CN102931272A - 一种具有增益的紫外探测器结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SiC的具有增益的紫外探测器及其制备方法，该紫外探测器包括：半绝缘SiC衬底；在该半绝缘SiC衬底上外延生长的p型缓冲SiC外延层；在该p型缓冲SiC外延层上外延生长的n型SiC外延层；在该n型SiC外延层上外延生长的n+型SiC外延层；部分刻蚀该n+型SiC外延层至露出该n型SiC外延层从而在该n型SiC外延层表面形成的条状凹栅区；在该条状凹栅区两侧未被刻蚀的该n+型SiC外延层上形成的源漏区欧姆接触源极和漏极；在该条状凹栅区上形成的透明肖特基势垒栅极；以及在欧姆接触源极、漏极与透明肖特基势垒栅极之间形成的钝化介质层。本发明提出的SiC紫外探测器结构，不需加高的偏置电压就可以获得较高的增益，并能够避免由于雪崩引起的额外噪声。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种基于SiC的具有增益的紫外探测器结构及其制备方法。
背景技术
紫外探测技术是近50年来新发展起来的一项技术，在军事和民用等领域具有广泛而重要的应用，因而成为国内外研究开发的重点课题。对于军事方面，紫外探测器在紫外对抗与反对抗技术、紫外制导及预警***、紫外保密通讯等领域发挥了重要应用；对于民事方面，紫外探测器可用于如火焰探测、刑事侦查、天文观测、医疗保健等日常生产、生活等众多领域。
宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金钢石(C)等，由于其较宽的带隙，能够在很强的可见及红外线背景下检测200～380nm波段的紫外光，同时具有耐高温及高效、高可靠性的特点，是理想的制备紫外光电探测器的材料。目前，用来制备紫外探测器较为成熟的材料是GaN、SiC。其中，SiC材料作为光电探测器的优势包括：(1)SiC材料自身有衬底，且随着SiC材料在功率器件方面的快速发展和应用，其材料质量相对较高，其缺陷密度远低于GaN的缺陷密度，因而有利于制备大面积光电器件。(2)SiC是可以在其上直接热氧生成高质量的SiO2的化合物半导体材料，其热氧形成的SiO2作为钝化层，可降低器件表面的漏电流。(3)由于SiC材料在功率器件方面巨大的应用前景，SiC器件的相关制备工艺发展较快。这些因素为SiC作为制备紫外光电探测器的材料提供了良好的基础。
目前，SiC材料的研究主要集中在带隙较宽的4H-SiC材料上。基于SiC的紫外探测器，常见的结构有肖特基(Schootky)光电二极管、p-i-n光电二极管、金属-半导体-金属(MSM)光电探测器和雪崩光电二极管(APD)等。其中，Schottky、p-i-n和MSM结构的SiC光电探测器，其制备工艺相对简单，具有较低的工作偏压，但都没有内部增益，对微弱光信号的响应度很低，无法满足对微弱紫外光信号的探测需求，使其应用受到一定的限制。
与其它结构的探测器相比，4H-SiC紫外APD器件，利用雪崩倍增机制实现内部增益和光电流放大，灵敏度高、响应速度快，适合进行紫外微弱信号的探测。4H-SiC材料的APD紫外探测器的特点是，在工作中能够实现高的增益，但在使用时需加高的偏置电压，这会给器件带来较高的噪声，降低器件的信噪比；并且为了提高器件的击穿电压，往往需要在器件结构中加入结终端设计，这增加了器件的制备工艺难度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种紫外光探测器及其制备方法，以在不需要高的偏置电压下实现光增益，并避免器件中较高的雪崩噪声。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于SiC的具有增益的紫外探测器，该紫外探测器包括：半绝缘SiC衬底；在该半绝缘SiC衬底上外延生长的p型缓冲SiC外延层；在该p型缓冲SiC外延层上外延生长的n型SiC外延层；在该n型SiC外延层上外延生长的n+型SiC外延层；部分刻蚀该n+型SiC外延层至露出该n型SiC外延层从而在该n型SiC外延层表面形成的条状凹栅区；在该条状凹栅区两侧未被刻蚀的该n+型SiC外延层上形成的源漏区欧姆接触源极和漏极；在该条状凹栅区上形成的透明肖特基势垒栅极；以及在欧姆接触源极、漏极与透明肖特基势垒栅极之间形成的钝化介质层。
