本实用新型涉及紫外光电探测器，尤其是涉及利用SiC材料良好的紫外探测特性与平面结构的一种8×8二维面阵SiC紫外光电探测器。
背景技术：
如今紫外探测技术已经在高压电网、环境监测、火灾防护和医疗领域越来越显示出它的重要性，而紫外成像探测更是各相关行业需求的热点。SiC材料具有禁带宽度大(3.26eV)、物理化学性质稳定、高热导率、紫外吸收长度适中和材料质量高等优点，成为制备紫外探测器的首选材料，而采用高功函数的金属与SiC构成的金属-半导体-金属(MSM)器件像元，由于其平面器件结构，光生载流子在外加电场作用下位于器件表面薄层横向移动，移动距离短(2～10μm)从而具有响应速度快、量子效率高和制备工艺相对简单等优点而受到重视。目前研制的MSM结构SiC探测器均为像元器件，无法实现紫外成像探测。
参考文献：
[1]Yang Weifeng，Zhang Feng，Liu Zhuguang，Lv Ying and Wu Zhengyun.,High responsivity 4H-SiC based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetectors[J].Science in China Series G:Physics,Mechanics&Astronomy,2008，51(11)：1616-1620。
[2]Feng Zhang,Weifeng Yang,Huolin Huang,Xiaping Chen,Zhengyun Wu,Huili Zhu,Hongji Qi,Jianke Yao,Zhengxiu Fan,and Jianda Shao.High-performance 4H-SiC based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetectors with Al2O3/SiO2films[J],Applied Physics Letters,2008,92,251102(1-3)。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供有效提高探测效率和响应速度，解决现有紫外探测成像难题的一种8×8二维面阵SiC紫外光电探测器。
本实用新型为金属-半导体-金属(MSM)结构，设有在双抛的偏轴4°的4H-SiC导电衬底，在4H-SiC导电衬底上的Si面上外延生长N型SiC缓冲层，在N型SiC缓冲层上外延生长SiC非刻意掺杂i型层，采用ICP干法刻蚀在i型层上形成斜面，用于各个金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元的隔离和器件的边缘保护，在器件的表面热生长二氧化硅层作为器件的钝化层；通过刻蚀钝化层形成叉指状电极窗口，在叉指状电极窗口中制备Au或Pt高功函数金属电极，再通过光刻、刻蚀和溅射工艺形成面阵紫外探测器的64条金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元独立电极焊盘和一条共用电极焊盘，最后在面阵器件上旋涂聚酰亚胺保护隔离层。
所述4H-SiC导电衬底可为在双抛的偏轴4°的4H-SiC导电衬底，所述N型SiC缓冲层的厚度可为0.5μm，其掺杂浓度可为2×1018cm-3，N型SiC缓冲层可有效抑制后续外延过程中产生的缺陷。所述i型层的厚度可为4～10μm，其掺杂浓度可为5×1014cm-3，作为器件的光子主要吸收层。所述8×8二维面阵SiC紫外光电探测器可包括64个金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元，面积可为200μm×200μm，每个金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元是通过叉指状金属电极与SiC表面形成的背靠背的肖特基接触，电极叉指间距可为2～8μm，实现对紫外信号的探测。通过8×8的排列方式，分别引出64个金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元的信号输出端至各自金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元的信号接触焊盘，并合理将64个金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元器件的接地端引出到共用电极焊盘，布线方案中总共65条金属布线，互不交叉影响。为了减小布线设计的工作量，在设计面阵版图时将这个面阵分为对称的4个包含16金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元(4×4)的小区域。