本实用新型涉及紫外光电探测器，尤其是涉及在实现紫外信号探测的同时，又能保证有足够的红外透过率，以满足紧贴其后共轴的红外探测器能有效探测入射红外信号要求的一种用于紫外红外双色探测的紫外光电探测器。
背景技术：
紫外探测技术已经越来越显示出其重要性，并在高压输电变电系统的紫外电弧检测、医用紫外荧光检测、环境污染监测等方面得到应用，半导体材料的紫外探测器具有成本低、无需高压、体积小和能实现焦平面探测等优势有利于受到重视。现有的半导体紫外探测器采用硅基、氮化镓(GaN)基或碳化硅(SiC)材料。其中碳化硅(SiC)材料由于其独特的材料特性，使其具有在紫外探测的独特优势([1]王玉霞，何海平，汤洪高.宽带隙半导体材料SiC研究进展及其应用.硅酸盐学报,2002，30(3)：372-381；[2]X.P.Chen,H.L.Zhu,J.F.Cai,Z.Y.Wu.High-performance 4H-SiC-based ultraviolet p-i-n photodetector[J].J.Appl.Phys.,2007,(102):024505)。在实际应用中，有许多场合经常要求实现紫外与红外的同时双色探测，即完成对深紫外波段和远红外波段信号同时实现高灵敏度的探测，最佳的解决方案是采用两个分别可以在紫外和红外波段具有高探测率的探测器共轴紧贴构成双色探测系统，以实现对紫外与红外的信号高效探测。采用SiC材料制备的紫外探测器具有非常高的紫外探测效率，因此，采用SiC材料作为双色探测系统中的紫外探测器是最佳选项之一。然而常规的碳化硅紫外半导体探测器，一般采用高掺杂的衬底材料，在实现紫外探测的同时，红外信号被SiC的掺杂外延层及衬底严重吸收，导致透过SiC的紫外探测器后入射到紧贴在其后面的红外探测器信号非常微弱，无法满足红外的探测要求。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供可解决紫外探测器中红外信号透过困难的难题，提高双色探测系统红外探测效果的一种用于紫外红外双色探测的紫外光电探测器。
本实用新型为p-i-n外延结构，衬底采用双抛4H-SiC衬底，在双抛4H-SiC衬底的Si面上外延生长N型SiC缓冲层，所述N型SiC缓冲层作为p-i-n的N型欧姆接触层，在N型SiC缓冲层上外延生长i型层，所述i型层作为器件的光子吸收层，在i型层上外延一层P+型层并构成紫外探测芯片的p-i-n结构；在P+型层的钝化层上刻蚀P型电极窗口，所述P型电极窗口上设有P型电极和P型焊盘；在N型SiC缓冲层的钝化层上刻蚀N型电极窗口，在N型电极窗口上设有N型电极与N型焊盘。
所述双抛4H-SiC衬底可采用高纯偏轴4°的双抛4H-SiC衬底，由于其杂质浓度较低(N元素浓度小于1×1015cm-3)，红外的透光率可达75％。
所述N型SiC缓冲层的厚度可为0.5μm，掺杂浓度可为2×1018cm-3，N型SiC缓冲层可以有效抑制后续外延过程中产生的缺陷。
所述i型层的SiC非刻意掺杂厚度可为0.8μm，掺杂浓度可为5×1014cm-3。
所述P+型层的厚度可为0.2μm，掺杂浓度可为1×1019cm-3。
所述P型电极窗口可为P型环状电极窗口。
在所述紫外探测器的正面和反面生长一层700～800nm的二氧化硅红外抗反射层。最后在P型焊盘和N型焊盘上方将二氧化硅红外抗反射层刻蚀出两个凹槽，裸露出焊盘，以备器件测试与器件封装测试。
为了保证红外信号能有效透射，在紫外探测器上刻蚀出红外入射通道(面积约为紫外探测器光敏面积的50％)，其深度直达高纯双抛4H-SiC衬底，紫外探测器的两面采用LPCVD生长700～800nm的SiO2作为红外的抗反射增透层，最终实现红外入射透过率达到75％以上。入射的短波紫外信号大部分在i层被吸收转变为电子空穴对，在i层的耗尽层电场驱动下分离运动到紫外探测器的两端电极，在紫外探测器外部负载中复合形成电信号。而入射的长波红外信号大部分可通过特殊的紫外探测器结构透射出衬底，被紧贴在本紫外探测器下表面中心对准的紧贴其后共轴的红外探测器吸收并转化为电信号，从而实现对紫外红外信号双色的探测。
本实用新型可采以下方法制备：
1)对外延生长完毕的碳化硅外延片进行RCA标准清洗：
