CN115000238A - 一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器及制备方法，属于半导体探测器件领域。采用化学气相传输法同质外延法在N+型宽禁带半导体衬底上依次生长N型缓冲层和i型吸收层，再通过化学气相沉积的方式生长P型层；利用光刻和ICP刻蚀的方式在PiN结构的宽禁带半导体外延片上刻蚀倾斜台面；利用光刻和ICP刻蚀的方式刻蚀微孔结构；利用热氧化和化学气相沉积的方式生长二氧化硅钝化层以及开窗；利用光刻和磁控溅射的方式制作P电极和N电极；利用PS微球溶液在器件表面制备PS掩模板,沉积金属膜，剥离PS掩模板后获得表面金属纳米颗粒阵列。表面金属颗粒激发等离激元场增强，更好的实现紫外光电器件的局域雪崩，并降低雪崩电压。
Description
技术领域
本发明属于半导体探测器件领域，尤其涉及一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器及制备方法。
背景技术
随着时代的迅速发展，宽禁带半导体作为新一代半导体材料，具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、击穿电场高等优点。在新能源动力、航空航天、科研、医疗等诸多领域都有十分广阔的应用前景。同时宽禁带半导体紫外光电探测器具有体积更小，探测率更高，且能够实现太阳光盲的探测等优点，在紫外通信、空间科学和环境监测等领域具有巨大的应用潜力，新型高性能宽禁带半导体紫外光电探测器的研究已经成为各发达国家重点研究的光电子学课题之一。基于上述这些优点，宽禁带半导体器件可以在恶劣的环境中工作(如高温、高压或者高辐射)而对自身没有任何的辐射损伤。
但是随着半导体技术领域的迅速发展，各领域对器件的需求不断提高，因此更加要注重器件性能的提高。传统的平面型PiN结构的APD宽禁带半导体紫外光电探测器，由于入射光部分被P层吸收，产生的光生载流子未能全部进入耗尽区，量子效率不够高，同时需要很高的偏置电压(通常高于100V)器件才能产生雪崩，因此本发明设计一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器，主要是在器件的P层刻蚀不同尺寸的微孔结构，实现器件的局域雪崩，同时在器件表面制备金属纳米颗粒阵列，利用等离激元场增强扩大局域雪崩区域，引起未雪崩或将要雪崩区域提前雪崩，从而降低器件的雪崩电压，为降低宽禁带半导体紫外探测器的雪崩击穿电压多出一种途径，为以后高性能宽禁带半导体紫外探测器提供一种可行性的方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器及制备方法，利用表面等离激元场增强，通过类似MOS结构的原理诱导下部宽禁带半导体中的电场增强，使其达到雪崩的高场条件：一方面是扩大了微孔处原本较小的局域雪崩区域；另一方面主要是诱导未雪崩区域或将要雪崩区域达到雪崩的高场条件，实现器件的局域雪崩，降低器件的雪崩击穿电压。
本发明提供一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)采用化学气相传输法同质外延法在N+型宽禁带半导体衬底上依次生长N型缓冲层和i型吸收层，再通过化学气相沉积的方式生长P型层；
2)利用光刻和ICP刻蚀的方式在PiN结构的宽禁带半导体外延片上刻蚀倾斜台面；
3)利用光刻和ICP刻蚀的方式刻蚀微孔结构；
4)利用热氧化和化学气相沉积的方式生长二氧化硅钝化层以及开窗；
5)利用光刻和磁控溅射的方式制作P电极和N电极；
6)利用PS微球溶液在表面制备PS掩模板,在PS掩模板上沉积金属膜，剥离PS掩模板后获得表面金属纳米颗粒阵列。
在步骤1)中，所述N型缓冲层掺杂浓度可为1×1017/cm3-5×1020/cm3,厚度可为0.5～3μm；所述i型吸收层的掺杂浓度可为1×1014/cm3～2×1016/cm3,厚度可为1～20μm；所述P+型层的掺杂浓度可为1×1017/cm3～5×1020/cm3，厚度可为0.1～1μm。
在步骤3)中，所述微孔的开孔方式是从P型层往i型吸收层方向开孔，使得P型层刻穿直到i型吸收层，微孔结构的作用是引起器件局域雪崩，主要是在微孔边缘处的局部电场较高；微孔的大小与间距根据表面等离激元的激发效果改变，使其在紫外波段达到最佳激发效果，最大效率地增强局域雪崩。
在步骤4)中，所述二氧化硅钝化层的厚度为10～500nm。