对第一象限的小区域进行布线优化，设计金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元的间隔为50μm，MSM结构的SiC探测器像元之间的每条信号走线宽度约6～8μm，每个金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元之间最多安排5条走线的布线，将第一象限小区域中的布线方案进行拷贝旋转分贴到第二象限(逆时针90°)、第三象限(逆时针180°)和第四象限(逆时针270°)，形成对中心点对称的四个小区域组成的8×8二维面阵，将所有共用电极连在一起引入到共用焊盘，这样可以实现有效抑制金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元之间的信号串扰和提高成像分辨率的效果。在面阵制备过程中，通过减小金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元上间距、选择高功函数接触电极金属以及合理的面阵布线等工艺，提高8×8二维面阵SiC紫外光电探测器面阵的探测效率和响应速度及成像质量。
对生长好的外延片进行RCA标准清洗，使用光刻胶在样品表面旋涂上一层厚的光刻胶作为干法刻蚀的阻挡层，采用ICP刻蚀，刻蚀气体为CF4或SF6，利用光刻胶和4H-SiC对刻蚀气体的刻蚀速率不同，使得i型层形成一斜面，用于各个金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元器件的隔离和器件的边缘保护，斜面深度约1.2～1.4μm斜面和水平面的夹角为θ，且夹角θ≤10°。金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元之间隔离宽度不能太大和太小，宽度太大会降低探测分辨率，太小会产生串扰，影响电极布线，金属-半导体-金属(MSM)结构的SiC探测器像元之间隔离宽度应为50μm左右。
将刻蚀后的样品采用三号液除去前述工艺中可能残留的油污与光刻胶；再经RCA标准清洗装片到热氧化炉，生长的热氧化硅牺牲层，放入缓冲氢氟酸溶液中腐蚀去除干净，再次放进氧化炉进行第二次氧化，生成厚度约60nm的SiO2钝化层。
本实用新型可采用以下方法制备：
1)对生长好的外延片进行RCA标准清洗；
2)制备倾斜台面，使用光刻胶在样品表面旋涂上一层光刻胶作为干法刻蚀的阻挡层，采用ICP刻蚀，刻蚀气体为CF4或SF6，利用光刻胶和4H-SiC对刻蚀气体的刻蚀速率不同，使i型层形成一倾斜台面，倾斜台面角度小于10°；
3)制备钝化层，将刻蚀后的样品用250℃的三号液煮后，用热、冷去离子水冲洗，除去工艺中可能残留的油污与光刻胶；再经RCA标准清洗干燥后，装片到热氧化炉，第一次生长的氧化层作为牺牲层，取出样品，放入缓冲氢氟酸溶液中腐蚀，去除第一次生长的氧化层，用冷热去离子水冲洗干净并干燥后将样品再次放进氧化炉进行第二次氧化，采用干氧、湿氧、干氧和氮气氛围交替，生成SiO2钝化层；所述三号液按体积比的配比可为H2SO4∶H2O2＝4∶1。
4)制备电极与焊盘，采用光刻工艺，以光刻胶为保护层，用缓冲氢氟酸在台阶上表面的i型层上SiO2钝化层刻蚀出叉指状电极区，然后通过光刻、磁控溅射和剥离工艺在叉指状电极区上制备Au或Pt薄膜金属，在经光刻工艺、磁控溅射工艺与剥离工艺形成与电极接触的金属焊盘和面阵布线，金属种类为Ti/Au，其中金属-半导体-金属结构的SiC探测器像元之间的每条信号走线宽度约6～8μm，面阵焊盘约为70μm×100μm，供打线用。
5)采用光刻工艺，在面阵上旋涂聚酰亚胺，显影后去除光敏面与面阵焊盘的聚酰亚胺，烘烤，即得8×8二维面阵SiC紫外光电探测器。
本实用新型采用光刻工艺，在SiO2钝化层刻蚀出叉指状的凹槽露出碳化硅表面，然后通过磁控溅射工艺在碳化硅表面制备高功函数的薄膜金属电极，本实用新型采用金或者铂(其功函数分别约为5.1和5.65eV)，由于这两种金属的功函数较高，与SiC形成金-半接触时能形成较高的肖特基接触势垒。再经光刻工艺、磁控溅射工艺与剥离工艺形成与电极接触的Ti/Au面阵布线和面阵焊盘。为了进一步降低器件的漏电流和提高MSM结构的SiC探测器像元之间的隔离，利用聚酰亚胺良好的绝缘、机械和填充系数高等性能，在MSM结构的SiC探测器像元之间旋涂厚度为1μm左右的聚酰亚胺，并经130℃烘箱烘烤定型。
由于入射紫外辐射在材料的吸收长度相对较短，大部分的光子在表面很薄的一层里被吸收产生光生载流子，以SiC为例，它在260nm的紫外辐射下，其吸收长度约0.5μm，这意味着有近66％入射紫外辐射在SiC表面深度0.5μm内被吸收，而MSM探测器的电场是通过施加外部电压到叉指状金属电极与SiC表面形成的背靠背的肖特基接触而形成的电场使这些光生载流子在其作用下移动，载流子在叉指之间移动距离短(2～10μm)，因此SiC MSM结构的探测像元响应速度快，光电转换效率高。此外MSM结构器件具有外延层数少、结构相对简单、工作状态不受外加偏压方向影响、器件制备工艺相对简单和易于集成等优点，因此MSM结构探测器在许多光探测领域中得到了广泛的应用。
本实用新型所提及的SiC 8×8二维面阵紫外探测器是通过金属与SiC材料表面形成的64个背靠背的MSM结构的SiC探测器像元构成8行8列探测器面阵，采用了聚酰亚胺隔离钝化工艺，强化MSM结构的SiC探测器像元之间的隔离效果，研制各MSM结构的SiC探测器像元之间的信号串扰，从而实现焦平面紫外信号的成像探测。
附图说明
图1为本实用新型实施的金属-半导体-金属结构的8×8二维面阵SiC紫外光电探测器中的单个金属-半导体-金属结构的SiC探测器像元器件剖面示意图。
