CN110690314A - 吸收层与倍增层为分离结构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，提供了一种吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器及其制备方法，该紫外探测器包括：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；倍增层，位于所述第一外延层上，所述倍增层的掺杂浓度由下至上增加；吸收层，位于所述倍增层上，所述吸收层的掺杂浓度由下至上减小；欧姆接触层，形成于所述吸收层中，所述欧姆接触层的上表面不低于所述第三外延层的上表面，且，所述欧姆接触层的下表面高于所述第三外延层的下表面；上电极层，位于所述欧姆接触层上。本申请可以降低隧穿效应导致的暗电流，提高紫外探测器的信噪比。
Description
技术领域
本申请属于半导体技术领域，尤其涉及一种吸收层与倍增层为分离结构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。其中，吸收层与倍增层为分离结构的雪崩光电二极管(APD)紫外探测器由于吸收层与倍增层相互分离而具有高增益、高响应度、低暗电流、低过载噪声等优点。
然而，由于吸收层与倍增层的分离结构下，高掺杂浓度PN结存在隧穿效应，导致紫外探测器器件在击穿电压附近的暗电流会急剧增大，从而使得紫外探测器的信噪比降低。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器及其制备方法，以解决现有技术中吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器信噪比不高的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种紫外探测器，该紫外探测器包括：
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；
倍增层，位于所述第一外延层上，所述倍增层的掺杂浓度由下至上增加；
吸收层，位于所述倍增层上，所述吸收层的掺杂浓度由下至上减小；
欧姆接触层，形成于所述吸收层中，所述欧姆接触层的上表面不低于所述第三外延层的上表面，且，所述欧姆接触层的下表面高于所述第三外延层的下表面；
上电极层，位于所述欧姆接触层上。
基于第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述欧姆接触层为图形化的重掺杂层。
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。
基于第一方面第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，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。
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，所述倍增层和所述吸收层均为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，所述倍增层和所述吸收层均为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，所述紫外探测器还包括钝化保护层，所述钝化保护层覆盖于所述倍增层和所述吸收层的外表面上除所述上电极层之外的区域。
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，所述倍增层和所述吸收层的表面面积均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倍增层和所述吸收层形成一隔离台面，其中，所述部分区域表示所述第一外延层上具有所述倍增层的区域；
所述紫外探测器还包括下电极层，所述下电极层形成于所述第一外延层上的所述隔离台面之外的区域。
基于第一方面第五种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述衬底为重掺杂衬底；
所述紫外探测器还包括下电极层，所述下电极层位于所述衬底的另一面，该另一面与所述衬底的形成有所述第一外延层的一面相对。
本申请实施例的第二方面提供了一种吸收层与倍增层为分离结构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、第二外延层和第三外延层；其中，所述第一外延层为重掺杂外延层，所述第二外延层的掺杂浓度由下至上增加，所述第三外延层的掺杂浓度由下至上减小；
以所述第二外延层为倍增层，以所述第三外延层为吸收层，在所述吸收层表面制备掩膜层，在所述掩膜层涂覆光刻胶并进行光刻，形成离子注入窗口，通过所述离子注入窗口进行离子注入，形成欧姆接触层；
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。
基于第二方面，在第一种可能的实现方式中，所述离子注入窗口为图形化的离子注入窗口；
所述通过所述离子注入窗口进行离子注入，形成欧姆接触层包括：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。
基于第二方面及第二方面第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述在所述有源区蒸镀金属并退火，形成上电极层之后还包括：
在所述半导体外延晶片上表面沉积钝化保护层，并刻蚀出电极窗口。
本申请与现有技术相比存在的有益效果是，本申请提供的紫外探测器，其位于第一外延层上的倍增层的掺杂浓度由下至上增加，使得第一外延层和所述倍增层之间发生隧穿效应的隧穿距离变宽，从而可以降低隧穿效应导致的暗电流，有利于提高紫外探测器的信噪比。另外，位于倍增层上的吸收层的掺杂浓度由下至上减小，可以降低吸收层上表面对光子的吸收，有利于提高紫外探测器的量子效率。
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一种紫外探测器的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的另一种紫外探测器的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的又一种紫外探测器的结构示意图；
图4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5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6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7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8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9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2所示，其提供的紫外探测器包括：衬底10；第一外延层11，位于衬底10上；倍增层12，位于第一外延层11上；吸收层13，位于倍增层12上；欧姆接触层14，形成于吸收层13中，欧姆接触层14的上表面不低于吸收层13的上表面，且，欧姆接触层14的下表面高于吸收层13的下表面；上电极层15，位于欧姆接触层16上。
