一种高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高响应度低暗电流PIN结构的4H‑SiC紫外探测器及其制备方法，一种高响应度低暗电流PIN结构的4H‑SiC紫外探测器，在上电极和上电极4H‑SiC欧姆接触层之间设有氧等离子体处理的4H‑SiC欧姆接触层。上电极为Ti单层金属或含Ti多层金属复合结构。本发明专利技术高响应度低暗电流PIN结构的4H‑SiC紫外探测器克服了传统PIN结构4H‑SiC紫外探测器响应度低的缺点，在不增加器件的外延技术难度、器件制备复杂程度及成本的前提下，有效提升器件的灵敏度，并保持极低的暗电流水平。

【技术实现步骤摘要】
一种高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器及其制备方法
本专利技术涉及一种高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器及其制备方法，属于半导体光电子器件

技术介绍
紫外探测技术是继红外探测技术和激光探测技术后新兴的一种探测技术。紫外光(UV)探测在军事、民用、工业及科学研究等多个领域具有重要应用，如导弹尾羽监测和预警、非可视距紫外通讯、短距离紫外激光雷达、高压弧光放电、火焰检测、紫外固化、紫外杀菌消毒、天体物理研究、生物技术和材料科学研究等诸多军事、工业、民用、科学领域。常见的光电探测器结构有：金属-半导体-金属(MSM)结构、肖特基(Schottky)结构、PN/PIN结构、光电导结构、雪崩光电探测器(APD)结构。其中，MSM、Schottky结构的光电探测器器件结构简单，制备工艺简单，但是器件有效利用面积低，高温工作稳定性差，且无增益，响应度低，不适合弱光探测；PN/PIN结构的光电探测器具有暗电流低、量子效率高、高温工作稳定性优等优点，但是器件结构复杂，器件无增益，无法实现弱光信号的快速探测；光电导结构的光电探测器器件结构简单，具有增益，响应度高，但是光电导结构的光电探测器漏电高，响应速度慢，而且稳定性差；APD结构的光电探测器器件具有增益，响应度高，但器件复杂，且工作在高电场强度下，器件的增益对器件的内部电场极敏感，需对APD两端的电压进行精确控制，制备流程复杂。目前，常用于制备紫外探测的半导体材料是第一代半导体材料Si和第三代半导体材料GaN和SiC。其中，Si的禁带宽度为1.12eV，波段响应范围覆盖近红外-可见-紫外范围，对可见光具有强烈的响应，在用于紫外探测时，需使用价格昂贵、面积大的紫外滤光片，而且，Si材料对紫外具有强烈的吸收效果，导致Si探测器在紫外波段的量子效率极低，在制备紫外探测器时，需进行特殊的紫外增强型结构设计以及特殊工艺流程设计和改进。作为第三代半导体代表材料的GaN和SiC材料具有大禁带宽度、高电子漂移速度、高临界击穿场强、高热导率、化学稳定性优、对可见光无响应等优点，是制备紫外探测器的理想材料。与Si基紫外探测器相比，GaN和SiC基紫外探测器具有：1、更高的灵敏度；2、无需加装紫外滤光片，直接实现可见光盲特性，对可见光无响应；3、可在高温、强辐射等恶劣环境下工作。当前在紫外探测市场上，已出现商业化的GaN和SiC紫外探测器，其结构主要为PIN结构和Schottky结构。由于GaN材料生长技术原因，GaN晶体材料中缺陷密度较高，最终导致GaN紫外探测器的器件暗电流较高，抗静电击穿能力差、长期稳定性差等缺点，因此，市场上的GaN紫外探测器主要用在紫外线指数检测、紫外消毒等民用领域。对于SiC紫外探测器而言，得益于材料生长技术的快速发展及日趋成熟，SiC材料晶体质量高，缺陷密度低，因此，目前市场上的SiC紫外探测器具有暗电流低、稳定性优、以及超大尺寸等优良的性能；但由于SiC材料是间接带隙半导体，在UVA、UVB波段的紫外吸收系数低，因此其量子效率低于GaN紫外探测器，且市场上的SiC基PIN/Schottky结构的紫外探测器均为无增益结构，无法在高压弧光放电、非可视距紫外通讯、短距离紫外激光雷达、生物荧光等军事、工业和科学的高端领域实现应用。
技术实现思路
本专利技术提供一种高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器及其制备方法，目的是解决当前SiC基Schottky结构紫外探测器在低压工作时，响应度低、暗电流高、长期可靠性差的缺点，以及PN/PIN结构紫外探测器在低压工作时，响应度低的问题。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，在上电极和上电极4H-SiC欧姆接触层之间设有氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层。本申请高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，暗电流极低，与传统PIN结构4H-SiC紫外探测器数量级相当，高的响应度，峰值响应度>1A/W。为了进一步提高探测器的响应度，氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层的厚度为0.5-10nm。为了保持低暗电流的同时，获得高的响应度，优选，上电极为Ti单层金属或含Ti多层金属复合结构，当上电极为含Ti多层金属复合结构时，与氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层直接接触的为厚度为30-100nm的Ti层。