CN110544727A - 一种集成滤光膜层的紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请适用于半导体技术领域，提供了一种集成滤光膜层的紫外探测器及其制备方法，其中，所述滤光膜层位于所述紫外探测器的入射面上的有源区之内，所述滤光膜层具有电极窗口，所述紫外探测器的上电极层穿过所述电极窗口；所述滤光膜层包括两个以上的子层，相邻子层的制成材料具有不同的折射率。本申请提供的集成滤光膜层的紫外探测器可以滤掉一定波长范围的紫外光，达到了使紫外探测器对紫外波段的响应具有选择性的目的。
Description
技术领域
本申请属于半导体技术领域，尤其涉及一种集成滤光膜层的紫外探测器及其制备方法。
背景技术
近年来，基于半导体的固态紫外探测器研究在国际上受到越来越多的关注，例如，4H-SiC雪崩光电二极管紫外探测器具有高增益、高响应度、低暗电流等优点，能够实现微弱紫外信号甚至紫外单光子的探测。
然而，基于4H-SiC的紫外探测器虽然具有可见光盲特性，即对可见光和红外光不响应，但是，由于4H-SiC材料的禁带宽度为3.26eV，对应的截止波长约为380nm，所以对紫外波段的响应不具有选择性，即不具有“日盲”特性，在很大程度上限制了紫外探测器在很多重要领域的应用。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种集成滤光膜层的紫外探测器及其制备方法，以解决现有技术中的紫外探测器对紫外波段的响应不具有选择性的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种集成滤光膜层的紫外探测器，所述滤光膜层位于所述紫外探测器的入射面上的有源区之内，且，所述滤光膜层具有电极窗口，所述紫外探测器的上电极层穿过所述电极窗口；
所述滤光膜层包括两个以上的子层，相邻子层的制成材料具有不同的折射率。
基于第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述两个以上的子层的制成材料包括HfO2、SiO2、ZrO2、Y2O3、Al2O3、Si3N4、AlF3、MgF2、Al、Ni中的任意两种或多种的组合。
基于第一方面第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述滤光膜层的厚度范围为0.1微米～30微米。
基于第一方面及第一方面上述任一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述紫外探测器包括：
衬底；
第一外延层，位于所述衬底上，所述第一外延层为重掺杂外延层；
第二外延层，位于所述第一外延层上，所述第二外延层为轻掺杂外延层；
欧姆接触层，形成于所述第二外延层中，所述欧姆接触层为图形化的重掺杂层，所述欧姆接触层的上表面不低于所述第二外延层的上表面，且，所述欧姆接触层的下表面高于所述第二外延层的下表面；
上电极层，位于所述欧姆接触层上。
基于第一方面第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述第一外延层为P型碳化硅外延层，所述第二外延层为N型碳化硅外延层，所述欧姆接触层为N型欧姆接触层；或者，
所述第一外延层为N型碳化硅外延层，所述第二外延层为P型碳化硅外延层，所述欧姆接触层为P型欧姆接触层。
基于第一方面第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述上电极层的表面面积不大于所述欧姆接触层的表面面积，且，所述上电极层的表面形状与所述欧姆接触层的表面图形相对应。
基于第一方面第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述第二外延层的面积小于所述第一外延层的面积，且，所述第一外延层上的部分区域与所述第二外延层形成一隔离台面，其中，所述部分区域表示所述第一外延层上具有所述第二外延层的区域。
