CN2703329Y

CN2703329Y - SiC肖特基紫外探测器

Info

Publication number: CN2703329Y
Application number: CN 200320123167
Authority: CN
Inventors: 谢家纯; 王丽玉
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2003-12-31
Filing date: 2003-12-31
Publication date: 2005-06-01
Anticipated expiration: 2013-12-31

Abstract

本实用新型SiC肖特基紫外探测器，特征是其衬底为n+型半导体SiC(1)，衬底背面采用电子束蒸发并合金形成欧姆接触的TiNiAg层(2)，衬底上面是n型SiC外延层(3)，外延层上面中间有源区是电子束蒸发并合金形成肖特基接触的薄金属层(4)，在有源区薄金属层、n型SiC外延层及n+型SiC衬底约三分之一上部的周围是钝化层(5)，在钝化层与有源区薄金属层相邻的区域及有源区薄金属层上面的部分区域是电子束蒸发有源焊接区厚金属层梳状电极(6)，有源区薄金属层上面涂有防反射的透明膜(7)。本探测器可用于检测红外线或可见光背景下的紫外信号。

Description

SiC肖特基紫外探测器

技术领域：

本实用新型属于半导体光电探测器技术领域，特别涉及SiC肖特基紫外探测器。

背景技术：

紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一重要的光电探测技术。紫外探测技术在医学、生物学、军事等领域的应用前景广阔，对一个国家的国防和国民经济建设均有很重要的意义。

中国《高技术通讯》(2002年3月，第104-109页)和中国《半导体光电》(2003年2月，第24卷第1期，第5-11页)指出，硅基半导体紫外探测技术可利用成熟的硅工艺，但其探测器需配置笨重的滤光器，且耐高温、耐腐蚀性较差。

技术内容：

本实用新型提供一种能用于检测红外或可见光背景下紫外信号的SiC肖特基紫外探测器。

这种SiC肖特基紫外探测器，特征在于：其衬底(1)是n+型半导体SiC，衬底(1)背面是采用电子束蒸发并合金形成欧姆接触的Ti、Ni和Ag三层金属或Ni单层金属(2)，衬底(1)上面是n型SiC外延层(3)，外延层(3)上面直径300μm～1000μm的有源区是用电子束蒸发金属并合金形成肖特基接触的薄金属层(4)，其厚度为50nm～150nm，在有源区薄金属层(4)、n型SiC外延层(3)及n+型SiC衬底(1)周围直径为350μm～1050μm的区域是钝化层(5)，在钝化层(5)与有源区薄金属层(4)及有源区薄金属层上面直径为320μm～1020μm的区域是电子束蒸发厚度为0.8～1.2μm的有源焊接区厚金属层梳状电极(6)，在有源区薄金属层上面涂有防反射的透明膜(7)。

上述的半导体SiC可采用4H-SiC或6H-SiC；有源区薄金属层可采用功函数大于SiC的金属，如Au或Ni等金属中的一种；有源焊接区厚金属层采用与有源区薄金属层相同的金属材料；钝化层可采用SiO₂或Si₃N₄；防反射的透明膜可采用ZnS。

本实用新型SiC肖特基紫外探测器主要基于如下原理：

n型宽禁带半导体SiC与功函数大于SiC的金属Au、Ni接触时，由于SiC的功函数小于Au、Ni等金属的功函数，电子流向金属使金属带负电，而使半导体SiC表面形成了一个正的空间电荷区，这样便形成了一个电场方向由半导体指向金属的势垒区，称之为肖特基势垒。

