CN109326659B - 一种高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高响应度低暗电流PIN结构的4H‑SiC紫外探测器及其制备方法，一种高响应度低暗电流PIN结构的4H‑SiC紫外探测器，在上电极和上电极4H‑SiC欧姆接触层之间设有氧等离子体处理的4H‑SiC欧姆接触层。上电极为Ti单层金属或含Ti多层金属复合结构。本发明高响应度低暗电流PIN结构的4H‑SiC紫外探测器克服了传统PIN结构4H‑SiC紫外探测器响应度低的缺点，在不增加器件的外延技术难度、器件制备复杂程度及成本的前提下，有效提升器件的灵敏度，并保持极低的暗电流水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器及其制备方法，属于半导体光电子器件技术领域。
背景技术
紫外探测技术是继红外探测技术和激光探测技术后新兴的一种探测技术。紫外光(UV)探测在军事、民用、工业及科学研究等多个领域具有重要应用，如导弹尾羽监测和预警、非可视距紫外通讯、短距离紫外激光雷达、高压弧光放电、火焰检测、紫外固化、紫外杀菌消毒、天体物理研究、生物技术和材料科学研究等诸多军事、工业、民用、科学领域。
常见的光电探测器结构有：金属-半导体-金属(MSM)结构、肖特基(Schottky)结构、PN/PIN结构、光电导结构、雪崩光电探测器(APD)结构。其中，MSM、Schottky结构的光电探测器器件结构简单，制备工艺简单，但是器件有效利用面积低，高温工作稳定性差，且无增益，响应度低，不适合弱光探测；PN/PIN结构的光电探测器具有暗电流低、量子效率高、高温工作稳定性优等优点，但是器件结构复杂，器件无增益，无法实现弱光信号的快速探测；光电导结构的光电探测器器件结构简单，具有增益，响应度高，但是光电导结构的光电探测器漏电高，响应速度慢，而且稳定性差；APD结构的光电探测器器件具有增益，响应度高，但器件复杂，且工作在高电场强度下，器件的增益对器件的内部电场极敏感，需对APD两端的电压进行精确控制，制备流程复杂。
目前，常用于制备紫外探测的半导体材料是第一代半导体材料Si和第三代半导体材料GaN和SiC。其中，Si的禁带宽度为1.12eV，波段响应范围覆盖近红外-可见-紫外范围，对可见光具有强烈的响应，在用于紫外探测时，需使用价格昂贵、面积大的紫外滤光片，而且，Si材料对紫外具有强烈的吸收效果，导致Si探测器在紫外波段的量子效率极低，在制备紫外探测器时，需进行特殊的紫外增强型结构设计以及特殊工艺流程设计和改进。作为第三代半导体代表材料的GaN和SiC材料具有大禁带宽度、高电子漂移速度、高临界击穿场强、高热导率、化学稳定性优、对可见光无响应等优点，是制备紫外探测器的理想材料。与Si基紫外探测器相比，GaN和SiC基紫外探测器具有：1、更高的灵敏度；2、无需加装紫外滤光片，直接实现可见光盲特性，对可见光无响应；3、可在高温、强辐射等恶劣环境下工作。
当前在紫外探测市场上，已出现商业化的GaN和SiC紫外探测器，其结构主要为PIN结构和Schottky结构。由于GaN材料生长技术原因，GaN晶体材料中缺陷密度较高，最终导致GaN紫外探测器的器件暗电流较高，抗静电击穿能力差、长期稳定性差等缺点，因此，市场上的GaN紫外探测器主要用在紫外线指数检测、紫外消毒等民用领域。对于SiC紫外探测器而言，得益于材料生长技术的快速发展及日趋成熟，SiC材料晶体质量高，缺陷密度低，因此，目前市场上的SiC紫外探测器具有暗电流低、稳定性优、以及超大尺寸等优良的性能；但由于SiC材料是间接带隙半导体，在UVA、UVB波段的紫外吸收系数低，因此其量子效率低于GaN紫外探测器，且市场上的SiC基PIN/Schottky结构的紫外探测器均为无增益结构，无法在高压弧光放电、非可视距紫外通讯、短距离紫外激光雷达、生物荧光等军事、工业和科学的高端领域实现应用。
发明内容
本发明提供一种高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器及其制备方法，目的是解决当前SiC基Schottky结构紫外探测器在低压工作时，响应度低、暗电流高、长期可靠性差的缺点，以及PN/PIN结构紫外探测器在低压工作时，响应度低的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，在上电极和上电极4H-SiC欧姆接触层之间设有氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层。