在步骤6)中，所述PS微球的直径可为100～1000nm；金属膜的厚度可为5～50nm；所述金属纳米颗粒的形状可以是球形、圆盘形、三角柱形等各种形状，其大小、间距通过计算模拟选取合适的尺寸；金属纳米颗粒可以选择Al、Ag、Au等能够激发在紫外波段表面等离激元的金属材料；所述金属纳米颗粒阵列均匀分布在器件表面、微孔底部以及微孔侧壁，以更好地诱导半导体中的场增强，当紫外光通过不同的角度入射到器件表面，在横向和纵向均可以获得光子能量，从而最大化激发表面等离激元场增强。应用于包括PiN、SAM、SACM等结构在内的APD时，表面金属纳米颗粒阵列的大小与间距通过计算模拟得到，以使紫外波段光源激发的等离激元场强最高。
本发明提供一种紫外光电探测器，由上述等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器的制备方法制备而成。
本发明在刻蚀倾斜台面后先刻蚀微孔，再生长二氧化硅钝化层，最后通过沉积剥离后得到表面金属纳米颗粒阵列，这一顺序有利于降低器件暗电流。
器件工作时，紫外线通过不同角度照射在器件上，第一，由于不同角度入射，尤其是斜入射能够在横向和纵向均有光分量，从而最大化地激发表面等离激元场增强；第二，微孔结构边缘处存在较小区域的局部雪崩效应；第三，通过激发表面等离激元场增强诱导宽禁带半导体中较低的电场，一方面能够扩大器件局域雪崩区域，另一方面使未雪崩区域或将要雪崩区域达到提前雪崩的条件，从而实现器件的局域雪崩，大大降低器件的雪崩击穿电压。
本发明的制备方法适用于包括PiN、SAM、SACM等结构在内的APD光电探测器，但不仅限于此类器件。对于不同结构的APD，表面金属材料、金属纳米颗粒的大小、间距通过计算模拟选取进行区别，更好的实现紫外光电器件的局域雪崩，并降低雪崩电压。合适的材料和尺寸才能激发表面等离激元场增强和达到局域雪崩的条件，进而降低器件的雪崩电压，反之效果不佳。
本发明通过金属纳米颗粒激发等离激元场增强诱导宽禁带半导体中的电场，从而扩大器件雪崩区域，诱导器件提前达到雪崩条件，可降低雪崩击穿电压至30V～40V之间。
附图说明
图1为本发明实施例的等离激元增强局域雪崩的PiN结构的宽禁带半导体APD紫外光电探测器的剖面示意图。
图2为本发明实施例的等离激元增强局域雪崩的PiN结构的宽禁带半导体APD紫外光电探测器俯视示意图。
图3为本发明实施例的等离激元增强局域雪崩的SACM结构的宽禁带半导体APD紫外光电探测器的剖面示意图。
图4为本发明实施例的等离激元增强局域雪崩的PiN结构的宽禁带半导体APD紫外光电探测器的器件效果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下实施例将结合附图对本发明进行作进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
实施例1
本发明实现的等离激元增强局域雪崩的PiN结构的宽禁带半导体APD紫外光电探测器的剖面图如图1所示，俯视图如图2所示。
该紫外光电探测器从下至上依次设有N电极01、高掺杂的N+型宽禁带半导体衬底02、N型层03、轻掺杂的i型层04、高掺杂的P型层05，P型电极06、二氧化硅钝化层以及金属纳米颗粒阵列07。其中金属纳米颗粒阵列可以选择Al、Ag、Au等能够激发表面等离激元的金属材料,其形状可以是球形、圆盘形、三角柱形等各种形状，金属纳米颗粒的大小与间距需要通过合理的计算和模拟得到；开孔08是从P层往i层方向开孔，使得P层刻穿直到i层，微孔结构的作用是引起器件局域雪崩，主要是在微孔边缘处的局部电场较高。当紫外光通过不同角度入射到探测器芯片上时，表面金属颗粒激发等离激元场增强，可以诱导器件中原本电场较低的区域，使其达到雪崩的高场条件：一方面是扩大微孔处原本较小的局域雪崩区域；另一方面主要是诱导未雪崩区域或将要雪崩区域达到雪崩的高电场条件。
该紫外光电探测器的具体制备步骤如下：
(1)在高掺杂的N+型宽禁带半导体衬底02上依次采用化学气相沉积法外延同质生长N型层03、i型层04，所述N型层掺杂浓度可为1×1017/cm3-5×1020/cm3,厚度可为0.5μm-3μm、i型层的掺杂浓度可为1×1014/cm3-2×1016/cm3，厚度可为1μm-20μm。
(2)利用化学气相沉积的方式在i型层上表面形成P型层05，P型层的掺杂浓度可为1×1017/cm3～5×1020/cm3，厚度可为0.1～1μm。然后对整个外延片进行RCA标准清洗。
(3)利用光刻和ICP刻蚀技术刻蚀出倾斜台面17。