SiC肖特基紫外探测器主要基于肖特基势垒能产生光伏效应的特性：入射光被半导体SiC吸收并产生空穴-电子对，产生的空穴-电子对被肖特基势垒区的电场分开形成载流子，当载流子漂移通过势垒区时，在外电路形成光生电压或电流。SiC肖特基紫外探测器主要有以下两种工作方式：(1)入射光子能量hv＞E_g半导体SiC的禁带宽度，且加在探测器上的反偏压V＜＜V_B探测器的雪崩击穿电压。在这种条件下，入射光穿过金属层在半导体SiC表面被吸收并激发产生空穴-电子对，空穴-电子对迅速被势垒区分开并在外电路形成电压或电流。(2)入射光子能量hv＞E_g半导体SiC的禁带宽度，且加在探测器上的反偏压V≈V_B探测器的雪崩击穿电压。在这种条件下，入射光在半导体SiC中激发出来的空穴-电子对非常迅速地被分开，在高场下运动并获得很高的能量后通过碰撞继续激发出新的空穴-电子对，从而形成载流子的雪崩倍增。这种工作方式下的SiC肖特基紫外探测器属于雪崩光电二级管中的一种。

由hv＞E_g可知SiC肖特基紫外探测器光谱响应范围的长波限λ_C＝hc/E_g，由半导体SiC的禁带宽度E_g决定：例如，器件采用的SiC若是4H-SiC，则其禁带宽度约3.25eV，可计算出长波限约为382nm；若是采用6H-SiC，其禁带宽度约3.0eV，计算出长波限约为413nm。短波限的出现主要是因为短波长入射光的吸收系数太大，入射光子能量太高，激发出来的载流子很容易被复合而消失掉，所以即使入射光被吸收了也很难在外电路形成明显的光生电压或电流。实验测得4H-SiC肖特基紫外探测器光谱响应范围为200～400nm，其中382～400nm的响应非常小。

本实用新型SiC肖特基紫外探测器的结构简单，制作简便，其主要特点是：

1、光谱响应范围是紫外光波段，而对可见光和红外辐射不响应，这是由半导体SiC的宽禁带决定的；

2、在太阳光或红外线背景中使用不必配置滤光器，而且耐高温、抗辐射；

3、响应时间短，量子效率高。肖特基势垒层就在半导体表面，光激发的载流子绝大部分直接产生在势垒区，不用经过扩散就处于势垒区，不仅省去了扩散时间，也减少了复合损失，所以探测器响应快、效率高；

4、暗电流低，信噪比高。

附图说明：

附图1是本实用新型SiC肖特基紫外探测器的结构示意图。

附图2是SiC肖特基紫外探测器在7V反偏压下的光谱响应图。

具体实施方式：

实施例1：

本实施例SiC肖特基紫外探测器采用的具体制作方法如下：

制备器件的半导体材料：4H-SiC；衬底：n+型，电阻率0.014Ω·cm，厚度300μm；外延层：n型，掺杂浓度3.3×10¹⁵/cm³，厚度10.0μm，微管缺陷＜10/cm³。

本实施例以Au/n-4H-SiC为例，制作的工艺流程如下：先清洗SiC，然后进行高温高纯氧气氧化，干氧30分钟+湿氧5小时+干氧30分钟，接着去除背底保护外延区的SiO₂，再进行背底电子束蒸发Ti、Ni和Ag(总厚度为600～1500nm)或Ni(厚度为600～1500nm)，在高纯氩气保护下进行950℃合金5～8分钟，再光刻有源区SiO₂(保护背底)，然后电子束蒸发有源焊接区厚Au(800nm～1200nm)，接着光刻压焊区，电子束蒸发薄Au有源区50～150nm，光刻有源区和压焊区Au，再在纯度99.99％的氩气保护下进行有源区650℃肖特基合金5分钟，然后进行初测、划片、引线焊接、封装，即成为如附图1所示的SiC肖特基紫外探测器的器件。

本实施例制作的SiC肖特基紫外探测器，衬底是n⁺型SiC(1)，衬底背面为采用电子束蒸发并合金形成欧姆接触的TiNiAg层(2)，衬底上面是n型SiC外延层(3)，外延层上面中间有源区是电子束蒸发并合金形成肖特基接触的薄金属层(4)，在有源区薄金属层、n型SiC外延层及n+型SiC衬底约三分之一上部的周围是钝化层(5)，在钝化层与有源区薄金属层相邻的区域及有源区薄金属层上面的部分区域为以电子束蒸发有源焊接区厚金属层梳状电极(6)，在有源区薄金属层上面涂上防反射的透明膜(7)。