本申请高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，暗电流极低，与传统PIN结构4H-SiC紫外探测器数量级相当，高的响应度，峰值响应度>1A/W。
为了进一步提高探测器的响应度，氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层的厚度为0.5-10nm。
为了保持低暗电流的同时，获得高的响应度，优选，上电极为Ti单层金属或含Ti多层金属复合结构，当上电极为含Ti多层金属复合结构时，与氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层直接接触的为厚度为30-100nm的Ti层。
申请人经研究发现，将4H-SiC表面用氧等离子体进行处理，并将金属Ti作为与氧等离子处理4H-SiC表面接触的金属层，由于4H-SiC表面经过氧等离子体处理后生成硅-氧键和碳-氧键，当Ti金属与氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层在后续的快速热退火过程中形成合金时，生成Ti-O键、Ti3SiC2和TiC化合物以及深能级态，这些深能级态可通过俘获电子或空穴，从而产生光电导增益，使4H-SiC紫外探测器在低工作电压下，保持低暗电流的同时，获得高的响应度。该紫外探测器的上电极可以是Ti单层金属，也可以是Ti/Al/Ni/Au/Pt等多种金属的复合结构，下电极是Ti、Al、Ni、Au、Pt金属中的一种或多种金属。
为了进一步保证低暗电流和高响应度，上电极的厚度为0.1-1μm。
上述高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器从上到下依次包括：钝化保护层、上电极(p型/n型)、氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层(p型/n型层)，上电极4H-SiC欧姆接触层(p型/n型重掺杂)，i型4H-SiC光子吸收层，下电极4H-SiC欧姆接触层(n型/p型重掺杂)，4H-SiC衬底(n型/p型)和下电极(n型/p型)。
下电极为单层或多层金属复合结构，可与上电极接触金属构成相同，也可不同。
为了保证器件的使用寿命，优选，上电极4H-SiC欧姆接触层的厚度为0.2-0.5μm，i型4H-SiC光子吸收层的厚度为0.5-5μm，下电极4H-SiC欧姆接触层的厚度为1-50μm，4H-SiC衬底的厚度为300-400μm，下电极的厚度为0.1-1μm。
为了保证器件的综合性能，上电极4H-SiC欧姆接触层的平均掺杂浓度介于5×1017-2×1019cm-3之间，i型4H-SiC光子吸收层的平均掺杂浓度介于1×1014-1×1017cm-3之间，下电极4H-SiC欧姆接触层的掺杂浓度介于5×1017-2×1019cm-3之间，4H-SiC衬底的掺杂浓度介于5×1017-2×1019cm-3之间；钝化保护层所采用的材质为二氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝或氧化铪中的至少一种。
为进一步优化提升PIN结构4H-SiC紫外探测器器件的综合性能，上电极欧姆金属在制备之前，先将上电极4H-SiC欧姆接触层表面用氧等离子体进行处理。
为了进一步提高器件的响应度，氧等离子体进行处理时，氧气气体流量为5-50sccm，RF(射频)功率10-200W，处理时间30-180秒。
为了进一步提高响应度、降低暗电流，优选，上电极的合金化温度为300-900摄氏度，退火时间为1-5分钟，退火氛围为氮气、氩气等惰性气体氛围或真空环境。其它制备参照现有技术。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，改进了“传统PN/PIN结构4H-SiC紫外探测器响应度不够高”的缺点，与传统PN/PIN结构4H-SiC紫外探测器制备工艺兼容，在不增加紫外探测器复杂程度及制备难度基础上，保持其原有的低暗电流、低偏压工作、可见光无响应的优势的同时，有效提高了PIN结构4H-SiC紫外探测器的响应度。
