退火。
在根据本发明的实施例的紫外探测器中，设置了P型SiC基区和N型Ga2O3发射区，由于发射区材料的禁带宽度比基区材料高，有利于发射极的电子注入，因此在不施加高偏置电压的情况下就可实现较高的增益，一方面可避免由于雪崩引起的额外噪声，另一方面可获得较佳的响应度，紫外检测器的灵敏度较高。此外，发射区材料的宽禁带宽度可以在保证一定增益水平的同时，提高基区的掺杂浓度，从而有利于提高器件的响应速度。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1-4示出了根据本发明的一个示例性实施例的紫外探测器的制备过程的示意图，其中，图4示出了紫外探测器的结构示意图；以及
图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的紫外探测器的光谱响应仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的紫外探测器100的结构示意图。如图4所示，紫外探测器100包括：按自下而上的顺序依次设置的N+型SiC衬底1、N型SiC缓冲层2、N型SiC集电区3、P型SiC基区4、N型Ga2O3发射区5；设置于N+型SiC衬底1下表面的集电极6；以及设置于N型Ga2O3发射区5上的发射极7；其中，N型Ga2O3发射区5的侧壁和P型SiC基区4的侧壁共面。在根据本发明的实施例的紫外探测器中，设置了P型SiC基区和N型Ga2O3发射区，由于发射区材料的禁带宽度比基区材料高，有利于发射极的电子注入，因此在不施加高偏置电压的情况下就可实现较高的增益，一方面可避免由于雪崩引起的额外噪声，另一方面可获得较佳的响应度，紫外检测器的灵敏度较高。此外，发射区材料的宽禁带宽度可以在保证一定增益水平的同时，提高基区的掺杂浓度，从而有利于提高器件的响应速度。
由上可知，本发明的紫外探测器100采用NPN型结构，这是由于目前N型SiC衬底技术发展成熟且已商品化，有利于降低制备工艺难度和改善器件性能；比较而言，对于PNP型结构，目前P型SiC衬底生长技术不成熟，且无商品化，同时在其上难以获得特性良好的欧姆接触，因此PNP型结构尚不适宜本发明的紫外探测器。进一步地，对于宽禁带Ga2O3和SiC，其N型欧姆接触比P型欧姆接触更易获得欧姆接触特性，并且比接触电阻率也更低。因此，对于NPN型结构，在N型Ga2O3发射区5上和N+型SiC衬底1下表面分别设置发射极7和集电极6，相较于PNP型结构可获得更好的欧姆接触特性。此外，本发明的紫外探测器100采用基极悬空的方式，不需在P型SiC基区上制备欧姆接触。
SiC和Ga2O3均为宽禁带半导体，由于具有较宽的带隙，能够在很强的可见光及红外线背景下检测紫外光。本发明的紫外探测器100在工作时基极悬空，集电结(集电区和基区之间的PN结)反偏。图4的箭头示出了紫外光的入射方向，当紫外光透过N型Ga2O3发射区5时，在发射结(发射区与基区之间的PN结)被吸收，形成的光生电流作为紫外探测器100的基极偏置电流，使得电子可从发射极7注入，这些电子以扩散的方式穿过P型SiC基区4，最终被反向偏置的集电极6收集，从而可形成较大的集电极电流，实现初始光电流的放大。
需要说明的是，N、P表示掺杂的类型，“+”表示掺杂浓度的大小，为重掺杂。例如，“N+”表示用N型掺杂剂重掺杂。在本发明的实施例中，N型SiC缓冲层2的掺杂浓度可以为1×1018cm-3；N型SiC集电区3的掺杂浓度可以为5×1018～1×1019cm-3；P型SiC基区4的掺杂浓度可以为1×1017～1×1016cm-3；N型Ga2O3发射区5的掺杂浓度可以为1×1018～1×1019cm-3。
进一步地，N+型SiC衬底1的厚度可以为300～400μm；N型SiC缓冲层2的厚度可以为0.5μm；N型SiC集电区3的厚度可以为0.5～2μm；P型SiC基区4的厚度可以为0.5～2μm，N型Ga2O3发射区5的厚度可以为0.2～0.5μm。
集电极6和发射极7均包括金属材料，在本发明的实施例中，集电极6的材料可以为Ni金属；发射极7的材料可以为Ti/Au叠层双金属。在一些实施例中，紫外探测器100还可以包括设置于紫外探测器表面起钝化作用的介质层8，用于增强器件的密封性，屏蔽外界杂质、粒子电荷、水汽等对器件的有害影响，从而增加器件的稳定性和可靠性。此外，介质层8还可用作紫外光的增透膜，可以基于紫外探测器100的峰值响应波长来确定介质层8的材料和厚度，在本发明的实施例中，介质层8可包括厚度为2500nm的SiO2介质层。
图1-4示出了根据本发明的一个示例性实施例的紫外探测器的制备过程的示意图。参照图1-4，紫外探测器100可如下制备：
首先，如图1所示，在N+型SiC衬底1上例如通过CVD(化学气相沉积)的方法依次形成N型SiC缓冲层2、N型SiC集电区3、P型SiC基区4、N型Ga2O3发射区5；其中，N型SiC缓冲层2可用于降低材料生长时的缺陷、应力和错位，使外延层具有良好的性能；
之后，如图2所示，同时刻蚀N型Ga2O3发射区5和P型SiC基区4，使得N型Ga2O3发射区5的侧壁和P型SiC基区4的侧壁共面；
之后，如图3所示，可以通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)的方法，在所得结构的表面覆盖介质层8；
最后，如图4所示，在N+型SiC衬底1的下表面形成集电极6；在经刻蚀的N型Ga2O3发射区5上形成发射极7。由此，紫外探测器100制备完成。