(4)利用光刻胶作为阻挡层，通过光刻和磁控溅射ICP刻蚀技术刻蚀微孔结构19，刻蚀深度约为0.1～1μm，通过仿真获得最佳的微孔尺寸，主要用来实现局域雪崩条件。
(5)利用热氧化和化学气相沉积技术在器件表面生长二氧化硅钝化层，其中热氧化二氧化硅的厚度为10～200nm，化学气相沉积100～1000nm厚的二氧化硅和100～1000nm厚的氮化硅。
(6)利用光刻和ICP刻蚀技术开窗18，开窗的深度为步骤(5)中化学气相沉积生长的二氧化硅和氮化硅的厚度可为200～2000nm。
(7)利用光刻技术BOE溶液腐蚀掉P电极处的二氧化硅层，磁控溅射金属形成P电极06。
(8)刻蚀背面高掺杂N+型宽禁带半导体衬底，磁控溅射金属形成N电极。
(9)利用PS微球溶液在表面制备PS掩模板，PS微球的直径为100～1000nm。
(10)利用电子束蒸发技术在PS掩模板上蒸镀一层金属Al膜，金属Al膜厚度大约为5～50nm。
(11)最后利用四氢呋喃溶液剥离掉PS掩模板，制备得到表面金属Al纳米颗粒阵列。
实施例2
本发明实现的等离激元增强局域雪崩的SACM结构的宽禁带半导体APD紫外光电探测器，其剖面图如图3所示。具体制备步骤如下：
(1)在高掺杂的N+型宽禁带半导体衬底02上依次采用化学气相沉积法外延同质生长吸收层32、电荷层33、倍增层34，所述吸收层的掺杂浓度可为1×1014/cm3～1×1016/cm3，厚度可为1～10μm、电荷层的掺杂浓度可为1×1017/cm3～1×1020/cm3，厚度可为0.1～1μm、倍增层的掺杂浓度可为1×1014/cm3～1×1016/cm3，厚度可为0.1～1μm。(2)利用化学气相沉积的方式在倍增层表面形成P+型层35，P+型层的掺杂浓度可为1×1018/cm3～2×1020/cm3，厚度可为0.1～1μm。然后对外延片进行RCA标准清洗。
(3)同实施例1步骤(3)。
(4)刻蚀微孔结构，用5214E光刻胶作为阻挡层，从上开始刻到吸收层，刻蚀深度约为0.3～3μm。与实施例1区别在于两者刻蚀深度不同，仿真的最佳微孔尺寸不同，但两者均是为了实现局域雪崩条件。
(5)～(11)同实施例1步骤(5)～(11)。
器件制备的具体工艺：
上述RCA标准清洗，具体步骤为：
①用甲苯、丙酮和乙醇超声5～10min，重复4遍，再用去离子水冲洗干净；
②用三号液于250℃下煮15～30min后，用热、冷去离子水冲洗；所述三号液按体积比的配比为H2SO4∶H2O2＝4∶1；
③将样品放入稀释氢氟酸浸泡3～5min，再用热、冷去离子水冲洗；所述稀释氢氟酸按体积比的配比为HF∶H2O＝1∶20；
④用一号液煮5～10min后，用热、冷去离子水冲洗；所述一号液按体积比的配比NH3·H2O∶H2O2∶H2O＝1∶1∶4；
⑤将样品放入稀释氢氟酸中浸泡3～5min，再用热、冷去离子水冲洗；
⑥用二号液煮5～10min后，用热、冷去离子水冲洗，然后用氮气吹干待用；所述二号液按体积比的配比为HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶4。
倾斜台面刻蚀具体步骤为：利用光刻胶回流技术，甩胶(4620)、前烘、用第一块掩膜板曝光、显影、冲洗形成台面图形，再通过后烘使光刻胶坍塌，最后通过ICP刻蚀形成台面结构，刻蚀通过两轮循环进行，片子背面需要涂油。
刻蚀微孔具体步骤为：利用光刻胶作为掩膜，采用反胶的技术，甩胶(5214E)、前烘、用第二块掩膜板曝光、泛曝、显影、冲洗，形成刻蚀微孔的图形，需要刻孔的位置没有光刻胶，不需要刻蚀微孔处利用光刻胶作为阻挡层，最后通过ICP刻蚀技术在器件表面得到微孔阵列。
钝化层的生长具体步骤为：刻蚀微孔之后生长钝化层，器件表面、微孔底部和侧壁处均存在二氧化硅，作用是减少漏电以及对光的反射。首先要通过干氧、湿氧、干氧交替氧化的方式长一层二氧化硅作为牺牲层；取出第一次氧化好的样品，放入缓冲氢氟酸溶液进行腐蚀，去除第一次氧化形成的氧化层，用去离子水冲洗干净；将片子放入氧化炉，再次通过干氧、湿氧、干氧交替氧化的方式长一层厚度为10～200nm的致密二氧化硅层；PECVD生长SiO2，厚度100～1000nm；PECVD生长Si3N4，厚度100～1000nm。
开窗的具体步骤为：阻挡层即为上述用PECVD生长的SiO2和Si3N4，通过甩胶(4620)、前烘、用第三块掩膜板曝光、显影形成开窗图形，再坚膜使得光刻胶变硬，最后通过ICP刻蚀形成窗口。