本申请实施例的第二方面提供了一种集成滤光膜层的紫外探测器的制备方法，该制备方法包括：
制备紫外探测器；
在所述紫外探测器的入射面上的有源区沉积滤光膜层，并刻蚀出电极窗口。
基于第二方面，在第一种可能的实现方式中，所述制备紫外探测器包括：
制备半导体外延晶片，所述半导体外延晶片由下至上依次包括衬底、第一外延层和第二外延层，其中，所述第一外延层为重掺杂外延层，所述第二外延层为轻掺杂外延层；
在所述第二外延层表面制备掩膜层，在所述掩膜层涂覆光刻胶并进行光刻，形成图形化的离子注入窗口，通过所述图形化的离子注入窗口进行离子注入，形成图形化的欧姆接触层；
去除所述光刻胶和所述掩膜层；
采用台面蚀刻或者离子注入进行隔离，形成有源区；
在所述有源区蒸镀金属并退火，形成上电极层。
本申请与现有技术相比存在的有益效果是，本申请通过在紫外探测器的器件的入射面上的有源区之内沉积一层包括两个以上的子层的滤光膜层，可以实现对入射光的调制，由于滤光膜层的相邻子层的制成材料具有不同的折射率，从而可以滤掉一定波长范围的紫外光，达到了使紫外探测器对紫外波段的响应具有选择性的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的紫外探测器的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的紫外探测器的一种有源区表面的示意图；
图3是本申请实施例提供的紫外探测器的第二种有源区表面的示意图；
图4是本申请实施例提供的紫外探测器的第三种有源区表面的示意图；
图5是本申请实施例提供的紫外探测器的第四种有源区表面的示意图；
图6是本申请实施例提供的紫外探测器的第五种有源区表面的示意图；
图7是本申请实施例提供的紫外探测器的第六种有源区表面的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
参见图1，是本申请实施例提供的一种紫外探测器的结构示意图(剖面图)，如图1所示，滤光膜层17位于紫外探测器的入射面上的有源区之内，滤光膜层17具有电极窗口，紫外探测器的上电极层14穿过所述电极窗口；滤光膜层17包括两个以上的子层，相邻子层的制成材料具有不同的折射率。
由上可知，本申请通过在紫外探测器的器件的入射面上的有源区之内沉积一层包括两个以上的子层的滤光膜层，可以实现对入射光的调制，由于滤光膜层的相邻子层的制成材料具有不同的折射率，从而可以滤掉一定波长范围的紫外光，达到了使紫外探测器对紫外波段的响应具有选择性的目的。
可选的，在本申请实施例中，所述两个以上的子层的制成材料包括HfO2、SiO2、ZrO2、Y2O3、Al2O3、Si3N4、AlF3、MgF2、Al、Ni中的任意两种或多种的组合。
可选的，在本申请实施例中，滤光膜层17的厚度范围可以为0.1微米～30微米。滤光膜层17的子层的层数可以在2～500层之间。
可选的，如图1所示，在本申请实施例中，紫外探测器可以包括：衬底10；第一外延层11，位于衬底10上；第二外延层12，位于第一外延层11上；欧姆接触层13，形成于第二外延层12中，欧姆接触层13的上表面不低于第二外延层12的上表面，且，欧姆接触层13的下表面高于第二外延层12的下表面；上电极层14，位于欧姆接触层13上。
其中，第一外延层11为重掺杂外延层，第二外延层12为轻掺杂外延层，欧姆接触层13为图形化的重掺杂层。在采用正面入射时，图形化的欧姆接触层13对入射光子的吸收大大减少，尤其是可以减少欧姆接触层13对短波长光子的吸收。因此，到达第二外延层12的入射光子量会大大增加，从而达到了提高紫外探测器的量子效率的目的。
可选的，第一外延层11可以为P型碳化硅外延层，第二外延层12可以为N型碳化硅外延层，欧姆接触层13可以为N型欧姆接触层；或者，第一外延层11可以为N型碳化硅外延层，第二外延层可以为P型碳化硅外延层，欧姆接触层13可以为P型欧姆接触层。
在本申请实施例中，衬底可以为硅、蓝宝石、氮化镓或碳化硅等材料中的任意一种。
