CN218101277U - 一种半透明电极紫外单光子探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种半透明电极紫外单光子探测器，包括上电极、下电极、外延层和n+型SiC衬底，其中，所述上电极的厚度在2‑15nm之间，所述n+型SiC衬底的正面制备有所述外延层，所述外延层的正面设置有所述上电极，所述n+型SiC衬底的背面制备有所述下电极。本实用新型的方案与现有SiC紫外单光子探测器件相比，在不增加器件制备工艺难度的前提下，采取改良电极的方式，将上电极的厚度减小至2‑15nm，相较于传统电极厚度，半透明电极紫外单光子探测器中材料对入射光的吸收更高，能够提高器件量子效率。

Description

一种半透明电极紫外单光子探测器

技术领域

本实用新型涉及半导体器件光电探测领域，更具体地，涉及一种半透明电极紫外单光子探测器。

背景技术

紫外单光子探测器对微弱紫外光的高灵敏度使其在火灾预警、高压电晕检测、紫外通讯、国防预警、太空探测等民生、军事和科学研究领域受到极大的关注。雪崩光电二极管(APD)是一种常见的微弱光探测器件，基于雪崩倍增效应，表现出内部增益大、功耗低、量子效率高等优势，并且凭借其小体重、便于集成等优势，是用于单光子探测的主要发展方向。SiC作为一种典型的宽禁带半导体材料，具有日盲和可见光盲特性、高环境耐受性和成熟材料外延技术等优势，是制备紫外APD的优选材料。目前，SiC APD的电极厚度都在百nm水平，阻碍了材料对入射紫外光的吸收。

现有技术中公开一种4H-SiC雪崩光电探测器，设有n+型4H-SiCSiC衬底，在n+型4H-SiCSiC衬底上从下到上依次生长n型外延吸收层、n型外延倍增层和p+外延层，n型外延吸收层可以为非故意掺杂的本征层或者掺杂浓度范围在1×10¹⁵cm^-3～1×10¹⁶cm^-3的轻掺杂层，其厚度为0.5～2μm；n型外延倍增层的掺杂浓度范围在1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁸cm^-3，其厚度为0.05～0.5μm；p+外延层其掺杂浓度至少为1×10¹⁸cm^-3，其厚度为0.1～0.5μm，器件的表面通过热氧化生成一层氧化硅的钝化膜，在p+外延层上设有p型电极，在p型电极上磁控溅射Ti/Au作为焊盘接触金属，在SiC衬底的背面设有n型电极。

另一种现有技术公开一种日盲AlGaN紫外光电探测器及其制备方法，所述日盲AlGaN紫外光电探测器包括在硅SiC衬底上依次生长非掺杂N极性面AlN缓冲层、碳掺杂N极性面AlN层、碳掺杂N极性面组分渐变Al_yGa_1-yN层和非掺杂N极性面Al_xGa_1-xN层的紫外光电探测器外延层和设置在紫外光电探测器外延层上的绝缘层、欧姆接触电极和肖特基接触电极，以及设置在紫外光电探测器外延层两侧的SiN_z钝化层，其中，x＝0.5～0.8，y＝0.75～0.95，z＝1.33～1.5。

上述两个方案同样存在电极厚度过大，阻碍了材料对入射紫外光的吸收。

实用新型内容

本实用新型提供一种半透明电极紫外单光子探测器，通过把器件上电极做薄，从而实现提高材料对入射光吸收的目的；在不增加器件制备工艺难度的前提下，提高器件的量子效率。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：

一种半透明电极紫外单光子探测器，包括上电极、下电极、外延层和n+型SiC衬底，其中，所述上电极的厚度在2-15nm之间，所述n+型SiC衬底的正面制备有所述外延层，所述外延层的正面设置有所述上电极，所述n+型SiC衬底的背面制备有所述下电极。

优选地，所述外延层包括p+型接触层、p型过渡层、i型雪崩倍增层和n+型过渡层，其中，所述n+型SiC衬底的正面由下向上依次设置有所述n+过渡层、i型雪崩倍增层、p型过渡层和p+型接触层，所述p+型接触层的正面设置有所述上电极。

优选地，所述p+型接触层的厚度为0.1-0.3μm，p型过渡层的厚度为0.1-0.3μm，i型雪崩倍增层的厚度为0.5-2μm，n+型过渡层的厚度为1-5μm，p+型接触层的掺杂浓度介于1×10¹⁸-2×10¹⁹cm^-3之间，p型过渡层的掺杂浓度介于1×10¹⁸-3×10¹⁸cm^-3之间，i型雪崩倍增层的掺杂浓度介于1×10¹⁵-5×10¹⁶cm^-3之间，n+型过渡层的掺杂浓度介于1×10¹⁸-2×10¹⁹cm^-3之间。