Ni/n-4H-SiC的制备过程与Au/n-4H-SiC相似，不过要在薄Ni有源区上面覆盖薄Au，以防止Ni在空气中被氧化。为了避免大的反射和吸收损失，有源区金属层必须很薄，还可在探测器的表面涂上防反射的透明膜ZnS。

最后综合测试分析。

测量光谱响应曲线时可用M850荧光分光光度计(200～600nm)产生的连续紫外光照射探测器。具体测量时可设计一个合适的测量电路，要点如下：(1)把探测器的一端连接变阻器，另一端连接一个有10MΩ负反馈电路的运放(如MAX432)倒相输入端，运放输出端接记录仪。这样探测器产生的光电流经10MΩ的电阻输出到记录仪上，由记录仪显示光谱响应曲线。通过变阻器可改变加在探测器上的反偏压，从而可测出探测器在不同偏压下的光谱响应曲线。可用LP-3A型激光功率测试仪测出照射在探测器上的入射光功率，算出量子效率和光谱响应度。(2)在测量电路中可采用多个不同电容值的滤波电容，在正负电源的接入电路上可分别采用三端稳压78系列和79系列以减少电源不稳定信号对整个测量电路的影响，在变阻器的两端可再并联稳压管以尽量减少电源不稳定信号对探测器的影响。

附图2给出了SiC肖特基紫外探测器在7V反偏压下的光谱响应的具体测量结果：图中的横坐标为入射光波长，单位是nm；纵坐标为光谱响应度，单位是mA/W；曲线A是Au/n-4H-SiC肖特基紫外探测器在7V反偏压下的光谱响应曲线，曲线B是Ni/n-4H-SiC肖特基紫外探测器在7V反偏压下的光谱响应曲线。

由附图2可知，在7V反偏压下，Ni/n-4H-SiC肖特基紫外探测器在300nm处光谱响应度达到峰值45.84mA/W，Au/n-4H-SiC肖特基紫外探测器在300nm处光谱响应度达到峰值86.72mA/W；Ni/n-4H-SiC和Au/n-4H-SiC肖特基紫外探测器光谱响应范围均是200～400nm。

采用以下方法可进一步提高探测器的光谱响应度：(1)给探测器加反偏压；(2)采用结晶质量高的SiC半导体；(3)增大探测器有源区面积；(4)减小SiC外延层厚度。

根据原理分析，SiC肖特基紫外探测器的半导体SiC也可采用6H-SiC代替4H-SiC。

Claims

1、一种种SiC肖特基紫外探测器，特征在于：其衬底(1)是n+型半导体SiC，衬底(1)背面是采用电子束蒸发并合金形成欧姆接触的Ti、Ni和Ag三层金属或Ni单层金属(2)，衬底(1)上面是n型SiC外延层(3)，外延层(3)上面直径300μm～1000μm的有源区是用电子束蒸发金属并合金形成肖特基接触的薄金属层(4)，其厚度为50nm～150nm，在有源区薄金属层(4)、n型SiC外延层(3)及n+型SiC衬底(1)周围直径为350μm～1050μm的区域是钝化层(5)，在钝化层(5)与有源区薄金属层(4)及有源区薄金属层上面直径为320μm～1020μm的区域是电子束蒸发厚度为0.8～1.2μm的有源焊接区厚金属层梳状电极(6)，在有源区薄金属层上面涂有防反射的透明膜(7)。

2、如权利要求1所述的SiC肖特基紫外探测器，特征在于：所述半导体SiC采用4H-SiC或6H-SiC；有源区薄金属层采用功函数大于SiC的金属Au或Ni，有源焊接区厚金属层采用与有源区薄金属层相同的金属材料；钝化层采用SiO₂或Si₃N₄；防反射的透明膜采用ZnS。