图2为本实用新型实施的金属-半导体-金属结构的8×8二维面阵SiC紫外光电探测器的俯视图示意图。
图3为本实用新型实施的金属-半导体-金属结构的8×8二维面阵SiC紫外光电探测器中最中心的4,4、4,5、5,4和5,5四个电极与布线是中心对称的金属-半导体-金属结构的SiC探测器像元。
具体实施方式
本实用新型为MSM结构，外延材料具有三层结构如图1所示，首先在双抛的偏轴4°的4H-SiC导电衬底1的Si面上外延生长厚度约为0.5μm的N型SiC缓冲层2，其掺杂浓度约为2×1018cm-3，该层可以有效抑制后续外延过程中产生的缺陷。接着第二层外延生长SiC非刻意掺杂厚度约为4～10μm的i型层3，掺杂浓度约为5×1014cm-3，作为器件的光子主要吸收层。面阵探测器布线版图如图2所示，由64个MSM结构的SiC探测器像元，面积可为200μm×200μm，每个MSM结构的SiC探测器像元通过叉指状金属电极与SiC表面形成的背靠背的肖特基接触，电极叉指间距可为2～8μm，实现对紫外信号的探测。通过8×8的排列方式(在图2中分别用1,1、1,2、2,1至8,8标明每个MSM结构的SiC探测器像元在面阵中的位置)，分别引出64个MSM结构的SiC探测器像元的信号输出端至各自MSM结构的SiC探测器像元的信号接触焊盘，并合理将64个MSM结构的SiC探测器像元器件的接地端引出到共用电极焊盘8，布线方案中总共65条金属布线，互不交叉影响。为了减小布线设计的工作量，在设计面阵版图时将这个面阵分为对称的4个包含16MSM结构的SiC探测器像元(4×4)的小区域。对第一象限的小区域进行布线优化，设计MSM结构的SiC探测器像元之间隔为50μm，MSM结构的SiC探测器像元之间的每条信号走线宽度约6～8μm，每个MSM结构的SiC探测器像元之间最多安排5条走线的布线，将第一象限小区域中的布线方案进行拷贝旋转分贴到第二象限(逆时针90°)、第三象限(逆时针180°)和第四象限(逆时针270°)，形成对中心点对称的四个小区域组成的8×8二维面阵(中心区域的四个MSM结构的SiC探测器像元及布线如图3所示)，将所有共用电极连在一起引入到共用焊盘，这样可以实现有效抑制MSM结构的SiC探测器像元之间的信号串扰和提高成像分辨率的效果。在面阵制备过程中，通过减小MSM结构的SiC探测器像元探测器上间距、选择高功函数接触电极金属以及合理的面阵布线等工艺，提高探测器面阵的探测效率和响应速度及成像质量。
以下给出本实用新型的制备方法：
1)对生长好的外延片进行RCA标准清洗，步骤可如下：
(1)用甲苯、丙酮和乙醇超声5min，重复2遍，再用去离子水冲洗干净；
(2)用三号液于250℃下煮20min后，用热去离子水和冷去离子水冲洗；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4min，再用热去离子水和冷去离子水冲洗；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10min后，用热去离子水和冷去离子水冲洗；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4min，再用热去离子水和冷去离子水冲洗；
(6)用二号液煮10min后，用热去离子水和冷去离子水冲洗，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。
2)倾斜台面的制备：使用光刻胶在样品表面旋涂上一层厚的光刻胶作为干法刻蚀的阻挡层，采用ICP刻蚀，刻蚀气体为CF4或SF6，利用光刻胶和4H-SiC对刻蚀气体的刻蚀速率不同，使i型层形成一倾斜台面，每个台面(MSM结构的SiC探测器像元)面积为200μm×200μm,MSM结构的SiC探测器像元之间隔离宽度为50μm，刻蚀深度约1.2～1.4μm，倾斜台面角度小于10°。
3)钝化层的制备：将刻蚀后的样品用250℃的三号液(三号液按体积比的配比为H2SO4∶H2O2＝4∶1)煮20min后，用热去离子水和冷去离子水冲洗，除去前述工艺中可能残留的油污与光刻胶；再经如前所述的RCA标准清洗干燥后，装片到热氧化炉，第一次生长的氧化层做为牺牲层，具体是采用干氧、湿氧和干氧交替氧化；取出样品，放入缓冲氢氟酸溶液中腐蚀，去除第一次生长的氧化层，用冷热去离子水冲洗干净并干燥后将样品再次放进氧化炉进行第二次氧化，采用干氧、湿氧、干氧和氮气氛围交替，生成厚度约60nm的SiO2钝化层。
4)电极与焊盘的制备：采用光刻工艺，以光刻胶为保护层，用缓冲氢氟酸在台阶上表面的i型层上SiO2钝化层刻蚀出叉指状电极区，然后通过光刻、磁控溅射和剥离工艺在叉指状电极区上制备Au或Pt薄膜金属，厚度可约200nm。在此基础上，在经光刻工艺、磁控溅射工艺与剥离工艺形成与电极接触的金属焊盘和面阵布线，金属种类为Ti/Au，厚度约350nm，其中MSM结构的SiC探测器像元之间的每条信号走线宽度约6～8μm，面阵焊盘约为70μm×100μm,供打线用。
5)采用光刻工艺，在面阵上旋涂厚度约1μm的聚酰亚胺，显影后去除光敏面与面阵焊盘的聚酰亚胺，经130℃烘箱烘烤。