附图说明
图1为传统PIN结构4H-SiC紫外探测器的结构图；
图2为本发明PIN结构4H-SiC紫外探测器的结构图，该器件是制备在n型4H-SiC衬底材料上，4H-SiC外延结构由上到下依次为p型、i型和n型；
图3为传统PIN结构4H-SiC紫外探测器的制备工艺流程；
图4为本发明PIN结构4H-SiC紫外探测器的制备工艺流程；
图5为传统PIN结构4H-SIC紫外探测器的电流-电压曲线；
图6为本发明PIN结构4H-SiC紫外探测器的电流-电压曲线；
图7为传统PIN结构4H-SiC紫外探测器的光谱响应曲线；
图8为本发明PIN结构4H-SiC紫外探测器的光谱响应曲线。
图中，101为下金属接触电极，102为n型4H-SiC导电衬底，103为n型4H-SiC欧姆接触层，104为i型4H-SiC光子吸收层，105为p型4H-SiC欧姆接触层，106为钝化保护层，107为上金属接触电极，108为氧等离子体处理p型4H-SiC接触层，109为刻蚀掩模层。
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：
如图2所示，高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，该器件是制备在n型4H-SiC衬底材料上，从下到上依次包括：下金属接触电极(n型接触电极)101、n型4H-SiC导电衬底102，n型4H-SiC欧姆接触层103，i型4H-SiC光子吸收层104，p型4H-SiC欧姆接触层105，氧等离子体处理p型4H-SiC接触层108，Ti/Al/Ti/Au合金化p型上金属接触电极107，钝化保护层106。该结构台面为垂直台面结构，台面需由表面p型4H-SiC接触层105刻蚀到n型4H-SiC欧姆接触层103，其底部在n型4H-SiC导电衬底102上。
对比例1：
如图1所示，使用传统PIN结构4H-SiC紫外探测器结构，该器件是制备在n型4H-SiC衬底材料上，从下到上依次包括：下金属接触电极(n型接触电极)101，n型4H-SiC导电衬底102，n型4H-SiC欧姆接触层103，i型4H-SiC光子吸收层104，p型4H-SiC欧姆接触层105，Ni/Ti/Al/Au合金化p型上金属接触电极107，钝化保护层106。该结构台面为垂直台面结构，台面需由表面p型4H-SiC接触层105刻蚀到n型4H-SiC欧姆接触层103，其底部在n型4H-SiC导电衬底102上。
上述图1所示为对比例1中传统PIN结构4H-SiC紫外探测器的结构示意图，该器件的衬底材料、n型4H-SiC欧姆接触层、i型4H-SiC光子吸收层，p型4H-SiC欧姆接触层的厚度、掺杂浓度、掺杂类型以及下金属接触电极与实施例1的高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器均相同，所不同的是上金属接触电极与p型4H-SiC欧姆接触层之间的界面，以及上金属接触电极(p型接触电极)。
图1所示的PIN结构的4H-SiC紫外探测器的制备工艺流程如图3所示，包括在n型衬底上依次外延生长各层，台面刻蚀掩模制备，垂直台面刻蚀，表面钝化，p型金属接触开窗口，p型和n型欧姆接触金属制备。垂直台面刻蚀掩模采用光刻胶或金属，台面刻蚀采用干法刻蚀工艺，钝化采用热氧化和PECVD沉积SiO2的方式，p型和n型欧姆接触金属采用蒸镀或者溅射的方式分别淀积在p型欧姆接触层表面和n型导电衬底背面，后经过快速热退火形成(合金化温度均为500摄氏度，退火时间均为3分钟，退火氛围均为真空环境)，p型电极金属可通过标准的剥离工艺或湿法刻蚀工艺制备。
图2所示高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器的制备工艺流程如图4所示，包括在n型衬底上依次外延生长各层，台面刻蚀掩模制备，垂直台面刻蚀，表面钝化，p型金属接触开窗口，p型4H-SiC欧姆接触层氧等离子体处理(氧气气体流量为30sccm，RF功率100W，处理时间80秒)，p型和n型欧姆接触金属制备。垂直台面刻蚀掩模采用光刻胶或金属，台面刻蚀采用干法刻蚀工艺，钝化采用热氧化和PECVD沉积SiO2的方式，p型和n型欧姆接触金属采用蒸镀或者溅射的方式分别淀积在p型欧姆接触层表面和n型导电衬底背面，后经过快速热退火形成(合金化温度均为500摄氏度，退火时间均为3分钟，退火氛围均为真空环境)，p型电极金属可通过标准的剥离工艺或湿法刻蚀工艺制备。