在本申请实施例中，欧姆接触层13的上表面可以与第二外延层12的上表面持平。在实际应用中，欧姆接触层13形成于第二外延层12中，欧姆接触层13的上表面可以不低于第二外延层12的上表面，且，欧姆接触层13的下表面需高于第二外延层12的下表面。具体以第一外延层11、第二外延层12和欧姆接触层13能够共同形成探测器外延结构为准，其中，第一外延层11为重掺杂外延层，第二外延层12为轻掺杂外延层，欧姆接触层13为图形化的重掺杂层，该紫外探测器采用正面入射的方式，第二外延层12即为紫外探测器的吸收倍增区。
在本申请实施例中，上电极层14位于欧姆接触层13上，其表面面积不大于欧姆接触层13的表面面积，且，上电极层14的表面形状与欧姆接触层13的表面图形相对应。例如，欧姆接触层13的表面图形为圆环形时，上电极层14的表面形状也可以相应的为圆环形；欧姆接触层13的表面图形为方环形时，上电极层14的表面形状也可以相应的为方环形；欧姆接触层13的表面图形为窗口形时，上电极层14的表面形状也可以相应的为窗口形；欧姆接触层13的表面图形为圆形或方形的阵列时，上电极层14的表面形状也可以相应的为圆形或方形的阵列，且，上电极层14的表面区域连通。
可选的，欧姆接触层13的表面图形可以包括圆环形、方环形、窗口形以及阵列形其中的任意一种。例如，在图1所示实施例中，欧姆接触层13的表面形状为圆环形。在实际应用中，欧姆接触层13的表面图形还可以为其它形状，只要其具备可以让入射光子直接穿过的图形化的间隙即可。
在本申请实施例中，欧姆接触层13的掺杂浓度可以在1×1018cm-3～1×1020cm-3之间，深度可以在0.01～0.5μm之间。第一外延层11的掺杂浓度可以在1×1018cm-3～1×1020cm-3之间，厚度可以在1～3μm之间。第二外延层12的掺杂浓度可以在1×1015cm-3～1×1017cm-3之间，厚度可以在0.1～50μm之间。
在本申请实施例中，如图1所示，第二外延层12的面积可以小于第一外延层11的面积，且，第一外延层11上的部分区域与第二外延层12形成一隔离台面(隔离台面上的上表面即为紫外探测器的有源区，欧姆接触层13位于有源区内)，第一外延层11上的部分区域指第一外延层11上形成有第二外延层12的区域。
在本申请实施例中，隔离台面可以是倾角为90度的垂直结构，也可以是具有非垂直倾角的台面结构。
在本申请实施例中，紫外探测器还可以包括钝化保护层15，以抑制紫外探测器的表面漏电，减小暗电流。如图1所示，钝化保护层15可以覆盖于紫外探测器的有源区之外的表面区域，且，部分延伸至隔离台面上的有源区之内，延伸至隔离台面上的有源区之内的部分位于滤光膜层17的下方。钝化保护层15可以采用SiO2、Al2O3、HfO2、Y2O3、SiNx等材料中的一种或任意几种的组合来制备，钝化保护层15的厚度可以在50nm～10μm之间。
在一种实施方式中，紫外探测器还包括下电极层16，下电极层16可以形成于第一外延层11上的所述隔离台面之外的区域，例如可以在隔离台面之外环绕分布。在另一种实施方式中，下电极层16可以位于衬底10的另一面，该另一面与衬底10的形成有第一外延层11的一面相对，也即第一外延层11可以位于衬底10上方的一面，下电极层16可以位于衬底10下方的一面(如图1所示)。该实施方式中，衬底需要采用重掺杂衬底。
在本申请实施例中，第一外延层可以为P型碳化硅外延层，第二外延层可以为N型碳化硅外延层，欧姆接触层可以为N型欧姆接触层，此实施例下，上电极层即为阴极金属电极层，其可以与N型欧姆接触层形成电连接；下电极层即为阳极金属电极层，其可以与第一外延层(P型碳化硅外延层)形成电连接，第一外延层、第二外延层和欧姆接触层形成探测器外延结构。
在本申请实施例中，第一外延层可以为N型碳化硅外延层，第二外延层可以为P型碳化硅外延层，欧姆接触层可以为P型欧姆接触层，此实施例下，上电极层即为阳极金属电极层，其可以与P型欧姆接触层形成电连接；下电极层即为阴极金属电极层，其可以与第一外延层(N型碳化硅外延层)形成电连接，第一外延层、第二外延层和欧姆接触层形成探测器外延结构。
本申请实施例中，P型和N型分别用于表示不同的半导体材料，P型表示空穴型半导体，N型表示电子型半导体。