(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)制备紫外探测器隔离保护倾斜台面，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P+型层和N型层形成一倾斜圆台，深度约1.4～1.6μm，使N型层暴露出来，且圆台的斜面和水平面的夹角为θ，且夹角θ≤10°。
3)制备红外信号的透过窗口，采用ICP干法刻蚀与光刻工艺在圆台上对称地制备出5个可用于透过红外信号的窗口(面积约为探测器光敏面积的50％)，使红外信号能直接到达高纯偏轴4°的双抛4H-SiC衬底上。
4)制备SiO2钝化层，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。
5)制备P型电极、N型电极、P型焊盘和N型焊盘，采用光刻工艺，以光刻胶为保护层，用缓冲氢氟酸分别在台阶上表面的P层和台阶下方N型外延缓冲层上SiO2钝化层刻蚀出环形的P型电极区与N型电极区，然后通过磁控溅射工艺制备Ti/Ni/Al/Au薄膜金属，再经剥离工艺形成P型电极与N型电极，高温下退火后，最后形成良好的P型与N型欧姆接触。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P型焊盘和N型焊盘，金属种类为Ti/Au。
6)制备红外抗反射层，采用LPCVD方法在器件的正面和反面各生长一层700～800nm的二氧化硅红外抗反射层，为了将P型焊盘和N型焊盘裸露出来，以备器件测试与器件封装测试，将二氧化硅红外抗反射层刻蚀出两个凹槽直达焊盘，形成用于紫外红外双色探测的紫外光电探测器，可保证足够强度的红外辐射信号通过所制备的用于紫外红外双色探测的紫外光电探测器被紧贴其后共轴的红外探测器接收，得用于紫外红外双色探测的紫外光电探测器。
本实用新型针对现有的紫外探测器存在的上述不足，提供一种采用高红外透过率的高纯偏轴4°的双抛4H-SiC衬底的p-i-n外延结构。首先通过抑制高纯衬底的杂质浓度提高了红外信号在衬底中的透射效果，将衬底中N元素浓度抑制到小于1×1015cm-3，使衬底的红外透过率大于75％；此外，通过制备工艺，对紫外探测器的光路结构改进，在探测器中制备了红外信号通道，在保证良好紫外探测性能的基础上，从入射光敏面上刻蚀出直达衬底的红外入射通道，保证有足够的红外透射通过本实用新型入射至紧贴的红外探测器上，达到高效双色探测的目的。
附图说明
图1为本实用新型实施例的外延结构剖视示意图。
图2为本实用新型实施例的剖视示意图。
图3为本实用新型实施例的俯视示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步的说明。
参见图1～3，本实用新型实施例为p-i-n外延结构，其衬底采用双抛4H-SiC衬底1，在双抛4H-SiC衬底1的Si面上外延生长N型SiC缓冲层2，所述N型SiC缓冲层2作为p-i-n的N型欧姆接触层，在N型SiC缓冲层2上外延生长i型层3，所述i型层3作为器件的光子吸收层，在i型层3上外延一层P+型层4，构成紫外探测芯片的p-i-n结构；在P+型层4的钝化层上刻蚀P型电极窗口，所述P型电极窗口上设有P型电极7和P型焊盘8；在N型SiC缓冲层2的钝化层上刻蚀N型电极窗口，在N型电极窗口上设有N型电极与N型焊盘9。
所述双抛4H-SiC衬底采用高纯偏轴4°的双抛4H-SiC衬底，由于其杂质浓度较低(N元素浓度小于1×1015cm-3)，红外的透光率可达75％。
所述N型SiC缓冲层的厚度为0.5μm，掺杂浓度为2×1018cm-3，N型SiC缓冲层有效抑制后续外延过程中产生的缺陷。
所述i型层的SiC非刻意掺杂厚度为0.8μm，掺杂浓度为5×1014cm-3。
所述P+型层的厚度为0.2μm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
所述P型电极窗口为P型环状电极窗口。
在紫外探测器的正面和反面生长一层700～800nm的二氧化硅红外抗反射层10。最后在P型焊盘8和N型焊盘9上方将二氧化硅红外抗反射层刻蚀出两个凹槽，裸露出焊盘，以备器件测试与器件封装测试。