具体地，可使用例如ICP刻蚀机来刻蚀N型Ga2O3发射区5和P型SiC基区4，刻蚀的工艺条件可包括：射频功率(RF)100W，低频功率(LF)500W，SF6气体流量20sccm，Ar气体流量5sccm，压强10mtorr。刻蚀之前可使用正胶9920光刻胶制作刻蚀掩膜层以保护非刻蚀区域，之后以N型SiC集电区3为停止层，对N型Ga2O3发射区5和P型SiC基区4同时刻蚀，因此刻蚀后的N型Ga2O3发射区5的侧壁和P型SiC基区4的侧壁共面，N型Ga2O3发射区5完全覆盖P型SiC基区4的台面，因此并不引出基极，即，本发明的器件结构采用基极悬空的方式。
具体地，形成集电极6的步骤可包括：
可利用磁控溅射技术在N+型SiC衬底1的下表面生长Ni金属；
然后在900～1000℃的温度范围内，在真空环境或惰性气体氛围中进行快速热退火，以在N+型SiC衬底1的下表面与Ni金属材料表面形成欧姆接触从而完成集电极6的制备。
具体地，形成发射极7的步骤可包括：
在介质层8上光刻出发射极7的图形，具体地，可以在介质层8上旋涂光刻胶，然后在对应经刻蚀的N型Ga2O3发射区5的位置处光刻出发射极7的图形；
之后，基于发射极7的图形，利用缓冲HF腐蚀液在介质层8上开设发射极窗口，以暴露出经刻蚀的N型Ga2O3发射区5；
之后，可利用磁控溅射技术在经刻蚀的N型Ga2O3发射区5上生长Ti/Au叠层双金属；
最后，在850～900℃的温度范围内，在真空环境或惰性气体氛围中进行快速热退火，以在经刻蚀的N型Ga2O3发射区5的表面与Ti/Au金属材料表面形成欧姆接触从而完成发射极7的制备。
图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的紫外探测器100的光谱响应仿真图，其中，集电极6与发射极7之间的电压Vce的大小设置为2V。如图5所示，紫外探测器100在紫外光波长(100-400nm)的波长范围内的响应度较高，特别对于波长在240-290nm范围内的紫外光，光谱响应度可达到250A/W以上。本发明的紫外探测器100具有较高的灵敏度。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (11)

1.一种紫外探测器，包括：
按自下而上的顺序依次设置的N+型SiC衬底、N型SiC缓冲层、N型SiC集电区、P型SiC基区、N型Ga2O3发射区；
设置于N+型SiC衬底下表面的集电极；以及
设置于N型Ga2O3发射区上的发射极；
其中，所述N型Ga2O3发射区的侧壁和所述P型SiC基区的侧壁共面。
2.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述紫外探测器还包括设置于紫外探测器表面的介质层。
3.根据权利要求2所述的紫外探测器，其特征在于，所述介质层包括厚度为2500nm的SiO2介质层。
4.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述N+型SiC衬底的厚度为300～400μm；所述N型SiC缓冲层的厚度为0.5μm；所述N型SiC集电区的厚度为0.5～2μm；所述P型SiC基区的厚度为0.5～2μm；所述N型Ga2O3发射区的厚度为0.2～0.5μm。
5.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述N型SiC缓冲层的掺杂浓度为1×1018cm-3；所述N型SiC集电区的掺杂浓度为5×1018～1×1019cm-3；所述P型SiC基区的掺杂浓度为1×1017～1×1016cm-3；所述N型Ga2O3发射区的掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3。
6.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述集电极的材料为Ni金属；所述发射极的材料为Ti/Au金属。
7.一种制备紫外探测器的方法，包括：
在N+型SiC衬底上依次形成N型SiC缓冲层、N型SiC集电区、P型SiC基区、N型Ga2O3发射区；
同时刻蚀所述N型Ga2O3发射区和所述P型SiC基区，使得所述N型Ga2O3发射区的侧壁和所述P型SiC基区的侧壁共面；
在所得结构的表面覆盖介质层；
在N+型SiC衬底的下表面形成集电极；
在经刻蚀的N型Ga2O3发射区上形成发射极。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，同时刻蚀所述N型Ga2O3发射区和所述P型SiC基区的工艺条件包括：射频功率(RF)100W，低频功率(LF)500W，SF6气体流量20sccm，Ar气体流量5sccm，压强10mtorr。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：基于所述紫外探测器的峰值响应波长确定所述介质层的材料和厚度。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，形成集电极包括：
在N十型SiC衬底的下表面生长Ni金属；
在900～1000℃的温度范围内，在真空环境或惰性气体氛围中进行快速热退火。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，形成发射极包括：
在介质层上光刻出发射极的图形；
基于所述图形，在介质层上开设发射极窗口，以暴露出经刻蚀的N型Ga2O3发射区；
在经刻蚀的N型Ga2O3发射区上生长Ti/Au金属；
在850～900℃的温度范围内，在真空环境或惰性气体氛围中进行快速热退火。
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