优选地，所述外延层包括n+型接触层、n型过渡层、i型雪崩倍增层和p+型过渡层，其中，所述n+型SiC衬底的正面由下向上依次设置有所述p+型过渡层、i型雪崩倍增层、n型过渡层和n+型接触层，所述n+型接触层的正面设置有所述上电极。

优选地，所述n+型接触层的厚度为0.1-0.3μm，n型过渡层的厚度为0.1-0.3μm，i型雪崩倍增层的厚度为0.5-2μm，p+型过渡层的厚度为1-5μm，n+型接触层的掺杂浓度介于1×10¹⁸-2×10¹⁹cm^-3之间，n型过渡层的掺杂浓度介于1×10¹⁸-3×10¹⁸cm^-3之间，i型雪崩倍增层的掺杂浓度介于1×10¹⁵-5×10¹⁶cm^-3之间，p+型过渡层的掺杂浓度介于1×10¹⁸-2×10¹⁹cm^-3之间。

优选地，所述下电极的厚度在250-350nm之间，所述下电极分为4层，依次为Ni、Ti、Al、Au。

优选地，所述外延层设置为倾斜台面结构，台面倾角控制在10°以内，且所述外延层的台面上设置有一层SiO₂钝化层，为了有效抑制器件边缘尖峰电场导致的器件失效，SiC紫外单光子探测器采用倾斜台面结构，角度控制在10°以内，SiO₂钝化层能够有效降低器件表面漏电。

优选地，所述上电极为同心圆环结构，并通过“十”字形结构连接，所述“十”字形结构的宽度和同心圆环结构的圆环宽度均为5nm。

优选地，所述同心圆环和“十”字形结构采用Ni制备而成。

优选地，所述上电极的表面还制备有小区域Ti/Au电极，厚度为500-2000nm。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：

本实用新型的方案与现有SiC紫外单光子探测器件相比，在不增加器件制备工艺难度的前提下，采取改良电极的方式，将上电极的厚度减小至2-15nm，相较于传统电极厚度，半透明电极紫外单光子探测器中材料对入射光的吸收更高，能够提高器件量子效率。

附图说明

图1为本实用新型的半透明电极紫外单光子探测器的结构示意图。

图2为实施例2提供的半透明电极紫外单光子探测器的剖面结构示意图。

图3为实施例3提供的半透明电极紫外单光子探测器的剖面结构示意图。

图4为本实用新型的半透明电极紫外单光子探测器的俯视结构示意图。

图5为实施例提供的半透明电极紫外单光子探测器的电流-电压曲线示意图。

图中，1为n+型SiC衬底，2为外延层，3为上电极，4为下电极，201为n+过渡层，202为i型雪崩倍增层，203为p型过渡层，204为p+型接触层，211为p+型过渡层，212为i型雪崩倍增层，213为n型过渡层，214为n+型接触层，5为小区域Ti/Au电极，6为SiO₂钝化层。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种半透明电极紫外单光子探测器，如图1所示，包括上电极3、下电极4、外延层2和n+型SiC衬底1，其中，所述上电极3的厚度在2-15nm之间，所述n+型SiC衬底1的正面制备有所述外延层2，所述外延层2的正面设置有所述上电极3，所述n+型SiC衬底1的背面制备有所述下电极4。

在本实施例中，上电极3的厚度在2-15nm之间，而现有技术中上电极3的厚度一般在百nm水平，本实施例的上电极3的厚度相对于现有技术中上电极3的厚度大大减少，提高了材料对入射光的吸收，进而提高器件量子效率。

本实施例中的外延层2与常规结构类似。

实施例2

本实施例提供一种半透明电极紫外单光子探测器，如图2所示，包括上电极3、下电极4、外延层2和n+型SiC衬底1，其中，所述上电极3的厚度在2-15nm之间，所述n+型SiC衬底1的正面制备有所述外延层2，所述外延层2的正面设置有所述上电极3，所述n+型SiC衬底1的背面制备有所述下电极4。

所述外延层2为p-i-n结构，包括p+型接触层204、p型过渡层203、i型雪崩倍增层202和n+型过渡层201，其中，所述n+型SiC衬底1的正面由下向上依次设置有所述n+过渡层201、i型雪崩倍增层202、p型过渡层203和p+型接触层204，所述p+型接触层204的正面设置有所述上电极3。