上述方案中，所述半绝缘SiC衬底厚度为300～400nm；所述p型缓冲SiC外延层厚度为0.5～2μm；所述n型SiC外延层厚度为0.2～0.4μm；所述n+型SiC外延层厚度为0.1～0.2μm。
上述方案中，所述p型缓冲SiC外延层，掺杂浓度为1×1015～5×1015cm-3；所述n型SiC外延层，掺杂浓度为1×1017～3.5×1017cm-3；所述n+型SiC外延层，掺杂浓度为大于1×1019cm-3。
为达到上述目的，本发明还提供了一种基于SiC的具有增益的紫外探测器的制备方法，该方法包括：
步骤10、在半绝缘SiC衬底上依次生长p型缓冲SiC外延层、n型SiC外延层和n+型SiC外延层；
步骤20、利用SiC的ICP刻蚀工艺，对器件进行隔离；
步骤30、利用SiC的ICP刻蚀工艺，部分刻蚀该n+型SiC外延层至露出该n型SiC外延层，从而在该n型SiC外延层表面形成条状凹栅区；
步骤40、在该条状凹栅区两侧未被刻蚀的该n+型SiC外延层上形成源漏区的欧姆接触源极和漏极；
步骤50、通过PECVD的方法，在器件表面淀积钝化层SiN；
步骤60、在n型SiC外延层的凹栅区表面制备透明肖特基金属栅；
步骤70、对器件电极进行加厚。
上述方案中，所述步骤10包括：
步骤101、在厚度为300～400nm的半绝缘SiC衬底正面利用CVD方法外延生长p型缓冲SiC外延层，该p型缓冲SiC外延层的掺杂浓度为1×1015～5×1015cm-3，厚度为0.5～2μm；
步骤102、在p型缓冲SiC外延层上生长n型SiC外延层，该n型SiC外延层的掺杂浓度为1×1017～3.5×1017cm-3，厚度为0.2～0.4μm；
步骤103、在n型SiC外延层上生长n+型SiC外延层，该n+型SiC外延层的掺杂大于1×1019cm-3，厚度为0.1～0.2μm。
上述方案中，所述步骤20包括：
步骤201、使用正胶9920光刻胶制作刻蚀掩膜层，厚度2μm；
步骤202、利用ICP刻蚀机刻蚀SiC外延层至p型SiC外延层。
上述方案中，步骤202中所述利用ICP刻蚀机刻蚀n+型SiC外延层，刻蚀工艺条件为：RF：50W，LF：300W，CHF3：20sccm，C2H4：3sccm，压强：10mTorr，刻蚀时间约6分钟。
上述方案中，所述步骤30包括：
步骤301、使用正胶9920光刻胶制作刻蚀掩膜层，厚度2μm；
步骤302、利用ICP刻蚀机刻蚀n+型SiC外延层，直至露出该n型SiC外延层，在该n型SiC外延层表面形成条状凹栅区。
上述方案中，步骤302中所述利用ICP刻蚀机刻蚀n+型SiC外延层，刻蚀工艺条件为：RF：50W，LF：300W，CHF3：20sccm，C2H4：3sccm，压强：10mTorr，刻蚀时间40秒～80秒。
上述方案中，所述步骤40包括：
步骤401、在器件表面旋涂光刻胶，通过光刻形成源、漏区欧姆接触图形；
步骤402、利用磁控溅射技术生长Ni金属，剥离形成源、漏区金属；
步骤403、在900℃至1000℃温度范围内，在真空环境或惰性气体氛围中对源、漏区金属进行快速热退火，形成n+型SiC层上源、漏区的欧姆接触源极和漏极。
上述方案中，所述步骤60包括：
步骤601、在器件表面旋涂光刻胶，通过光刻形成肖特基金属栅图形，利用ICP刻蚀技术开SiN窗口；