申请人经研究发现，将4H-SiC表面用氧等离子体进行处理，并将金属Ti作为与氧等离子处理4H-SiC表面接触的金属层，由于4H-SiC表面经过氧等离子体处理后生成硅-氧键和碳-氧键，当Ti金属与氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层在后续的快速热退火过程中形成合金时，生成Ti-O键、Ti3SiC2和TiC化合物以及深能级态，这些深能级态可通过俘获电子或空穴，从而产生光电导增益，使4H-SiC紫外探测器在低工作电压下，保持低暗电流的同时，获得高的响应度。该紫外探测器的上电极可以是Ti单层金属，也可以是Ti/Al/Ni/Au/Pt等多种金属的复合结构，下电极是Ti、Al、Ni、Au、Pt金属中的一种或多种金属。为了进一步保证低暗电流和高响应度，上电极的厚度为0.1-1μm。上述高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器从上到下依次包括：钝化保护层、上电极(p型/n型)、氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层(p型/n型层)，上电极4H-SiC欧姆接触层(p型/n型重掺杂)，i型4H-SiC光子吸收层，下电极4H-SiC欧姆接触层(n型/p型重掺杂)，4H-SiC衬底(n型/p型)和下电极(n型/p型)。下电极为单层或多层金属复合结构，可与上电极接触金属构成相同，也可不同。为了保证器件的使用寿命，优选，上电极4H-SiC欧姆接触层的厚度为0.2-0.5μm，i型4H-SiC光子吸收层的厚度为0.5-5μm，下电极4H-SiC欧姆接触层的厚度为1-50μm，4H-SiC衬底的厚度为300-400μm，下电极的厚度为0.1-1μm。为了保证器件的综合性能，上电极4H-SiC欧姆接触层的平均掺杂浓度介于5×1017-2×1019cm-3之间，i型4H-SiC光子吸收层的平均掺杂浓度介于1×1014-1×1017cm-3之间，下电极4H-SiC欧姆接触层的掺杂浓度介于5×1017-2×1019cm-3之间，4H-SiC衬底的掺杂浓度介于5×1017-2×1019cm-3之间；钝化保护层所采用的材质为二氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝或氧化铪中的至少一种。为进一步优化提升PIN结构4H-SiC紫外探测器器件的综合性能，上电极欧姆金属在制备之前，先将上电极4H-SiC欧姆接触层表面用氧等离子体进行处理。为了进一步提高器件的响应度，氧等离子体进行处理时，氧气气体流量为5-50sccm，RF(射频)功率10-200W，处理时间30-180秒。为了进一步提高响应度、降低暗电流，优选，上电极的合金化温度为300-900摄氏度，退火时间为1-5分钟，退火氛围为氮气、氩气等惰性气体氛围或真空环境。其它制备参照现有技术。本专利技术未提及的技术均参照现有技术。本专利技术高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，改进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高响应度低暗电流PIN结构的4H‑SiC紫外探测器，其特征在于：在上电极和上电极4H‑SiC欧姆接触层之间设有氧等离子体处理的4H‑SiC欧姆接触层。

【技术特征摘要】
1.一种高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，其特征在于：在上电极和上电极4H-SiC欧姆接触层之间设有氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层。2.如权利要求1所述的高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，其特征在于：氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层的厚度为0.5-10nm。3.如权利要求1或2所述的高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，其特征在于：上电极为Ti单层金属或含Ti多层金属复合结构，当上电极为含Ti多层金属复合结构时，与氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层直接接触的为厚度为30-100nm的Ti层。4.如权利要求3所述的高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，其特征在于：上电极的厚度为0.1-1μm。5.如权利要求1或2所述的高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，其特征在于：从上到下依次包括：钝化保护层、上电极、氧等离子体处理的4H-SiC欧姆接触层、上电极4H-SiC欧姆接触层、i型4H-SiC光子吸收层、下电极4H-SiC欧姆接触层、4H-SiC衬底和下电极。6.如权利要求5所述的高响应度低暗电流PIN结构的4H-SiC紫外探测器，其特征在于：上电极4H-SiC欧姆接触层的厚度为0.2-0.5μm，i型4H-SiC...

【专利技术属性】
技术研发人员：周东，陆海，苏琳琳，徐尉宗，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32