所述p+型接触层204的厚度为0.1-0.3μm，p型过渡层203的厚度为0.1-0.3μm，i型雪崩倍增层202的厚度为0.5-2μm，n+型过渡层的厚度为1-5μm，p+型接触层204的掺杂浓度介于1×10¹⁸-2×10¹⁹cm^-3之间，p型过渡层203的掺杂浓度介于1×10¹⁸-3×10¹⁸cm^-3之间，i型雪崩倍增层202的掺杂浓度介于1×10¹⁵-5×10¹⁶cm^-3之间，n+型过渡层201的掺杂浓度介于1×10¹⁸-2×10¹⁹cm^-3之间。

所述下电极4分为4层，依次为35/50/100/100nm的Ni/Ti/Al/Au。

所述外延层2设置为倾斜台面结构，台面倾角控制在10°以内，且所述外延层2的台面上设置有一层1μm厚SiO₂钝化层6。

如图4所示，所述上电极3为同心圆环结构，并通过“十”字形结构连接，所述“十”字形结构的宽度和同心圆环结构的圆环宽度均为5nm。

所述同心圆环和“十”字形结构采用Ni制备而成。

所述上电极3的表面还制备有小区域Ti/Au电极5，厚度为500-2000nm。

本实施例还提供一种半透明电极紫外单光子探测器的制备流程，包括外延层2生长、台面刻蚀、钝化层制备、上电极3窗口腐蚀和电极制备五个步骤；

第一步外延层2生长；

第二步台面刻蚀：为了有效抑制器件边缘尖峰电场导致的器件失效，SiC紫外单光子探测器采用倾斜台面结构，角度控制在10°以内。本例中：在外延片上旋涂AZ4620光刻胶并光刻，通过曝光、显影定义倾斜台面的图形区域；对图形光刻胶进行高温烘烤，利用光刻胶回流形成台面的刻蚀掩膜；利用感应耦合等离子体刻蚀系统对外延片进行刻蚀，实现倾斜角度的转移，最终获得正倾角器件台面，台面倾斜角度为～5°，台面刻蚀到n+型过渡层201上表面；最后，利用清洗工艺去除材料表面的光刻胶；

第三步钝化层制备：为了修复刻蚀损伤，器件表面采用等离子体增强化学气相沉积制备有1μm厚SiO₂钝化层6，能够有效降低器件表面漏电；

第四步上电极3窗口腐蚀：旋涂光刻胶并进行光刻和显影定义光学窗口，利用湿法腐蚀的方法去除光学窗口下的钝化层，定义上表面的欧姆接触窗口。

第五步电极制备：相较于传统紫外单光子探测器，本半透明电极紫外单光子探测器上电极3厚度明显降低，控制在2-15nm，在本例中上电极3为同心圆环结构，并通过“十”字形连接，“十”字形宽度和圆环宽度均为5nm，采用金属为Ni；下电极4为35/50/100/100nm的Ni/Ti/Al/Au；随后，在上电极3上继续沉积500/500nm Ti/Au电极5，电极沉积均采用物理气相沉积法。

实施例3

本实施例提供一种半透明电极紫外单光子探测器，如图3所示，包括上电极3、下电极4、外延层2和n+型SiC衬底1，其中，所述上电极3的厚度在2-15nm之间，所述n+型SiC衬底1的正面制备有所述外延层2，所述外延层2的正面设置有所述上电极3，所述n+型SiC衬底1的背面制备有所述下电极4。

所述外延层2为n-i-p结构，包括n+型接触层214、n型过渡层213、i型雪崩倍增层212和p+型过渡层211，其中，所述n+型SiC衬底1的正面由下向上依次设置有所述p+型过渡层211、i型雪崩倍增层212、n型过渡层213和n+型接触层214，所述n+型接触层214的正面设置有所述上电极3。

所述n+型接触层214的厚度为0.1-0.3μm，n型过渡层213的厚度为0.1-0.3μm，i型雪崩倍增层212的厚度为0.5-2μm，p+型过渡层211的厚度为1-5μm，n+型接触层214的掺杂浓度介于1×10¹⁸-2×10¹⁹cm^-3之间，n型过渡层213的掺杂浓度介于1×10¹⁸-3×10¹⁸cm^-3之间，i型雪崩倍增层212的掺杂浓度介于1×10¹⁵-5×10¹⁶cm^-3之间，p+型过渡层211的掺杂浓度介于1×10¹⁸-2×10¹⁹cm^-3之间。