其中，第一外延层11为重掺杂外延层，掺杂浓度在1×1018cm-3～1×1020cm-3之间，厚度在1～3μm之间。
其中，倍增层12的掺杂浓度由下至上增加，例如，可以逐渐增加，吸收层13的掺杂浓度由下至上减小，例如，可以逐渐减小，倍增层12与吸收层13的掺杂浓度的变化可以方向相反；倍增层12的掺杂浓度可以在1×1015cm-3～5×1018cm-3之间，掺杂浓度可以呈线性或非线性或阶梯状变化，厚度在0.1～1μm之间；吸收层13的掺杂浓度在1×1015cm-3～5×1018cm-3之间，掺杂浓度可以呈线性或非线性或阶梯状变化，厚度在0.1～3μm之间。
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14的上表面可以与吸收层13的上表面持平。在实际应用中，欧姆接触层14形成于吸收层13中，欧姆接触层14的上表面可以不低于吸收层13的上表面，且，欧姆接触层14的下表面需高于吸收层13的下表面。
在本申请实施例中，欧姆接触层14可以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14对入射光子的吸收大大减少，尤其是可以减少欧姆接触层14对短波长光子的吸收。因此，到达吸收层13和倍增层14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。
在本申请实施例中，欧姆接触层14的表面图形可以为圆环形、方环形、窗口形或者阵列形，如图1所示，其紫外探测器的欧姆接触层14的表面图形为圆环形。在实际应用中，欧姆接触层14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，上电极层15的表面面积不大于欧姆接触层14的表面面积，且，上电极层15的表面形状与欧姆接触层14的表面图形相对应。例如，欧姆接触层14的表面图形为圆环形时，上电极层15的表面形状也可以相应的为圆环形；欧姆接触层14的表面图形为方环形时，上电极层15的表面形状也可以相应的为方环形；欧姆接触层14的表面图形为窗口形时，上电极层15的表面形状也可以相应的为窗口形；欧姆接触层14的表面图形为圆形或方形的阵列时，上电极层15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15的表面区域连通。
在本申请实施例中，紫外探测器还可以包括钝化保护层，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16可以覆盖于倍增层12和吸收层13的外表面上除上电极层15之外的区域。钝化保护层16可以为SiO2、Al2O3、HfO2、Y2O3、SiNx材料中的一种或任意几种组合，厚度可以在50nm～10μm之间。
在本申请实施例中，如图1所示，倍增层12和吸收层13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14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上形成有倍增层12和吸收层13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，如图1所示，紫外探测器还包括下电极层17，下电极层17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。
在本申请实施例中，第一外延层11可以为P型碳化硅外延层，倍增层12和吸收层13可以均为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。
在本申请实施例中，第一外延层11可以为N型碳化硅外延层，倍增层12和吸收层13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。
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。
可选的，如图2所示，在本申请实施例中，下电极层17还可以位于衬底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17可以位于衬底10下方的一面，该实施方式中，衬底需要采用重掺杂衬底。
图1及图2所示实施例的紫外探测器可以采用以下制备方法得到：
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、第二外延层和第三外延层；其中，所述第一外延层为重掺杂外延层，所述第二外延层的掺杂浓度由下至上逐渐增加，所述第三外延层的掺杂浓度由下至上逐渐减小；
以所述第二外延层为倍增层，以所述第三外延层为吸收层，在所述吸收层表面制备掩膜层，在所述掩膜层涂覆光刻胶并进行光刻，形成离子注入窗口，通过所述离子注入窗口进行离子注入，形成欧姆接触层；
去除所述光刻胶和所述掩膜层；
采用台面蚀刻进行隔离，形成有源区；
在所述有源区蒸镀金属并退火，形成上电极层。
在本申请实施例中，所述离子注入窗口为图形化的离子注入窗口，所述通过所述离子注入窗口进行离子注入，形成欧姆接触层包括：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。
在本申请实施例中，上述制备方法还可以包括制备钝化保护层的步骤：在所述有源区蒸镀金属并退火，形成上电极层之后，在所述半导体外延晶片表面沉积钝化保护层，并刻蚀出电极窗口。
由上可知，本申请提供的紫外探测器，其位于第一外延层上的倍增层的掺杂浓度由下至上逐渐增加，使得第一外延层和所述倍增层之间发生隧穿效应的隧穿距离变宽，从而可以降低隧穿效应导致的暗电流，有利于提高紫外探测器的信噪比。另外，位于倍增层上的吸收层的掺杂浓度由下至上逐渐减小，可以降低吸收层上表面对光子的吸收，有利于提高紫外探测器的量子效率。
参见图3，是本申请实施例提供的又一种紫外探测器的结构示意图(剖面图)，与图1及图2所示实施例不同的是，图3所示实施例中的紫外探测器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。其欧姆接触层14形成于吸收层13中(参考图1及图2所示实施例，在此不再赘述)。另外，在该实施方式中，衬底10可以采用重掺杂衬底，下电极层17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17可以位于衬底10下方的一面。其制备方法如下：
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、第二外延层和第三外延层；其中，所述第一外延层为重掺杂外延层，所述第二外延层的掺杂浓度由下至上逐渐增加，所述第三外延层的掺杂浓度由下至上逐渐减小；
以所述第二外延层为倍增层，以所述第三外延层为吸收层，在所述吸收层表面制备掩膜层，在所述掩膜层涂覆光刻胶并进行光刻，形成离子注入窗口，通过所述离子注入窗口进行离子注入，形成欧姆接触层；
去除所述光刻胶和所述掩膜层；
采用离子注入进行隔离，形成有源区；
在所述有源区蒸镀金属并退火，形成上电极层。
在本申请实施例中，所述离子注入窗口为图形化的离子注入窗口，所述通过所述离子注入窗口进行离子注入，形成欧姆接触层包括：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。
在本申请实施例中，上述制备方法还可以包括制备钝化保护层的步骤：在所述有源区蒸镀金属并退火，形成上电极层之后，在所述半导体外延晶片表面沉积钝化保护层，并刻蚀出电极窗口。
参见图4-图9，为分别示出了本申请实施例提供的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4所示，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14的表面形状为圆环形(欧姆接触层14位于有源区内，形成于吸收层中)，上电极层15的表面形状也为圆环形，形成于欧姆接触层14上。
如图5所示，其有源区为矩形(可以为圆角矩形)(可以为采用台面刻蚀形成的矩形台面有源区，或者可以为采用离子注入方式形成的矩形有源区)，其欧姆接触层14的表面形状为矩形的环形(欧姆接触层14位于有源区内，形成于吸收层中)，上电极层15的表面形状也为矩形的环形，形成于欧姆接触层14上。
如图6所示，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14的表面形状为圆窗形(欧姆接触层14位于有源区内，形成于吸收层中)，上电极层15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14上。
如图7所示，其有源区为矩形(可以为圆角矩形)(可以为采用台面刻蚀形成的矩形台面有源区，或者可以为采用离子注入方式形成的矩形有源区)，其欧姆接触层14的表面形状为矩形窗口形(欧姆接触层14位于有源区内，形成于吸收层中)，上电极层15的表面形状也为内部具有十字连通区域的矩形窗口形，形成于欧姆接触层14上。
如图8所示，其有源区为矩形(可以为圆角矩形)(可以为采用台面刻蚀形成的矩形台面有源区，或者可以为采用离子注入方式形成的矩形有源区)，其欧姆接触层14的表面形状为圆形阵列(欧姆接触层14位于有源区内，形成于吸收层中)，上电极层15的表面形状也为圆形阵列，形成于欧姆接触层14上，且，圆形阵列中的各个圆形连通。
如图9所示，其有源区为矩形(可以为圆角矩形)(可以为采用台面刻蚀形成的矩形台面有源区，或者可以为采用离子注入方式形成的矩形有源区)，其欧姆接触层14的表面形状为方形阵列(欧姆接触层14位于有源区内，形成于吸收层中)；上电极层15的表面形状也为方形阵列，形成于欧姆接触层14上，且，上电极层15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)
1.一种吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器，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；
倍增层，位于所述第一外延层上，所述倍增层的掺杂浓度由下至上增加；
吸收层，位于所述倍增层上，所述吸收层的掺杂浓度由下至上减小；
欧姆接触层，形成于所述吸收层中，所述欧姆接触层的上表面不低于所述第三外延层的上表面，且，所述欧姆接触层的下表面高于所述第三外延层的下表面；
上电极层，位于所述欧姆接触层上。
2.根据权利要求1所述的吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器，其特征在于，所述欧姆接触层为图形化的重掺杂层。
3.根据权利要求2所述的吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器，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。
4.根据权利要求3所述的吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器，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。
5.根据权利要求1至4任一项所述的吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器，其特征在于，所述第一外延层为P型碳化硅外延层，所述倍增层和所述吸收层均为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，所述倍增层和所述吸收层均为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所述的吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器，其特征在于，所述紫外探测器还包括钝化保护层，所述钝化保护层覆盖于所述倍增层和所述吸收层的外表面上除所述上电极层之外的区域。
7.根据权利要求6所述的吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器，其特征在于，所述倍增层和所述吸收层的表面面积均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倍增层和所述吸收层形成一隔离台面，其中，所述部分区域表示所述第一外延层上具有所述倍增层的区域；
所述紫外探测器还包括下电极层，所述下电极层形成于所述第一外延层上的所述隔离台面之外的区域。
8.根据权利要求6所述的吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器，其特征在于，所述衬底为重掺杂衬底；
所述紫外探测器还包括下电极层，所述下电极层位于所述衬底的另一面，该另一面与所述衬底的形成有所述第一外延层的一面相对。
9.一种吸收层与倍增层为分离结构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、第二外延层和第三外延层；其中，所述第一外延层为重掺杂外延层，所述第二外延层的掺杂浓度由下至上增加，所述第三外延层的掺杂浓度由下至上减小；
以所述第二外延层为倍增层，以所述第三外延层为吸收层，在所述吸收层表面制备掩膜层，在所述掩膜层涂覆光刻胶并进行光刻，形成离子注入窗口，通过所述离子注入窗口进行离子注入，形成欧姆接触层；
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。
10.根据权利要求9所述的吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述离子注入窗口为图形化的离子注入窗口；
所述通过所述离子注入窗口进行离子注入，形成欧姆接触层包括：
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。
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