步骤602、采用电子束蒸发生长透明Ni金属，剥离后，在n型SiC外延层的凹栅区形成肖特基金属栅。
上述方案中，所述步骤70包括：
步骤701、在器件表面旋涂光刻胶，通过光刻形成电极加厚图形，利用ICP刻蚀技术开SiN窗口；
步骤702、采用电子束蒸发生长Ti/Al，剥离后，完成器件电极加厚。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种基于SiC的紫外光探测器结构，当紫外光辐射在肖特基结时，由于光照作用形成的光生电子-空穴对在肖特基结的电场作用下移动，形成光生电压，调制了源、漏极之间的电导，从而实现对紫外光信号的进行探测和放大。因此，本发明提供的紫外探测器结构，可以在不需加高偏压的情况下，实现信号增益，同时能够避免APD结构的器件中较高的雪崩噪声。
2、本发明提供的这种基于SiC紫外光探测器的制备方法，能够充分利用SiC材料在MESFET功率器件方面的成熟的工艺基础，降低本发明器件的制备工艺难度。
附图说明
图1为依照本发明实施例的基于SiC的具有增益的紫外探测器的结构示意图；
图2为依照本发明实施例的基于SiC的具有增益的紫外探测器的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为依照本发明实施例的基于SiC的具有增益的紫外探测器的结构示意图，该紫外探测器包括：半绝缘SiC衬底；在该半绝缘SiC衬底上外延生长的p型缓冲SiC外延层；在该p型缓冲SiC外延层上外延生长的n型SiC外延层；在该n型SiC外延层上外延生长的n+型SiC外延层；部分刻蚀该n+型SiC外延层至露出该n型SiC外延层从而在该n型SiC外延层表面形成的条状凹栅区；在该条状凹栅区两侧未被刻蚀的该n+型SiC外延层上形成的源漏区欧姆接触源极和漏极；在该条状凹栅区上形成的透明肖特基势垒栅极；以及在欧姆接触源极、漏极与透明肖特基势垒栅极之间形成的钝化介质层。
其中，所述肖特基势垒栅极形成于所述n型SiC外延层上的条状凹栅区中，源极和漏极分别形成于所述n+型SiC外延层上，且各电极之间进一步设有钝化介质层。当紫外光辐射在器件的肖特基结表面上时，由于光照的作用形成的光生电子-空穴对在肖特基结内的电场的作用移动，形成光生电压，其效果等效于在栅极的肖特基结上施加了偏压，从而对源、漏电极之间的电导产生调制作用，完成对紫外光信号的探测及放大作用。
所述半绝缘SiC衬底厚度为300～400nm；所述p型缓冲SiC外延层厚度为0.5～2μm；所述n型SiC外延层厚度为0.2～0.4μm；所述n+型SiC外延层厚度为0.1～0.2μm。所述p型缓冲SiC外延层，掺杂浓度为1×1015～5×1015cm-3；所述n型SiC外延层，掺杂浓度为1×1017～3.5×1017cm-3；所述n+型SiC外延层，掺杂浓度为大于1×1019cm-3。
图2为本发明实施例基于SiC具有增益的紫外探测器的制备方法流程图。该方法可制作图1所示的SiC紫外探测器，包括以下步骤：
步骤10、在半绝缘SiC衬底上依次生长p型缓冲SiC外延层、n型SiC外延层和n+型SiC外延层；该步骤具体如下：
步骤101、在厚度为300～400nm的半绝缘SiC衬底正面利用CVD方法外延生长p型缓冲SiC外延层，该p型缓冲SiC外延层的掺杂浓度为1×1015～5×1015cm-3，厚度为0.5～2μm；
步骤102、在p型缓冲SiC外延层上生长n型SiC外延层，该n型SiC外延层的掺杂浓度为1×1017～3.5×1017cm-3，厚度为0.2～0.4μm；
步骤103、在n型SiC外延层上生长n+型SiC外延层，该n+型SiC外延层的掺杂大于1×1019cm-3，厚度为0.1～0.2μm。
步骤20、利用SiC的ICP刻蚀工艺，对器件进行隔离；该步骤具体如下：
步骤201、使用正胶9920光刻胶制作刻蚀掩膜层。厚度2μm；
