CN201032635Y - 一种PIN结构4H-SiC紫外光电探测器 - Google Patents
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Abstract
一种PIN结构4H－SiC紫外光电探测器，涉及一种光电探测器，尤其是涉及一种探测波长为200～400nm的SiC PIN紫外光电探测器。提供一种可用于在很强的可见及红外光背景下检测紫外信号的碳化硅(SiC)PIN结构紫外光电探测器。设有n+型衬底，在n+型衬底上依次外延生长n型层、n－型层和p+型层，n+型衬底背面为n型欧姆接触电极，采用干法刻蚀工艺刻蚀一高度从表面p+型层到达n型层的器件隔离台阶，隔离台阶和p+型层表面覆盖氧化层，在p+型层表面的p型接触电极窗口处沉积p型欧姆接触电极，p型欧姆接触电极上一角覆盖金属Ti/Au层作为焊盘，覆盖氧化层的台面为器件的光敏面。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光电探测器，尤其是涉及一种探测波长为200～400nm的SiC(碳化硅)PIN紫外光电探测器。
背景技术
紫外探测技术近年来日益成为世界各国关注的又一重要光电探测技术，其对于一个国家的工业、国防和民用方面都有着潜在的应用前景，如火灾报警、导弹尾焰探测及制导、太阳光紫外线强度测定等。目前使用广泛的硅基半导体紫外探测器件，虽然其技术工艺较为成熟，但是由于其材料本身的限制，存在耐高温性能差、高压工作易损坏和使用时需配置滤波器等缺点。随着第三代宽带隙半导体材料(如III族氮化物、金刚石、II-VI族化合物和碳化硅等)的出现，特别是4H-SiC材料，由于其具有宽带隙、高临界击穿电场和高热导率等特点，因此利用其制备的紫外光电探测器件的出现推动了紫外探测技术的发展。John T.Torvik等在“IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，1999，46，7.”文献中报道了采用6H-SiC材料制备的PIN结构紫外光电探测器，探测波长范围为200～400nm，且器件暗电流较小，其报道结果从实验角度验证了碳化硅材料在紫外光电探测器件制备方面将具有良好的应用价值。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种可用于在很强的可见及红外光背景下检测紫外信号的PIN结构4H-SiC紫外光电探测器，以克服现有的硅基半导体紫外探测器件由于其材料本身的限制，存在耐高温性能差、高压工作易损坏和使用时需配置滤波器等缺点。
本实用新型设有n+型衬底，在n+型衬底上依次外延生长n型层、n-型层和p+型层，n+型衬底背面为n型欧姆接触电极，采用干法刻蚀工艺刻蚀一高度从表面p+型层到达n型层的器件隔离台阶，隔离台阶和p+型层表面覆盖氧化层，在p+型层表面的p型接触电极窗口处沉积p型欧姆接触电极，p型欧姆接触电极上一角覆盖金属层作为焊盘，覆盖氧化层的台面为器件的光敏面。
n+型衬底材料可采用4H-SiC、6H-SiC或3C-SiC等。n型层的掺杂浓度可为1.0×1018/cm3～1.0×1019/cm3。n-型层的掺杂浓度可为1.0×1015/cm3～5.0×1016/cm3。p+型层的掺杂浓度至少为1.0×1018/cm3，p+型层的厚度为0.1～0.5μm。p型欧姆接触电极可选用Ti/Au、Al/Au、Ti/Al/Au或Al/Ti/Au层。n型欧姆接触电极最好为Ni/Au层。p型欧姆接触电极上一角覆盖焊盘金属层为Ti/Au层。在焊盘与p型欧姆接触电极之间可沉积一薄金属Ti层，该层起到了增加焊盘金属与器件表面黏附性的作用，沉积一薄金属Ti层可采用磁控溅射或电子束蒸发方法。光敏面面积大小可根据器件实际需要而设计其尺寸。氧化层起到器件钝化膜和抗反射膜双重作用。
本实用新型采用的PIN结构4H-SiC材料设计原理在于：
考虑一半导体材料pn结，由于它们之间存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从p区到n区以及电子从n区到p区的扩散运动。对于p区，空穴离开后，留下了不可动的带负电荷的电离受主，这些电离受主，没有正电荷与之保持电中性。因此，在pn结附近p区一侧出现了一个负电荷区。同理，在pn结附近n区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区，通常就把pn结附近的这些电离施主和受主所存在的区域称为空间电荷区，也称势垒区。一般室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但是载流子浓度比起n区和p区的多数载流子浓度小得多，好象已经耗尽了，所以通常也称势垒区为耗尽区。耗尽区中的这些电荷产生了从n区指向p区的电场，称为内建电场。在内建电场作用下，电子向n区漂移，空穴向p区漂移。然而必须指出的是，虽然耗尽区的内建电场足以使载流子的漂移速度达到极限值，但耗尽区两边的p型和n型扩散区，电场分布趋于零，载流子的运动是浓度梯度引起的扩散运动，速度较慢，因而影响了电子和空穴分别向n区和p区两极漂移。为了减弱上述影响，应当尽量减小零电场的p区和n区厚度而增加耗尽区厚度，并且还应尽量避免电子—空穴对在零电场内产生。由于本实用新型PIN结构4H-SiC材料设计生长薄的p+层，其厚度约为0.2μm，掺杂浓度大于1019/cm3；并且在p+层和n层之间存在一轻掺杂较宽的n-层(本征I层)，其厚度约为0.5μm，掺杂浓度小于1016/cm3，使得电子—空穴对较为集中在I层产生，当PIN结外加反向偏压情况下，I层中大量电子和空穴在外加反向偏压和内建电势共同产生的电场作用下，分别向n区和p区两极漂移后在外电路中产生电流。