所述下电极4分为四层，依次为35/50/100/100nm的Ni/Ti/Al/Au。

所述外延层2设置为倾斜台面结构，台面倾角控制在10°以内，且所述外延层2的台面上设置有一层1μm厚SiO₂钝化层6。

如图4所示，所述上电极3为同心圆环结构，并通过“十”字形结构连接，所述“十”字形结构的宽度和同心圆环结构的圆环宽度均为5nm。

所述同心圆环和“十”字形结构采用Ni制备而成。

所述上电极3的表面还制备有小区域Ti/Au电极5，厚度为500-2000nm。

本实施例还提供一种半透明电极紫外单光子探测器的制备流程，包括外延层2生长、台面刻蚀、钝化层制备、上电极3窗口腐蚀和电极制备五个步骤；

第一步外延层2生长；

第二步台面刻蚀：为了有效抑制器件边缘尖峰电场导致的器件失效，SiC紫外单光子探测器采用倾斜台面结构，角度控制在10°以内。本例中：在外延片上旋涂AZ4620光刻胶并光刻，通过曝光、显影定义倾斜台面的图形区域；对图形光刻胶进行高温烘烤，利用光刻胶回流形成台面的刻蚀掩膜；利用感应耦合等离子体刻蚀系统对外延片进行刻蚀，实现倾斜角度的转移，最终获得正倾角器件台面，台面倾斜角度为～5°，台面刻蚀到p+型过渡层211上表面；最后，利用清洗工艺去除材料表面的光刻胶；

第三步钝化层制备：为了修复刻蚀损伤，器件表面采用等离子体增强化学气相沉积制备有1μm厚SiO₂钝化层6，能够有效降低器件表面漏电；

第四步上电极3窗口腐蚀：旋涂光刻胶并进行光刻和显影定义光学窗口，利用湿法腐蚀的方法去除光学窗口下的钝化层，定义上表面的欧姆接触窗口。

第五步电极制备：相较于传统紫外单光子探测器，本半透明电极紫外单光子探测器上电极3厚度明显降低，控制在2-15nm，在本例中上电极3为同心圆环结构，并通过“十”字形连接，“十”字形宽度和圆环宽度均为5nm，采用金属为Ni；下电极4为35/50/100/100nm的Ni/Ti/Al/Au；随后，在上电极3上继续沉积500/500nm Ti/Au电极5，电极沉积均采用物理气相沉积法。

如图5所示，本实施例的半透明电极紫外单光子探测器在雪崩前的暗电流位于pA量级，击穿电压为～226V。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半透明电极紫外单光子探测器，其特征在于，包括上电极(3)、下电极(4)、外延层(2)和n+型SiC衬底(1)，其中，所述上电极(3)的厚度在2-15nm之间，所述n+型SiC衬底(1)的正面制备有所述外延层(2)，所述外延层(2)的正面设置有所述上电极(3)，所述n+型SiC衬底(1)的背面制备有所述下电极(4)。

2.根据权利要求1所述的半透明电极紫外单光子探测器，其特征在于，所述外延层(2)包括p+型接触层(204)、p型过渡层(203)、第一i型雪崩倍增层(202)和n+型过渡层(201)，其中，所述n+型SiC衬底(1)的正面由下向上依次设置有所述n+型过渡层(201)、第一i型雪崩倍增层(202)、p型过渡层(203)和p+型接触层(204)，所述p+型接触层(204)的正面设置有所述上电极(3)。

3.根据权利要求1所述的半透明电极紫外单光子探测器，其特征在于，所述外延层(2)包括n+型接触层(214)、n型过渡层(213)、第二i型雪崩倍增层(212)和p+型过渡层(211)，其中，所述n+型SiC衬底(1)的正面由下向上依次设置有所述p+型过渡层(211)、第二i型雪崩倍增层(212)、n型过渡层(213)和n+型接触层(214)，所述n+型接触层(214)的正面设置有所述上电极(3)。

4.根据权利要求1至3任一项所述的半透明电极紫外单光子探测器，其特征在于，所述下电极(4)的厚度在250-350nm之间，所述下电极(4)分为四层，依次为Ni、Ti、Al、Au。

5.根据权利要求4所述的半透明电极紫外单光子探测器，其特征在于，所述外延层(2)设置为倾斜台面结构，台面倾角控制在10°以内，且所述外延层(2)的台面上设置有一层SiO₂钝化层(6)。

6.根据权利要求5所述的半透明电极紫外单光子探测器，其特征在于，所述上电极(3)为同心圆环结构，并通过“十”字形结构连接，所述“十”字形结构的宽度和同心圆环结构的圆环宽度均为5nm。

7.根据权利要求6所述的半透明电极紫外单光子探测器，其特征在于，所述同心圆环结构和“十”字形结构均采用Ni制备而成。

8.根据权利要求7所述的半透明电极紫外单光子探测器，其特征在于，所述上电极(3)的表面还制备有小区域Ti/Au电极(5)，厚度为500-2000nm。

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