步骤202、利用ICP刻蚀机刻蚀SiC外延层至p型SiC外延层。刻蚀工艺条件为：RF：50W，LF：300W，CHF3：20sccm，C2H4：3sccm压强：10mTorr，刻蚀时间约6分钟。
步骤30、利用SiC的ICP刻蚀工艺，部分刻蚀该n+型SiC外延层至露出该n型SiC外延层，从而在该n型SiC外延层表面形成条状凹栅区；该步骤具体如下：
步骤301、使用正胶9920光刻胶制作刻蚀掩膜层，厚度2μm；
步骤302、利用ICP刻蚀机刻蚀n+型SiC外延层，刻蚀工艺条件为：RF：50W，LF：300W，CHF3：20sccm，C2H4：3sccm，压强：10mTorr，刻蚀时间40秒～80秒，直至露出该n型SiC外延层，在该n型SiC外延层表面形成条状凹栅区。
步骤40、在该条状凹栅区两侧未被刻蚀的该n+型SiC外延层上形成源漏区的欧姆接触源极和漏极；该步骤具体如下：
步骤401、在器件表面旋涂光刻胶，通过光刻形成源、漏区欧姆接触图形；
步骤402、利用磁控溅射技术生长Ni金属，剥离形成源、漏区金属；
步骤403、在900℃～1000℃温度范围内，在真空环境或惰性气体氛围中对源、漏区金属进行快速热退火，形成n+型SiC层上源、漏区的欧姆接触源极和漏极。
步骤50、通过PECVD的方法，在器件表面淀积钝化层SiN；
步骤60、在n型SiC外延层的凹栅区表面制备透明肖特基金属栅；该步骤具体如下：
步骤601、在器件表面旋涂光刻胶，通过光刻形成肖特基金属栅图形，利用ICP刻蚀技术开SiN窗口；
步骤602、采用电子束蒸发生长透明Ni金属，剥离后，在n型SiC外延层的凹栅区形成肖特基金属栅。
步骤70、对器件电极进行加厚。该步骤具体如下：
步骤701、在器件表面旋涂光刻胶，通过光刻形成电极加厚图形，利用ICP刻蚀技术开SiN窗口；
步骤702、采用电子束蒸发生长Ti/Al，剥离后，完成器件电极加厚。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于SiC的具有增益的紫外探测器，其特征在于，该紫外探测器包括：
半绝缘SiC衬底；
在该半绝缘SiC衬底上外延生长的p型缓冲SiC外延层；
在该p型缓冲SiC外延层上外延生长的n型SiC外延层；
在该n型SiC外延层上外延生长的n+型SiC外延层；
部分刻蚀该n+型SiC外延层至露出该n型SiC外延层从而在该n型SiC外延层表面形成的条状凹栅区；
在该条状凹栅区两侧未被刻蚀的该n+型SiC外延层上形成的源漏区欧姆接触源极和漏极；
在该条状凹栅区上形成的透明肖特基势垒栅极；以及
在欧姆接触源极、漏极与透明肖特基势垒栅极之间形成的钝化介质层。
2.根据权利要求1所述的基于SiC的具有增益的紫外探测器，其特征在于，所述半绝缘SiC衬底厚度为300～400nm；所述p型缓冲SiC外延层厚度为0.5～2μm；所述n型SiC外延层厚度为0.2～0.4μm；所述n+型SiC外延层厚度为0.1～0.2μm。
3.根据权利要求1所述的基于SiC的具有增益的紫外探测器，其特征在于，所述p型缓冲SiC外延层，掺杂浓度为1×1015～5×1015cm-3；所述n型SiC外延层，掺杂浓度为1×1017～3.5×1017cm-3；所述n+型SiC外延层，掺杂浓度为大于1×1019cm-3。
4.一种基于SiC的具有增益的紫外探测器的制备方法，其特征在于，该方法包括：
步骤10、在半绝缘SiC衬底上依次生长p型缓冲SiC外延层、n型SiC外延层和n+型SiC外延层；
步骤20、利用SiC的ICP刻蚀工艺，对器件进行隔离；
步骤30、利用SiC的ICP刻蚀工艺，部分刻蚀该n+型SiC外延层至露出该n型SiC外延层，从而在该n型SiC外延层表面形成条状凹栅区；
步骤40、在该条状凹栅区两侧未被刻蚀的该n+型SiC外延层上形成源漏区的欧姆接触源极和漏极；