图1所示实施例的集成滤光膜层的紫外探测器可以采用以下制备方法得到：
步骤A、制备紫外探测器；
步骤B、在所述紫外探测器的入射面上的有源区内沉积滤光膜层，并刻蚀出电极窗口，以使所述紫外探测器的上电极层穿过所述增透膜层。
上述步骤A可以包括：
步骤A1、制备半导体外延晶片，其中，所述半导体外延晶片由下至上依次包括衬底、第一外延层和第二外延层；
步骤A2、在半导体外延晶片的第二外延层表面制备掩膜层，在掩膜层涂覆光刻胶并进行光刻，形成图形化的离子注入窗口，通过图形化的离子注入窗口进行离子注入，形成图形化的欧姆接触层；
步骤A3、去除光刻胶和掩膜层；
步骤A4、采用台面蚀刻进行隔离，形成有源区(隔离台面)；
步骤A5、在有源区(隔离台面)蒸镀金属并退火，形成上电极层。
在本申请实施例中，在步骤A5之后还可以包括制备下电极层的步骤：
步骤A6、在第一外延层上的所述隔离台面之外的区域蒸镀金属并退火，形成下电极层。
在本申请实施例中，在步骤A5之后还可以包括制备钝化保护层的步骤：
步骤A7、在半导体外延晶片表面沉积钝化保护层，并刻蚀出光敏窗口，所述光敏窗口表示有源区之内的接受入射光的区域，用以覆盖滤光膜层，所述光敏窗口所在的表面区域涵盖了上电极层区域。
图1所示实施例提供的集成滤光膜层的紫外探测器采用了台面隔离的方式，其有源区即为紫外探测器的隔离台面。在另一个实施例中，紫外探测器还可以采用离子注入的方式实现有源区的隔离，而无需制作隔离台面。其制备方法如下：
步骤A1、制备半导体外延晶片，其中，所述半导体外延晶片由下至上依次包括衬底、第一外延层和第二外延层；
步骤A2、在半导体外延晶片的第二外延层表面制备掩膜层，在掩膜层涂覆光刻胶并进行光刻，形成图形化的离子注入窗口，通过图形化的离子注入窗口进行离子注入，形成图形化的欧姆接触层；
步骤A3、去除光刻胶和掩膜层；
步骤A4、采用离子注入进行隔离，形成有源区；
步骤A5、在有源区蒸镀金属并退火，形成上电极层。
在本申请实施例中，在步骤A5之后还可以包括制备下电极层的步骤：
步骤A6、在衬底的另一面蒸镀金属并退火，形成下电极层，该另一面与衬底上形成有第一外延层的一面相对。
参见图2至图7，为分别示出了紫外探测器的有源区表面的六种图形的示意图(俯视图)。
如图2所示，其包括位于有源区内的滤光膜层17(透明、圆形)，其有源区也为圆形(可以为采用台面刻蚀形成的圆形台面有源区，或者可以为采用离子注入方式形成的圆形有源区)，其欧姆接触层13的表面形状为圆环形(欧姆接触层13位于有源区内，形成于第二外延层中)，上电极层14的表面形状也为圆环形，形成于欧姆接触层13上。
如图3所示，其包括位于有源区内的滤光膜层17(透明、方形)，其有源区为方形(可以为圆角方形)(可以为采用台面刻蚀形成的方形台面有源区，或者可以为采用离子注入方式形成的方形有源区)，其欧姆接触层13的表面形状为方环形(欧姆接触层13位于有源区内，形成于第二外延层中)，上电极层14的表面形状也为方环形，形成于欧姆接触层13上。
如图4所示，其包括位于有源区内的滤光膜层17(透明、圆形)，其有源区为圆形(可以为采用台面刻蚀形成的圆形台面有源区，或者可以为采用离子注入方式形成的圆形有源区)，其欧姆接触层13的表面形状为圆窗形(欧姆接触层13位于有源区内，可以形成于第二外延层中)，上电极层14的表面形状为内部具有十字连通区域的圆窗形，形成于欧姆接触层13上。
如图5所示，其包括位于有源区内的滤光膜层17(透明、方形)，其有源区为方形(可以为圆角矩形)(可以为采用台面刻蚀形成的方形台面有源区，或者可以为采用离子注入方式形成的方形有源区)，其欧姆接触层13的表面形状为方形窗口形(欧姆接触层13位于有源区内，可以形成于第二外延层中)，上电极层14的表面形状也为内部具有十字连通区域的方形窗口形，形成于欧姆接触层13上。
如图6所示，其包括位于有源区内的滤光膜层17(透明、方形)，其有源区为方形(可以为圆角矩形)(可以为采用台面刻蚀形成的方形台面有源区，或者可以为采用离子注入方式形成的方形有源区)，其欧姆接触层13的表面形状为圆形阵列(欧姆接触层13位于有源区内，可以形成于第二外延层中)，上电极层14的表面形状也为圆形阵列，形成于欧姆接触层13上，且，圆形阵列中的各个圆形连通。
