专利名称：4H－SiC雪崩光电探测器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种光电探测器，尤其是涉及一种具有内部增益的4H-SiC基雪崩半导体紫外光电探测器及其制备方法。
背景技术：
紫外光电探测器在军事、工业和民用方面都有很重要的应用。对紫外光线的探测目前一般采用硅基紫外光电探测器，但是文献(1.高技术通讯，2002104-109；2.半导体光电，2003，24(1)5-11)指出，硅基半导体紫外测试技术可利用成熟的硅工艺，但由于硅材料自身能带的限制，使硅基光电探测器对可见光和红外光都很敏感，因此当作为紫外光电探测器使用时，要在窗口加上复杂而且昂贵的滤波片。4H-SiC的带隙宽度约为3.24eV，使其可以直接对紫外光探测而不考虑可见和红外光背景对紫外信号的影响。另外，因为4H-SiC空穴与电子的离化系数比约为10，使4H-SiC适合做雪崩光电探测器(具有小的倍增噪声)。雪崩半导体光电探测器具有内部增益，可以提高测量的灵敏度，也可以对小信号和单光子进行检测。目前小信号和单光子的检测一般用光电倍增管，但是这种检测器件存在尺寸较大、易损坏以及需在高压低温下工作等缺点。Feng Yan等(Solid-State Electronics，2000，4441)和Xiangyi Guo等(IEEE Photonics TechnologyLetters，2006，18(1)136)报道了相似结构的4H-SiC雪崩紫外光电探测器，其缺点是在较高的击穿电压下才能达到较高的倍增因子。因为雪崩探测器正常的工作电压在击穿电压附近，所以在保证4H-SiC雪崩紫外光电探测器性能优异的前提下，击穿电压越低越好。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的4H-SiC雪崩紫外光电探测器存在的在较高的击穿电压下才能达到较高的倍增因子等不足，提供一种在低击穿电压下具有高的内部增益，对可见光与红外光不敏感，可以直接对紫外光、微弱信号和单光子信号进行检测的4H-SiC雪崩光电探测器及其制备方法。
本发明的技术方案是采用了吸收层与倍增层分离雪崩光电探测器结构，这种结构既可以降低器件的击穿电压，提高器件的响应时间，又可以提高器件的量子效率。
本发明所述的4H-SiC雪崩光电探测器设有n+型4H-SiC衬底，在n+型4H-SiC衬底上从下到上依次生长n型外延吸收层(简称吸收层)、n型外延倍增层(简称倍增层)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1×1015/cm3～1×1016/cm3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1×1016/cm3～1×1018/cm3，其厚度为0.05～0.5μm；p+外延层其掺杂浓度至少为1×1018/cm3，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，在衬底的背面设有n型电极。
本发明最好设有至少3个台面，台面宽度最好小于50μm。台面最好设3个，3个台面的位置分别设在衬底，n型外延倍增层和p+外延层上。
p型电极金属最好为金属Ti/Au、Al/Au、Al/Ti/Au或Ti/Al/Au，n型电极金属最好为Ni/Au。
本发明所述的4H-SiC雪崩光电探测器的制备方法包括以下步骤1.对生长好的外延片进行标准清洗；2.台面的制备采用第一块光刻版光刻最外面台面图形，显影使台面上的光刻胶去掉；溅射镍金属作为后面干法刻蚀的掩模；采用等离子诱导干法刻蚀；腐蚀掉芯片表面的镍；清洗后用第二块光刻版光刻出第二个台面的图形，直接用光刻胶作为干法刻蚀的掩膜进行第二次干法刻蚀；清洗掉表面的光刻胶，采用第三块光刻版光刻出最里面的台面图形，用光刻胶做第三次刻蚀的掩膜，进行第三次干法刻蚀；直至刻蚀完所有台面；3.氧化层的制备热氧化前做标准清洗，将芯片放进氧化炉中，采用干氧、湿氧和干氧交替氧化的氧化层；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，冲洗干净后将芯片再次放进氧化炉进行第二次氧化。二次氧化同样采用干氧、湿氧和干氧交替，生成的氧化层作为芯片的钝化层；4.电极的制备在光敏面上光刻出环形的带有两个插丝p型电极区，并用缓冲氢氟酸腐蚀掉电极图形处的氧化层，磁控溅射Ti/Al/Au作为p型电极接触金属，芯片衬底的背面形成n型欧姆接触，两种欧姆接触同时在高温下退火最后形成良好的欧姆接触；5.光刻方形的焊盘区，磁控溅射Ti/Au作为焊盘金属。