P电极和N电极制备的具体步骤：用第四块掩膜板在光敏面区光刻P型电极区，并用缓冲氢氟酸溶液腐蚀掉电极处的氧化层，利用磁控溅射Ti/Al/Ti/Au多层金属作为P型电极；N型欧姆接触是在衬底背面形成的，具体步骤为：首先用光刻胶将器件正面保护好，然后用缓冲氢氟酸溶液腐蚀掉衬底背面自然氧化层，然后磁控溅射Ni/Au作为N型电极；最后两种电极在高温下通过退火形成良好的欧姆接触。
焊盘制备：用第五块掩膜板光刻形成焊盘区，再通过磁控溅射Ti/Au作为器件的焊盘。
表面金属纳米颗粒阵列制备：首先在器件表面通过直径100～1000nm的PS微球悬浮液制备出PS掩模板，再通过电子束蒸发技术在掩模板表面蒸发一层厚度为5～50nm的金属膜，然后利用四氢呋喃溶液剥离掉PS掩模板，得到表面金属纳米颗粒阵列，金属颗粒存在于器件表面、微孔底部以及微孔侧壁处，均匀有序排列。
当紫外光通过不同角度入射到探测器芯片上时，表面金属颗粒激发等离激元场增强，可以诱导器件中原本电场较低的区域，使其达到雪崩的高场条件：一方面是扩大微孔处原本较小的局域雪崩区域；另一方面主要是诱导未雪崩区域或将要雪崩区域达到雪崩的高电场条件。
本发明通过金属纳米颗粒激发等离激元场增强诱导宽禁带半导体中的电场，从而扩大器件雪崩区域，诱导器件提前达到雪崩条件，可降低雪崩击穿电压至30～40V；效果参见图4。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用化学气相传输法同质外延法在N+型宽禁带半导体衬底上依次生长N型缓冲层和i型吸收层，再通过化学气相沉积的方式生长P型层；
2)利用光刻和ICP刻蚀的方式在PiN结构的宽禁带半导体外延片上刻蚀倾斜台面；
3)利用光刻和ICP刻蚀的方式刻蚀微孔结构；
4)利用热氧化和化学气相沉积的方式生长二氧化硅钝化层以及开窗；
5)利用光刻和磁控溅射的方式制作P电极和N电极；
6)利用PS微球溶液在表面制备PS掩模板,在PS掩模板上沉积金属膜，剥离PS掩模板后获得表面金属纳米颗粒阵列。
2.如权利要求1所述一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述N型缓冲层掺杂浓度为1×1017/cm3～5×1020/cm3,所述i型吸收层的掺杂浓度为1×1014/cm3～2×1016/cm3,所述P型层的掺杂浓度为1×1017/cm3～5×1020/cm3。
3.如权利要求1所述一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述N型缓冲层的厚度为0.5～3μm；所述i型吸收层的厚度为1～20μm；所述P型层的厚度为0.1～1μm。
4.如权利要求1所述一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述微孔的开孔方式是从P型层往i型吸收层方向开孔，使得P型层刻穿直到i型吸收层，微孔的大小与间距根据表面等离激元的激发效果设置。
5.如权利要求1所述一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述二氧化硅钝化层的厚度为10～1000nm。
6.如权利要求1所述一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器的制备方法，其特征在于在步骤6)中，所述PS微球的直径为100～1000nm。
7.如权利要求1所述一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器的制备方法，其特征在于在步骤6)中，金属膜的厚度为5～50nm。
8.如权利要求1所述一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器的制备方法，其特征在于在步骤6)中，所述金属纳米颗粒的形状为球形、圆盘形或三角柱形，以更好的与尺寸相配合；所述金属纳米颗粒的材料选择Al、Ag或Au。
9.如权利要求1所述一种等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器的制备方法，其特征在于在步骤6)中，所述金属纳米颗粒阵列均匀分布在器件表面、微孔底部以及微孔侧壁，以更好地诱导半导体中的场增强，当紫外光通过不同的角度入射到器件表面，在横向和纵向均获得光子能量，从而最大化激发表面等离激元场增强。
10.如权利要求1～9中任一所述制备方法制备的等离激元增强局域雪崩的紫外光电探测器。
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