本实用新型PIN结构4H-SiC紫外光电探测器工作的基本原理如下：
当光电探测器工作时，在器件两端加上大小为VR的反向偏置，其在PIN结中形成的电场和内建电场方向相同。根据半导体的光电效应可知，当半导体的PIN结受到光照，且入射光子能量大于材料的禁带宽度(hυ>Eg)时，就被半导体吸收，并激发p区、I区、n区的价带电子，产生光生电子-空穴对。电场作用使电子和空穴分离，导带中电子向n区运动，价带空穴向p区运动，在器件两个电极上产生光电压，在外电路上产生光电流，即将接收到的光信号转换成电信号输出。
本实用新型PIN结构4H-SiC紫外光电探测器的光谱响应范围为200～400nm。短波限的出现是因为波长小于200nm的入射光由于其波长较短，光吸收系数大，所以光生载流子在穿过耗尽层之前就因表面复合被吸收复合掉，很难导出在外电路形成光电流；长波限的出现是因为4H-SiC材料的禁带宽度Eg≈3.2eV，由公式Eg＝hv，λv＝C，可算得λ≈380nm，因此本实用新型提供的紫外光电探测器对大于380nm的入射光基本不响应，之所以还存在很小的响应度是因为当入射光子能量小于4H-SiC材料的禁带宽度而又大于金属-半导体接触下金属一边的势垒高度时，入射光激发金属中的电子越过势垒被半导体收集所致。
附图说明
图1是本实用新型PIN结构4H-SiC紫外光电探测器的结构示意图。
图2是本实用新型PIN结构4H-SiC紫外光电探测器的光谱响应曲线。在图2中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为响应度Respons ivity(A/W)，图中曲线记号从上至下依次为反向偏压0V，-5V，-10V，-20V。
具体实施方式
参见图1，以下实施例以PIN结构4H-SiC紫外光电探测器为例，设有n+型4H-SiC衬底2，在n+型4H-SiC衬底2上依次外延生长掺杂浓度为7.4×1018/cm3和厚度为2μm的n型层11、掺杂浓度为3.5×1015/cm3和厚度为0.5μm的轻掺杂n-层(本征I层)10、掺杂浓度为2.0×1019/cm3和厚度为0.2μm的p+型层9，n+型4H-SiC衬底2背面是n型欧姆接触电极Ni/Au层1，采用干法刻蚀工艺刻蚀一高度从表面p+型层9到达n型层11的器件隔离台阶3，台阶3和p+型层9表面覆盖的是氧化层4，在p+型层9表面的p型接触电极窗口8处沉积的是p型欧姆接触电极Ti/Al/Au层6，p型欧姆接触电极Ti/Al/Au层6上一角覆盖金属Ti/Au层作为焊盘5，覆盖氧化层4的台面是器件的光敏面7。
本实施例PIN结构4H-SiC紫外光电探测器的具体制备方法说明如下。
首先对4H-SiC外延片进行标准清洗；使用干法刻蚀工艺刻蚀出器件隔离台阶3，高度从表面p+型层9到达n型层11；外延片置氧化炉升温至1100℃，通过干氧→湿氧→干氧交替氧化的方法热生长厚度70nm的氧化层4；腐蚀p型接触电极窗口8处的氧化层，露出p型接触电极窗口8；磁控溅射沉积p型接触电极6；磁控溅射沉积n型接触电极1；高温退火使p型和n型电极形成欧姆接触；制备焊盘5；对流片进行综合测试分析；进行管芯划片、压焊，最后封装成管。
上述n+型4H-SiC衬底2的材料可采用其同质多型体6H-SiC或3C-SiC替代，同样的制备方法可以在6H-SiC或3C-SiC材料上实现。氧化层4起到器件钝化膜和抗反射膜双重作用，钝化膜可采用高温热氧化生成的氧化层，还可在氧化层上通过LPCVD或电子束蒸发覆盖一层氮化硅(Si3N4)膜。制备焊盘时在焊盘5和p型欧姆接触电极6之间沉积一薄金属Ti层，该层起到了增加焊盘金属与器件表面黏附性的作用。沉积金属层可采用磁控溅射或电子束蒸发方法。光敏面7的面积大小可根据器件实际需要设计。
本实用新型所述的PIN结构4H-SiC紫外光电探测器的光谱响应测试采用一套由微机控制的紫外显微光谱系统，由功率为450W的氙灯经紫外单色仪分光后提供波长范围为200～400nm的紫外光源、紫外光纤、紫外显微物镜、微探针台、KEITHLEY2410高压源表、KEITHLEY6514静电计(测试精度0.1fA)和控制系统组成。
图2是本实用新型实施例PIN结构4H-SiC紫外光电探测器的光谱响应曲线。从图2中可以看出，器件的光谱响应范围为200～400nm，峰值响应波长约为270nm，在0、5、10、20V反向偏压下器件的紫外可见比超过3个数量级。数据表明本实用新型实施例PIN结构4H-SiC紫外光电探测器紫外光响应特性良好，紫外可见比高，因此器件可以在很强的可见及红外线背景下检测微弱紫外光信号。
Claims (9)
1.一种PIN结构4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于设有n+型衬底，在n+型衬底上依次外延生长n型层、n-型层和p+型层，n+型衬底背面为n型欧姆接触电极，采用干法刻蚀工艺刻蚀一高度从表面p+型层到达n型层的器件隔离台阶，隔离台阶和p+型层表面覆盖氧化层，在p+型层表面的p型接触电极窗口处沉积p型欧姆接触电极，p型欧姆接触电极上一角覆盖金属层作为焊盘，覆盖氧化层的台面为器件的光敏面。