对生长好的外延片进行标准清洗可采用以下方法a.用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗3遍，再用去离子水冲洗干净。
b.分别煮一号液(按体积比氨水∶过氧化氢∶水＝1∶1∶5)和二号液(按体积比盐酸∶过氧化氢∶水＝1∶1∶5)各15min，再用去离子水冲洗干净。
c.将芯片放入氢氟酸中浸泡3～5min，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干待用。
台面的制备可采用从外到内制备3个台面，3个台面的深度分别为d1、d2和d3，在具体的台面制备过程中，采用等离子诱导干法刻蚀深度为d1-d2；再用王水腐蚀掉芯片表面的镍，清洗后用第二块光刻版光刻出第二个台面的图形，直接用光刻胶作为干法刻蚀的掩膜进行第二次干法刻蚀，刻蚀深度为d2-d3；清洗掉表面的光刻胶，采用第三块光刻版光刻出最里面的台面图形，用光刻胶做第三次刻蚀的掩膜，进行第三次干法刻蚀，同时形成3个台面；最终隔离台面位于衬底层，2个台面终端外延分别位于芯片的n型外延倍增层和p+外延层。
在电极的制备步骤中，所述的芯片衬底的背面形成n型欧姆接触，可采用以下方法制备器件正面用光刻胶保护，然后用缓冲氢氟酸腐蚀掉背面氧化层，再在衬底的背面磁控溅射Ni/Au作为n型电极接触金属。
碳化硅材料衬底及3个外延层的作用如下选择重掺杂的n型碳化硅衬底是因为与p型碳化硅相比具有更低的电导率。p+外延层一是用来形成p型欧姆接触，另一作用是与n型外延倍增层形成器件需要的p-n结。因为n型外延倍增层的掺杂浓度比p+外延层的掺杂浓度低2个数量级，当加反向偏压时，p-n结的耗尽层基本上都在n型外延倍增层一侧，所以n型外延倍增层内电场强度比较高，构成了器件的倍增区。n型外延吸收层的厚度较大，光线大部分在这层被吸收，此层是器件的吸收层。这种吸收层与n型外延倍增层分离的结构可以使器件的倍增层足够小而吸收层尽量厚。由于n型外延倍增层较小，因此能够使整个器件发生统一的倍增效应，而延长吸收层厚度可以有效地增加器件的量子效率。
以下对本发明的原理作一简单介绍。在实际应用中，要求探测器在较低的偏压下工作。当然，从交流直流转换器的体积及可靠性的要求来说，更低的工作电压是合乎要求的。对于雪崩光电探测器，其正常的工作电压在击穿电压附近，所以在保证雪崩探测器性能的基础上击穿电压越低越好。为了使雪崩型光电探测器在具有高性能的同时具有比较低的击穿电压，可以将载流子漂移区内的电场减小到比较低但仍足以保持载流子以饱和漂移速度漂移的值。为了满足这一要求，采用了吸收层与倍增层分离的穿通型雪崩光电探测器结构。这种结构使器件的倍增层足够小而吸收层尽量厚。倍增层较小能够使整个器件发生统一的倍增效应，而延长吸收层厚度可以有效地增加器件的量子效率。这种结构的特点是当反向电压达到器件的穿通电压后，耗尽区就从p+扩展到衬底。但是只有在雪崩区具有产生载流子碰撞离化所需的高电场，其中一部分电压降落在雪崩区，而另一部分电压降落在吸收区。光线从正面入射，当入射到雪崩光电探测器光敏面上的光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度时，就能通过本征激发使一个电子从价带跃迁到导带，从而产生载流子。在耗尽区电场的作用下，电子-空穴对向器件的两端漂移，空穴将会在电场的作用下向p-n结附近的倍增区漂移。在一个高反向偏置的p-n结的高电场区中，空穴以饱和速度漂移并从电场获得足够的能量，从而通过碰撞离化激发新的电子-空穴对。一连串这样的碰撞离化导致载流子倍增。
由此可见，与现有的光电探测器相比，本发明具有以下突出的优点。1.由于4H-SiC材料的带隙宽度为3.24eV，因此光谱响应范围在紫外光波段，对可见光和红外光不响应。2.由于采用了吸收层与倍增层分离的穿通型结构，因此器件具有击穿电压低、响应时间快及量子效率高等优点。3.采用多台面终端结构有效地抑制了器件的边缘击穿，使器件具有高的倍增因子，提高了器件紫外探测的灵敏度，可以进行微弱信号与单光子信号的检测。4.具有耐高温和抗辐射的优点。
图1为本发明实施例的截面结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为本发明实施例的光电流、暗电流以及倍增因子随电压的变化关系。在图3中，横坐标为反向电压/V，左纵坐标为电流/A，右纵坐标为倍增因子。3组曲线从上至下依次为光电流(Photo current)、暗电流(Dark current)和倍增电流(Gain)。
图4为本发明的4H-SiC雪崩紫外光电探测器的光谱响应曲线。在图4中，横坐标为入射波长(nm)，纵坐标为相对光谱响应，上曲线为0V，下曲线为30V。
具体实施例方式