对比图1器件和图2器件结构，以及图3和图4制备工艺流程，可以发现，两种器件在结构外延中具有相同的制程，在后续器件制备工艺流程中，图2所示器件结构在与图1所示器件结构的制程工艺兼容，且不增加任何复杂度以及成本的前提下，通过氧等离子体的处理以及Ti金属的沉积，大大提升了器件的响应度，同时还保留了传统PIN结构4H-SiC紫外探测器低暗电流以及长期可靠性的优势。
图1器件的具体结构参数设置如下：n型4H-SiC导电衬底的掺杂浓度5×1018cm-3，厚度360μm；n型4H-SiC欧姆接触层的掺杂浓度3×1018cm-3，厚度10μm，i型4H-SiC光子吸收层的掺杂浓度1×1015cm-3，厚度0.7μm；p型4H-SiC欧姆接触层的掺杂浓度1×1019cm-3，厚度0.25μm；器件的表面钝化保护层为厚度为1.0μm的二氧化硅；探测器的下金属接触电极(n型接触电极)和上金属接触电极(p型接触电极)均为Ni/Ti/Al/Au合金电极：Ni/Ti/Al/Au为35/50/100/100nm(指Ni层的厚度为35nm，Ti层的厚度为～50nm，Al层的厚度为100nm，Au层的厚度为100nm，且Ni层、Ti层、Al层和Au层依次相接)，上金属接触电极的Ni层与p型4H-SiC欧姆接触层相接，下金属接触电极的Ni层与n型4H-SiC导电衬底相接。
图2器件的具体结构参数设置如下：n型4H-SiC导电衬底的掺杂浓度5×1018cm-3，厚度360μm；n型4H-SiC欧姆接触层的掺杂浓度3×1018cm-3，厚度10μm，i型4H-SiC光子吸收层的掺杂浓度1×1015cm-3，厚度0.7μm；p型4H-SiC欧姆接触层的掺杂浓度1×1019cm-3，厚度0.25μm；氧等离子处理p型4H-SiC接触层的厚度为1nm，器件的表面钝化保护层为厚度为1.0μm的二氧化硅；探测器的下金属接触电极(n型接触电极)为Ni/Ti/Al/Au合金电极：Ni/Ti/Al/Au为35/50/100/100nm(指Ni层的厚度为35nm，Ti层的厚度为50nm，Al层的厚度为100nm，Au层的厚度为100nm，且Ni层、Ti层、Al层和Au层依次相接)，上金属接触电极(p型接触电极)为Ti/Al/Ti/Au合金电极：Ti/Al/Ti/Au为70/200/100/100nm(指Ti层的厚度为70nm，Al层的厚度为200nm，Ti层的厚度为100nm，Au层的厚度为100nm，且Ti层、Al层、Ti层和Au层依次相接)，上金属接触电极70nm的Ti层与氧等离子体处理p型4H-SiC接触层相接，下金属接触电极的Ni层与n型导电4H-SiC导电衬底相接。
图5与图6为相同尺寸的传统PIN结构4H-SiC紫外探测器与本发明高响应度低暗电流PIN结构4H-SiC紫外探测器的电流-电压曲线对比，可以看出，两种4H-SiC紫外探测器的正向开启特性无明显差异，均为～3V，表现出明显的4H-SiC PN结特性，对于紫外探测器至关重要的参数之一：暗电流，即使反向偏压达50V，本发明4H-SiC紫外探测器与传统4H-SiC紫外探测器的暗电流也均小于1pA，表现出极低的暗电流，而且，两种4H-SiC紫外探测器的暗电流大小数值相当，均为～2×10-12A/mm2。
图7与图8为传统PIN结构4H-SiC紫外探测器与本发明高响应度低暗电流PIN结构4H-SiC紫外探测器的光谱响应对比，可以看出，传统PIN结构4H-SiC紫外探测器的最高响应度为～0.12A/W@280nm，对应最大量子效率为～53.14％，而本发明高响应度、低暗电流PIN结构4H-SiC紫外探测器的最高响应度则高达5.4A/W@280nm，对应最大量子效率为～2390％，相比传统PIN结构4H-SiC紫外探测器，本发明中的4H-SiC紫外探测器的响应度提升了4496％，响应度得到极大的提高。
综上，本发明新型高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器在不增加工艺制成复杂性，不增加紫外探测器外延成本的基础上，获得与传统PIN结构4H-SiC紫外探测器相同的暗电流水平，同时，极大的提高了4H-SiC紫外探测器的响应度，极大的提升了4H-SiC紫外探测器在弱光探测领域的应用范围，并有效降低了4H-SiC紫外探测器在弱光探测领域的困难程度及成本。