步骤50、通过PECVD的方法，在器件表面淀积钝化层SiN；
步骤60、在n型SiC外延层的凹栅区表面制备透明肖特基金属栅；
步骤70、对器件电极进行加厚。
5.根据权利要求4所述的基于SiC的具有增益的紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤10包括：
步骤101、在厚度为300～400nm的半绝缘SiC衬底正面利用CVD方法外延生长p型缓冲SiC外延层，该p型缓冲SiC外延层的掺杂浓度为1×1015～5×1015cm-3，厚度为0.5～2μm；
步骤102、在p型缓冲SiC外延层上生长n型SiC外延层，该n型SiC外延层的掺杂浓度为1×1017～3.5×1017cm-3，厚度为0.2～0.4μm；
步骤103、在n型SiC外延层上生长n+型SiC外延层，该n+型SiC外延层的掺杂大于1×1019cm-3，厚度为0.1～0.2μm。
6.根据权利要求4所述的基于SiC的具有增益的紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤20包括：
步骤201、使用正胶9920光刻胶制作刻蚀掩膜层，厚度2μm；
步骤202、利用ICP刻蚀机刻蚀SiC外延层至p型SiC外延层。
7.根据权利要求6所述的基于SiC的具有增益的紫外探测器的制备方法，其特征在于，步骤202中所述利用ICP刻蚀机刻蚀SiC外延层，刻蚀工艺条件为：RF：50W，LF：300W，CHF3：20sccm，C2H4：3sccm，压强：10mTorr，刻蚀时间6分钟。
8.根据权利要求4所述的基于SiC的具有增益的紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤30包括：
步骤301、使用正胶9920光刻胶制作刻蚀掩膜层，厚度2μm；
步骤302、利用ICP刻蚀机刻蚀n+型SiC外延层，直至露出该n型SiC外延层，在该n型SiC外延层表面形成条状凹栅区。
9.根据权利要求8所述的基于SiC的具有增益的紫外探测器的制备方法，其特征在于，步骤302中所述利用ICP刻蚀机刻蚀n+型SiC外延层，刻蚀工艺条件为：RF：50W，LF：300W，CHF3：20sccm，C2H4：3sccm，压强：10mTorr，刻蚀时间40秒～80秒。
10.根据权利要求4所述的基于SiC的具有增益的紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤40包括：
步骤401、在器件表面旋涂光刻胶，通过光刻形成源、漏区欧姆接触图形；
步骤402、利用磁控溅射技术生长Ni金属，剥离形成源、漏区金属；
步骤403、在900℃至1000℃温度范围内，在真空环境或惰性气体氛围中对源、漏区金属进行快速热退火，形成n+型SiC层上源、漏区的欧姆接触源极和漏极。
11.根据权利要求4所述的基于SiC的具有增益的紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤60包括：
步骤601、在器件表面旋涂光刻胶，通过光刻形成肖特基金属栅图形，利用ICP刻蚀技术开SiN窗口；
步骤602、采用电子束蒸发生长透明Ni金属，剥离后，在n型SiC外延层的凹栅区形成肖特基金属栅。
12.根据权利要求4所述的基于SiC的具有增益的紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤70包括：
步骤701、在器件表面旋涂光刻胶，通过光刻形成电极加厚图形，利用ICP刻蚀技术开SiN窗口；
步骤702、采用电子束蒸发生长Ti/Al，剥离后，完成器件电极加厚。
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