2.如权利要求1所述的一种PIN结构4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于n型层的掺杂浓度为1.0×1018/cm3～1.0×1019/cm3。
3.如权利要求1所述的一种PIN结构4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于n-型层的掺杂浓度为1.0×1015/cm3～5.0×1016/cm3。
4.如权利要求1所述的一种PIN结构4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于p+型层的掺杂浓度至少为1.0×1018/cm3。
5.如权利要求1所述的一种PIN结构4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于p+型层的厚度为0.1～0.5μm。
6.如权利要求1所述的一种PIN结构4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于p型欧姆接触电极上一角覆盖焊盘金属层为Ti/Au层。
7.如权利要求1所述的一种PIN结构4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于n+型衬底材料为4H-SiC、6H-SiC或3C-SiC。
8.如权利要求1所述的一种PIN结构4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于p型欧姆接触电极为Ti/Au层、Al/Au层、Ti/Al/Au层或Al/Ti/Au层。
9.如权利要求1所述的一种PIN结构4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于所述的n型欧姆接触电极为Ni/Au层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: XIAMEN SAN-U OPTRONICS CO., LTD. Free format text: FORMER NAME: SANYOU OPTO-ELECTROMECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LTD., XIAM |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 361000, Weiye building, pioneer zone, torch hi tech Zone, Fujian, Xiamen province N505 Patentee after: XIAMEN SAN-U OPTRONICS CO., LTD. Patentee after: Xiamen University Address before: 361000, Weiye building, pioneer zone, torch hi tech Zone, Fujian, Xiamen province N505 Patentee before: Sanyou Opto-Electromechanical Science and Technology Development Co., Ltd., Xiam Patentee before: Xiamen University |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Free format text: FORMER OWNER: XIAMEN UNIVERSITY Effective date: 20140603 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140603 Address after: 361000, Weiye building, pioneer zone, torch hi tech Zone, Fujian, Xiamen province N505 Patentee after: XIAMEN SAN-U OPTRONICS CO., LTD. Address before: 361000, Weiye building, pioneer zone, torch hi tech Zone, Fujian, Xiamen province N505 Patentee before: XIAMEN SAN-U OPTRONICS CO., LTD. Patentee before: Xiamen University |
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| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20080305 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |