CN114823963A - 一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种势垒增强型与U型感光窗口的4H‑SiC肖特基超高温紫外光电二极管及其制备方法，包括：由下至上依次设置的第一金属电极、N+型4H‑SiC衬底和N‑型4H‑SiC外延层；N‑型4H‑SiC外延层上设置有势垒层和钝化层；势垒层上设有第二金属电极；第一金属电极形成欧姆接触电极；势垒层的材料为WxSiyO1‑x‑y；钝化层的材料为SiCxOy；第二金属电极形状为U型，第二金属电极的材料为金属钨；第二金属电极、势垒层和N‑型4H‑SiC外延层形成肖特基接触。本发明大幅提高了势垒高度，常温下可将暗电流可限制在0.1pA级，高温环境下抑制暗电流恶化，提升了紫外光电二极管的光暗电流比，能够将极限工作温度提升至600℃，且伴随高响应度，本发明的器件的制备方法工艺简洁，大幅降低了制备成本。
Description
技术领域
本发明属于紫外线探测器件技术领域，具体涉及一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管及其制备方法。
背景技术
随着半导体技术发展各种类型紫外探测器层出不穷，如金属-半导体-金属结构、pn结结构、肖特基型光电二极管结构、p-i-n结构以及雪崩光电二极管结构等。其中肖特基型紫外光电二极管(Schottky Ultraviolet photodiode)由于制备工艺简单、响应速度快和高兼容性等优势，使得其成为紫外检测应用中最有前途的构建模块，并且很容易与其他复杂的设备集成。
然而，肖特基型光电二极管的主要问题是暗电流过大。特别是应用于高温环境时探测器的热激发电流难以被抑制，从而导致光敏性和光谱响应严重下降。目前大多数现有的肖特基光电探测器在高温冲击下暗电流极具恶化，使得其工作温度较低，几乎不高于200℃。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例的第一方面提供一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管，包括：由下至上依次设置的第一金属电极、N+型4H-SiC衬底和N-型4H-SiC外延层；
所述N-型4H-SiC外延层上设置有势垒层和钝化层；
所述钝化层的两侧均具有所述势垒层；
所述势垒层上设有第二金属电极；
所述第一金属电极形成欧姆接触电极；
所述势垒层的材料为WxSiyO1-x-y；
所述钝化层的材料为SiCxOy；
所述第二金属电极形状为U型，所述第二金属电极的材料为金属钨；
所述第二金属电极、所述势垒层和所述N-型4H-SiC外延层形成肖特基接触。
在本发明的一个实施例中，所述N+型4H-SiC衬底的掺杂浓度为5×1019cm-3，掺杂离子为氮离子；所述N-型4H-SiC外延层的掺杂浓度为2×1016cm-3，掺杂离子为氮离子。
在本发明的一个实施例中，所述第一金属电极为金属镍。
本发明实施例的第二方面提供一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在N+型4H-SiC衬底上形成N-型4H-SiC外延层；
步骤二、采用磁控溅射工艺溅在所述N+型4H-SiC衬底的下表面溅射金属镍欧姆接触电极层，形成第一金属电极，随后进行高温热退火形成Ni/4H-SiC欧姆接触；
步骤三、对所述N-型4H-SiC外延层表面进行O2的等离子体预处理作为势垒层的基础种子层；
步骤四、在所述基础种子层的表面使用标准光刻工艺光刻U型电极图案；
步骤五、根据所述U型电极图案采用磁控溅射工艺溅射金属钨电极层，形成第二金属电极；
步骤六、使用标准光刻剥离工艺去除光刻胶；
步骤七、使用热退火工艺以形成WxSiyO1-x-y势垒层、SiCxOy钝化层以及所述第二金属电极、所述势垒层和所述N-型4H-SiC外延层的肖特基接触，制备完成得到本发明实施例第一方面提供的紫外光电二极管。
本发明的有益效果：
本发明通过所述第二金属电极、所述势垒层和所述N-型4H-SiC外延层形成增强型肖特基接触势垒，大幅提高了势垒高度，常温下可将暗电流可限制在0.1pA级，高温环境下抑制暗电流恶化，提升了紫外光电二极管的光暗电流比，能够将极限工作温度提升至600℃。同时，在加压情况下光升载流子会在势垒层发生碰撞电离，继而引发隧穿光电流从而增强探测能力。此外，U型金属电极最大程度扩展了内建电场增加了器件光利用面积，同时结合SiCxOy钝化层可以抑制空气漏电，从而进一步增加光电流。本发明的器件的制备方法工艺简洁，大幅降低了制备成本。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管的结构示意图：
图2为本发明实施例提供的第二金属电极的俯视结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管在室温环境下工作的反向电流-电压特性图；
图4为本发明实施例提供的一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管在600℃环境下工作的反向电流-电压特性图。
附图标记说明：
1-第一金属电极；2-N+型4H-SiC衬底；3-N-型4H-SiC外延层；4-势垒层；5-钝化层；6-第二金属电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，本发明实施例的第一方面提供一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管，包括：由下至上依次设置的第一金属电极1、N+型4H-SiC衬底2和N-型4H-SiC外延层3。第一金属电极1形成欧姆接触电极。第一金属电极1的材料为金属镍。
N-型4H-SiC外延层3上设置有势垒层4和钝化层5。钝化层5的两侧均具有势垒层4。势垒层4上设有第二金属电极6。势垒层4的材料为WxSiyO1-x-y。钝化层5的材料为SiCxOy。
第二金属电极6形状为U型，如图2所示，第二金属电极6的材料为金属钨。第二金属电极6为感光电极。第二金属电极6、势垒层4和N-型4H-SiC外延层3形成肖特基接触。
N+型4H-SiC衬底2的掺杂浓度为5×1019cm-3，掺杂离子为氮离子；N-型4H-SiC外延层3的掺杂浓度为2×1016cm-3，掺杂离子为氮离子。
本实施例中，第二金属电极6、势垒层4和N-型4H-SiC外延层3形成增强型肖特基接触(W/WxSiyO1-x-y/4H-SiC)，大幅提高了势垒高度，常温下可将暗电流可限制在0.1pA级(如图3所示)，高温环境下抑制暗电流恶化，提升了紫外光电二极管的光暗电流比，能够将极限工作温度提升至600℃，如图4所示，紫外光电二极管在600℃环境下工作时，器件的光暗电流比在10左右表面器件仍具备正常工作能力。此外，如图2所示，U型金属电极最大程度扩展了内建电场，同时结合SiCxOy钝化层5可以抑制空气漏电，从而进一步增加光电流。而且，垂直结构型光电二极管拥有快速的响应速度，响应时间约为100μs级别。
在一种可行的实现方式中，U型的第二金属电极6的长和线宽分别为100μm和5μm。势垒层4WxSiyO1-x-y中的x和y的具体数值以及钝化层5SiCxOy中的x和y的具体数值可以在每次实际制备产品的过程中进行确定即可，具体数值不影响器件的性能。
实施例二
本发明实施例的第二方面提供一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在N+型4H-SiC衬底2上形成N-型4H-SiC外延层3。
具体地，在厚度为300μm，氮掺杂浓度为5×1019cm-3的4H-SiC衬底进行RCA标准清洗，形成N+型4H-SiC衬底2；随后在N+型4H-SiC衬底2上外延生长厚度为5μm，掺杂浓度为2×1016cm-3的N-型4H-SiC外延层3。
步骤二、采用磁控溅射工艺溅在N+型4H-SiC衬底2的下表面溅射厚度为300nm金属镍欧姆接触电极层，工艺参数为：电压、气压、时间、速率(DC-50W、5Mt、600s、
)，以形成第一金属电极1，随后进行高温快速热退火形成Ni/4H-SiC欧姆接触，工艺参数为氮气环境中1050℃退火180s。
步骤三、对N-型4H-SiC外延层3表面进行O2的等离子体预处理作为势垒层4的基础种子层，厚度约为2nm，工艺参数为：150sccm流量、300W功率和60s处理时间。
步骤四、在基础种子层的表面使用标准光刻工艺光刻U型电极图案，其长和线宽分别为100μm和5μm。
步骤五、根据U型电极图案采用磁控溅射工艺溅射厚度为50nm金属钨电极层，形成第二金属电极6；工艺参数为：电压、气压、时间、速率(DC-20W、5Mt、280s、
)。
步骤六、使用标准光刻剥离工艺去除光刻胶及其他残余；
步骤七、使用快速热退火工艺以形成WxSiyO1-x-y势垒层4、SiCxOy钝化层5以及第二金属电极6、势垒层4和N-型4H-SiC外延层3的增强型肖特基接触，制备完成得到实施例一中的紫外光电二极管。
本实施例的制备工艺简单，降低了制备成本，制备得到的器件性能得到大幅提升。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管，其特征在于，包括：由下至上依次设置的第一金属电极(1)、N+型4H-SiC衬底(2)和N-型4H-SiC外延层(3)；
所述N-型4H-SiC外延层(3)上设置有势垒层(4)和钝化层(5)；
所述钝化层(5)的两侧均具有所述势垒层(4)；
所述势垒层(4)上设有第二金属电极(6)；
所述第一金属电极(1)形成欧姆接触电极；
所述势垒层(4)的材料为WxSiyO1-x-y；
所述钝化层(5)的材料为SiCxOy；
所述第二金属电极(6)形状为U型，所述第二金属电极(6)的材料为金属钨；
所述第二金属电极(6)、所述势垒层(4)和所述N-型4H-SiC外延层(3)形成肖特基接触。
2.根据权利要求1所述的一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管，其特征在于，所述N+型4H-SiC衬底(2)的掺杂浓度为5×1019cm-3，掺杂离子为氮离子；所述N-型4H-SiC外延层(3)的掺杂浓度为2×1016cm-3，掺杂离子为氮离子。
3.根据权利要求1所述的一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管，其特征在于，所述第一金属电极(1)为金属镍。
4.一种势垒增强型与U型感光窗口的4H-SiC肖特基超高温紫外光电二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在N+型4H-SiC衬底(2)上形成N-型4H-SiC外延层(3)；
步骤二、采用磁控溅射工艺溅在所述N+型4H-SiC衬底(2)的下表面溅射金属镍欧姆接触电极层，形成第一金属电极(1)，随后进行高温热退火形成Ni/4H-SiC欧姆接触；
步骤三、对所述N-型4H-SiC外延层(3)表面进行O2的等离子体预处理作为势垒层(4)的基础种子层；
步骤四、在所述基础种子层的表面使用标准光刻工艺光刻U型电极图案；
步骤五、根据所述U型电极图案采用磁控溅射工艺溅射金属钨电极层，形成第二金属电极(6)；
步骤六、使用标准光刻剥离工艺去除光刻胶；
步骤七、使用热退火工艺以形成WxSiyO1-x-y势垒层(4)、SiCxOy钝化层(5)以及所述第二金属电极(6)、所述势垒层(4)和所述N-型4H-SiC外延层(3)的肖特基接触，制备完成得到如权利要求1-3任一项所述的紫外光电二极管。
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|---|---|
| CN114823963B (zh) | 2024-01-23 |
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