参见图1和2，本发明的4H-SiC雪崩紫外光电探测器主要包括重掺杂的n型碳化硅衬底2，以及在衬底上从下到上依次生长的3层外延层，分别为n型外延吸收层11、n型外延倍增层10和p+外延层9；最深的台阶3作为器件之间的隔离，上面2个台面统称为台面5，作为器件结构的终端外延，抑制器件电流集边效应并防止器件边缘的提前击穿；样品表面包裹氧化层4；器件最上层是被氧化层4保护的光敏面7。光敏面7上有环型并带有两个插丝的p型电极8，电极上设有焊盘6；整个器件的背面是n型电极1。光敏面7可以为圆形也可以为其它形状，p型电极随着光敏面形状的改变而改变。为了更好地收集载流子，电极都是环绕光敏面的环形，并带有伸向光敏面中心的插丝。钝化层可以为热氧化生成的氧化层，也可以是在热氧化生成的氧化层上面再采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或者低压化学气相沉积(LPCVD)生长一层氧化硅或者氮化硅的钝化层。
以下给出制备4H-SiC雪崩紫外光电探测器的实例。
1.对生长好的外延片标准清洗先用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗3遍，用去离子水洗净；分别煮一号液(氨水∶过氧化氢∶水＝1∶1∶5)和二号液(盐酸∶过氧化氢∶水＝1∶1∶5)各15min，用去离子水洗净；将芯片放入氢氟酸中浸泡3～5min，用去离子水洗净后用氮气吹干待用。
2.制备台面设从外到内3个台面的深度分别为d1(1.6μm)、d2(0.4μm)和d3(0.25μm)，则具体的台面制备过程如下采用第一块光刻版光刻最外面台面图形，显影使台面上的光刻胶去掉；溅射镍金属作为后面干法刻蚀的掩模；采用等离子诱导干法刻蚀深度为d1-d2＝1.2μm；用王水腐蚀掉芯片表面的镍；清洗后用第二块光刻版光刻出第二个台面的图形，直接用光刻胶作为干法刻蚀的掩膜进行第二次干法刻蚀，刻蚀深度为d2-d3＝0.15μm；清洗掉表面的光刻胶，采用第三块光刻版光刻出最里面的台面图形，用光刻胶做第三次刻蚀的掩膜，进行第三次干法刻蚀，刻蚀厚度为d3(0.25μm)。这样同时形成3个台面。最终隔离台面位于衬底层，2个台面终端外延分别位于芯片的n型外延倍增层和p+外延层。
3.制备氧化层热氧化前首先再次做标准清洗，第一次热氧化也叫牺牲层的氧化；将芯片放进氧化炉中，采用干氧、湿氧和干氧交替氧化厚度约为100的氧化层；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；将芯片再次放进氧化炉进行第二次氧化。二次氧化同样采用干氧、湿氧和干氧交替，生成厚度约为600的氧化层作为芯片的钝化层。
4.制备电极在光敏面上光刻环形的带有两个插丝p型电极区，并用缓冲氢氟酸腐蚀掉电极图形处的氧化层；磁控溅射Ti/Al/Au作为p型电极接触金属；芯片衬底背面用来形成n型欧姆接触，其制备过程如下器件正面用光刻胶保护，然后用缓冲氢氟酸腐蚀掉背面氧化层，再在衬底的背面磁控溅射Ni/Au作为n型电极接触金属；最后两种欧姆接触同时在高温下退火最后形成良好的欧姆接触；最后，光刻方形的焊盘区，磁控溅射Ti/Au作为焊盘金属。
以下通过测试电路对器件进行测试，其测试方法和结果如下。
光电流、暗电流以及光谱响应的测量可采用电脑控制的一套测试系统完成，测试系统包括一台Keithley 2410源流表用来提供器件测量时需要的外加偏压，一台Keithley 6514静电计，可以对微弱电流测量，精度可达到0.1fA。光谱响应测量所用的光源为功率450W的氙弧灯，由单色仪进行分光。由于单色仪的限制，测量的波长范围为200～400nm。光源通过一个紫外增强的标准硅222探测器进行校准。测试得到的器件的光电流、暗电流及直流倍增因子如图3所示。由图3看出，器件的暗电流在10pA数量级，光电流是在280nm波长的紫外光照射下获得的。可以看出，在单波长的入射光照射下，器件的光电流比暗电流高出3个数量级，说明本发明对紫外光具有灵敏的响应。器件的击穿电压约为55V，在击穿电压附近，直流倍增因子大于104。这些结果说明器件在低的击穿电压下具有高的倍增因子，使器件的探测灵敏度有很大的提高，满足了器件设计的要求。
图4给出器件的光谱响应曲线。在0V偏压下，本发明的响应波长范围在200～380nm，响应波长的峰值位于260nm，而器件的紫外可见比约为1000。随着反向电压的升高，响应度相应的提高。这些结果说明器件能够有效的进行紫外光的探测，而基本上不受可见光及红外光背景的影响。
权利要求