Claims (7)
1.一种高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，其特征在于：在上电极和上电极4H-SiC欧姆接触层之间设有氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层，上电极为Ti单层金属或含Ti多层金属复合结构；氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层的制备为：在制备上电极之前，先将上电极4H-SiC欧姆接触层表面用氧等离子体进行处理，氧等离子体进行处理时，氧气气体流量为5-50 sccm，RF功率10-200 W，处理时间30-180秒；
上电极的合金化温度为300-900摄氏度，退火时间为1-5分钟，退火氛围为惰性气体氛围或真空环境；
将4H-SiC表面用氧等离子体进行处理，并将金属Ti单层金属或含Ti多层金属复合结构作为与氧等离子处理4H-SiC表面接触的金属层，由于4H-SiC表面经过氧等离子体处理后生成硅-氧键和碳-氧键，当Ti金属与氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层在后续的快速热退火过程中形成合金时，生成Ti-O键、Ti3SiC2和TiC化合物以及深能级态，这些深能级态可通过俘获电子或空穴，从而产生光电导增益，使4H-SiC紫外探测器在低工作电压下，保持低暗电流的同时，获得高的响应度。
2.如权利要求1所述的高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，其特征在于：氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层的厚度为0.5-10nm。
3.如权利要求1或2所述的高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，其特征在于：当上电极为含Ti多层金属复合结构时，与氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层直接接触的为厚度为30-100 nm的Ti层。
4.如权利要求3所述的高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，其特征在于：上电极的厚度为0.1-1μm。
5.如权利要求1或2所述的高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，其特征在于：从上到下依次包括：钝化保护层、上电极、氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层、上电极4H-SiC欧姆接触层、i型4H-SiC光子吸收层、下电极4H-SiC欧姆接触层、4H-SiC衬底和下电极。
6.如权利要求5所述的高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，其特征在于：上电极4H-SiC欧姆接触层的厚度为0.2-0.5μm，i型4H-SiC光子吸收层的厚度为0.5-5μm，下电极4H-SiC欧姆接触层的厚度为1-50μm，4H-SiC衬底的厚度为300-400μm，下电极的厚度为0.1-1μm。
7.如权利要求5所述的高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，其特征在于：上电极4H-SiC欧姆接触层的平均掺杂浓度介于5×1017 - 2×1019 cm-3之间，i型4H-SiC光子吸收层的平均掺杂浓度介于1×1014 - 1×1017 cm-3之间，下电极4H-SiC欧姆接触层的掺杂浓度介于5×1017 -2×1019 cm-3之间，4H-SiC衬底的掺杂浓度介于5×1017 -2×1019 cm-3之间；钝化保护层所采用的材质为二氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝或氧化铪中的至少一种。
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