如图7所示，其包括位于有源区内的滤光膜层17(透明、方形)，其有源区为方形(可以为圆角方形)(可以为采用台面刻蚀形成的方形台面有源区，或者可以为采用离子注入方式形成的方形有源区)，其欧姆接触层13的表面形状为方形阵列(欧姆接触层13位于有源区内，可以形成于第二外延层中)；上电极层14的表面形状也为方形阵列，形成于欧姆接触层13上，且，上电极层14的方形阵列中的各个方形连通。
在本申请实施例中，窗口状或阵列状的形成电接触的上电极层能够改善紫外传感器的内部电场分布的均匀性，从而有利于实现更好的雪崩倍增性能。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种集成滤光膜层的紫外探测器，其特征在于，所述滤光膜层位于所述紫外探测器的入射面上的有源区之内，且，所述滤光膜层具有电极窗口，所述紫外探测器的上电极层穿过所述电极窗口；
所述滤光膜层包括两个以上的子层，相邻子层的制成材料具有不同的折射率。
2.根据权利要求1所述的集成滤光膜层的紫外探测器，其特征在于，所述两个以上的子层的制成材料包括HfO2、SiO2、ZrO2、Y2O3、Al2O3、Si3N4、AlF3、MgF2、Al、Ni中的任意两种或多种的组合。
3.根据权利要求1所述的集成滤光膜层的紫外探测器，其特征在于，所述滤光膜层的厚度范围为0.1微米～30微米。
4.根据权利要求1至3任一项所述的集成滤光膜层的紫外探测器，其特征在于，所述紫外探测器包括：
衬底；
第一外延层，位于所述衬底上，所述第一外延层为重掺杂外延层；
第二外延层，位于所述第一外延层上，所述第二外延层为轻掺杂外延层；
欧姆接触层，形成于所述第二外延层中，所述欧姆接触层为图形化的重掺杂层，所述欧姆接触层的上表面不低于所述第二外延层的上表面，且，所述欧姆接触层的下表面高于所述第二外延层的下表面；
上电极层，位于所述欧姆接触层上。
5.根据权利要求4所述的集成滤光膜层的紫外探测器，其特征在于，所述第一外延层为P型碳化硅外延层，所述第二外延层为N型碳化硅外延层，所述欧姆接触层为N型欧姆接触层；或者，
所述第一外延层为N型碳化硅外延层，所述第二外延层为P型碳化硅外延层，所述欧姆接触层为P型欧姆接触层。
6.根据权利要求5所述的集成滤光膜层的紫外探测器，其特征在于，所述上电极层的表面面积不大于所述欧姆接触层的表面面积，且，所述上电极层的表面形状与所述欧姆接触层的表面图形相对应。
7.根据权利要求6所述的集成滤光膜层的紫外探测器，其特征在于，所述欧姆接触层的表面图形包括圆环形、方环形、窗口形以及阵列形其中的任意一种。
8.根据权利要求7所述的集成滤光膜层的紫外探测器，其特征在于，所述第二外延层的面积小于所述第一外延层的面积，且，所述第一外延层上的部分区域与所述第二外延层形成一隔离台面，其中，所述部分区域表示所述第一外延层上具有所述第二外延层的区域。
9.一种集成滤光膜层的紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
制备紫外探测器；
在所述紫外探测器的入射面上的有源区内沉积滤光膜层，并刻蚀出电极窗口。
10.根据权利要求9所述的集成滤光膜层的紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述制备紫外探测器包括：
制备半导体外延晶片，所述半导体外延晶片由下至上依次包括衬底、第一外延层和第二外延层，其中，所述第一外延层为重掺杂外延层，所述第二外延层为轻掺杂外延层；
在所述第二外延层表面制备掩膜层，在所述掩膜层涂覆光刻胶并进行光刻，形成图形化的离子注入窗口，通过所述图形化的离子注入窗口进行离子注入，形成图形化的欧姆接触层；
去除所述光刻胶和所述掩膜层；
采用台面蚀刻或者离子注入进行隔离，形成有源区；
在所述有源区蒸镀金属并退火，形成上电极层。
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