1.4H-SiC雪崩光电探测器，其特征在于设有n+型4H-SiC衬底，在n+型4H-SiC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1×1015/cm3～1×1016/cm3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1×1016/cm3～1×1018/cm3，其厚度为0.05～0.5μm；p+外延层其掺杂浓度至少为1×1018/cm3，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，在衬底的背面设有n型电极。
2.如权利要求1所述的4H-SiC雪崩光电探测器，其特征在于设有至少3个台面，台面宽度小于50μm。
3.如权利要求2所述的4H-SiC雪崩光电探测器，其特征在于台面设3个，3个台面的位置分别设在衬底，n型外延倍增层和p+外延层上。
4.如权利要求1所述的4H-SiC雪崩光电探测器，其特征在于p型电极为Ti/Au电极、Al/Au电极、Al/Ti/Au电极或Ti/Al/Au电极。
5.如权利要求1所述的4H-SiC雪崩光电探测器，其特征在于n型电极为Ni/Au电极。
6.如权利要求1所述的4H-SiC雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤1)对生长好的外延片进行标准清洗；2)台面的制备采用第一块光刻版光刻最外面台面图形，显影使台面上的光刻胶去掉；溅射镍金属作为后面干法刻蚀的掩模；采用等离子诱导干法刻蚀；腐蚀掉芯片表面的镍；清洗后用第二块光刻版光刻出第二个台面的图形，直接用光刻胶作为干法刻蚀的掩膜进行第二次干法刻蚀；清洗掉表面的光刻胶，采用第三块光刻版光刻出最里面的台面图形，用光刻胶做第三次刻蚀的掩膜，进行第三次干法刻蚀；直至刻蚀完所有台面；3)氧化层的制备热氧化前做标准清洗，将芯片放进氧化炉中，采用干氧、湿氧和干氧交替氧化的氧化层；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，冲洗干净后将芯片再次放进氧化炉进行第二次氧化，二次氧化同样采用干氧、湿氧和干氧交替，生成的氧化层作为芯片的钝化层；4)电极的制备在光敏面上光刻出环形的带有两个插丝p型电极区，并用缓冲氢氟酸腐蚀掉电极图形处的氧化层，磁控溅射Ti/Al/Au作为p型电极接触金属，芯片衬底的背面形成n型欧姆接触，两种欧姆接触同时在高温下退火最后形成良好的欧姆接触；5)光刻方形的焊盘区，磁控溅射Ti/Au作为焊盘金属。
7.如权利要求6所述的4H-SiC雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于对生长好的外延片进行标准清洗采用以下方法1)用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗3遍，再用去离子水冲洗干净；2)分别煮一号液和二号液各15min，再用去离子水冲洗干净，一号液按体积比氨水∶过氧化氢∶水＝1∶1∶5，二号液按体积比盐酸∶过氧化氢∶水＝1∶1∶5；3)将芯片放入氢氟酸中浸泡3～5min，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干待用。
8.如权利要求6所述的4H-SiC雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于台面的制备采用从外到内制备3个台面，3个台面的深度分别为d1、d2和d3，采用等离子诱导干法刻蚀深度为d1-d2；再用王水腐蚀掉芯片表面的镍，清洗后用第二块光刻版光刻出第二个台面的图形，直接用光刻胶作为干法刻蚀的掩膜进行第二次干法刻蚀，刻蚀深度为d2-d3；清洗掉表面的光刻胶，采用第三块光刻版光刻出最里面的台面图形，用光刻胶做第三次刻蚀的掩膜，进行第三次干法刻蚀，同时形成3个台面；最终隔离台面位于衬底层，2个台面终端外延分别位于芯片的n型外延倍增层和p+外延层。
9.如权利要求6所述的4H-SiC雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于在电极的制备步骤中，所述的芯片衬底的背面形成n型欧姆接触采用以下方法制备器件正面用光刻胶保护，然后用缓冲氢氟酸腐蚀掉背面氧化层，再在衬底的背面磁控溅射Ni/Au作为n型电极接触金属。
全文摘要
4H－SiC雪崩光电探测器及其制备方法，涉及一种光电探测器。提供一种在低击穿电压下具有高的内部增益，对可见光与红外光不敏感，可以直接对紫外光、微弱信号和单光子信号进行检测的4H－SiC雪崩光电探测器及其制备方法。光电探测器设有n
文档编号H01L31/18GK1988185SQ20061013535
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月20日 优先权日2006年12月20日
发明者吴正云, 朱会丽, 陈厦平 申请人:厦门大学