为了保证红外信号能有效透射，在紫外探测器上刻蚀出红外入射通道(面积约为探测器光敏面积的50％)，其深度直达高纯双抛4H-SiC衬底，紫外探测器的两面采用LPCVD生长700～800nm的SiO2作为红外的抗反射增透层，最终实现红外入射透过率达到75％以上。入射的短波紫外信号大部分在i层被吸收转变为电子空穴对，在i层的耗尽层电场驱动下分离运动到紫外探测器的两端电极，在紫外探测器外部负载中复合形成电信号。而入射的长波红外信号大部分可通过特殊的紫外探测器结构透射出衬底，被紧贴在所制备的用于紫外红外双色探测的紫外光电探测器下表面中心对准的紧贴其后共轴的红外探测器吸收并转化为电信号，从而实现对紫外红外信号双色的探测。
在高纯偏轴4°的双抛4H-SiC衬底1上依次采用物理气相传输法外延同质生长N型缓冲层2、i型层3(或i型吸收层，i型外延吸收层)和P+型层4。所述N型外延缓冲层的厚度和掺杂浓度可分别为0.5μm和5×1018/cm3、i型层的厚度和掺杂浓度为1.0μm和1×1015/cm3、P+型层的厚度和掺杂浓度为0.2μm和1×1019/cm3。采用ICP干法刻蚀形成从P+型层至N型外延缓冲层的斜面圆台，斜面和水平面的夹角为θ，且角θ≤10°，使得P+型层和i型层为圆台面结构。再采用ICP干法刻蚀与光刻工艺在圆台上制备出可用于透过红外信号的通道5，通道5的深度直达高纯偏轴4°的双抛4H-SiC衬底1上。在紫外探测器的表面热生长二氧化硅层6作为紫外探测器的钝化层；在P+型层的钝化层上刻蚀出P型环状电极窗口，并制备环状P型电极7和P型焊盘8，在N型外延缓冲层的钝化层上刻蚀出N型电极窗口，并溅射形成N型电极与N型焊盘9，在器件的正面和反面生长一层700～800nm的二氧化硅红外抗反射层10。最后在P型焊盘和N型焊盘上方将二氧化硅红外抗反射层刻蚀出两个凹槽，裸露出焊盘，以备器件测试与器件封装测试。
本实用新型的制备方法如下：
1)对生长好的外延片进行RCA标准清洗，步骤如下：
(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，使得P+型层和N型层形成一倾斜圆台，深度约1.4～1.6μm，使N型层暴露出来，且圆台的斜面和水平面的夹角为θ，且夹角θ≤10°。
3)红外信号的透过窗口制备：采用ICP干法刻蚀与光刻工艺在圆台上对称地制备出5个可用于透过红外信号的窗口(面积约为探测器光敏面积的50％)，如图3所示，使红外信号能直接到达高纯4H-SiC衬底上。
4)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。
5)电极与焊盘的制备：采用光刻工艺，以光刻胶为保护层，用缓冲氢氟酸分别在台阶上表面的P层和台阶下方N型外延缓冲层上SiO2钝化层刻蚀出环形的P型电极区与N型电极区，然后通过磁控溅射工艺制备Ti/Ni/Al/Au薄膜金属，再经剥离工艺形成P型与N型接触电极，高温下退火后，最后形成良好的P型与N型欧姆接触。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，金属种类为Ti/Au。
6)红外抗反射层的制备：采用LPCVD方法在器件的正面和反面各生长一层700～800nm的二氧化硅红外抗反射层，为了将P型焊盘和N型焊盘裸露出来，以备器件测试与器件封装测试，在其上方将二氧化硅红外抗反射层刻蚀出两个凹槽直达焊盘。
上述6个步骤结束后，完成用于紫外红外双色探测的紫外光电探测器的研制，在实现高效紫外信号探测的同时，可保证足够强度的红外辐射信号通过用于紫外红外双色探测的紫外光电探测器被紧贴其后共轴的红外探测器接收，从而达到实现紫外红外双色探测的目的。
本实用新型公开了一种可用于紫外红外双色探测的4H-SiC紫外光电探测器及制备方法。探测器的芯片结构从下到上依次设计LPCVD生长的SiO2层、双抛高纯4H-SiC衬底、N型缓冲层、i型吸收层、P+型层、热氧化SiO2层、欧姆接触电极层和LPCVD生长的SiO2层。入射的短波紫外信号在i型吸收层被吸收转变为电子空穴对，在i型吸收层的耗尽层电场驱动下分离运动到器件的两端电极，在探测器外部负载中复合形成电信号。在完成对紫外信号良好探测的同时，为保证待测红外信号的透光率可达75％以上，采用了高纯偏轴4°的双抛4H-SiC衬底(其红外透射率接近70％)，此外还在探测器光敏面上刻蚀出约占探测器面积50％的红外入射通道，其深度直达衬底表面，用于红外信号的透射，保证有足够的红外信号可被紧贴在碳化硅紫外探测器下表面中心对准的红外探测器吸收并转化为电信号。此外，器件上下表面采用LPCVD生长的SiO2层可有效地提高红外信号抗反射和增透效果。从而实现了可用于紫外红外双色探测的紫外光电探测器。