具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器及制备方法技术

具有球冠结构的4H‑SiC紫外光电探测器及制备方法，紫外光电探测器采用p‑i‑n结构，在高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H‑SiC衬底上，依次生长N型缓冲层和i型吸收层，在i型吸收层形成弧形倾斜台面，形成球冠状i型吸收层表面；注入和高温退火激活工艺在球冠状i型吸收层上表面形成P+型层；然后通过热氧化方法在P+型层的表面生长二氧化硅钝化层；通过光刻工艺、ICP刻蚀工艺和剥离工艺在P+型层的二氧化硅钝化层上刻蚀出P型环状电极窗口并采用磁控溅射工艺形成P型电极；刻蚀背面高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H‑SiC衬底，并采用磁控溅射工艺形成N型电极，从而制成具有球冠结构的4H‑SiC紫外光电探测器。

4H-SiC ultraviolet photodetector with spherical cap structure and its preparation method

The 4H_SiC ultraviolet photodetector with spherical crown structure and its preparation method are described. The ultraviolet photodetector adopts p_i_n structure. The double-parabolic N+type 4H_SiC substrate with high doping offset axis of 4 degrees is successively grown into N-type buffer layer and type I absorption layer. The curved inclined mesa is formed i n the type I absorption layer and the spherical crown type I absorption layer is implanted into the surface. P+ type layer was formed on the surface of spherical coronal type I absorbing layer by high temperature annealing activation process, and then silicon dioxide passivation layer was grown on the surface of P+ type absorbing layer by thermal oxidation method. The P-type electrode was formed by magnetron sputtering, and the double-thrown N+type 4H_SiC substrate with a high doping bias of 4 degrees on the back was etched, and the N-type electrode was formed by magnetron sputtering. The 4H_SiC ultraviolet photodetector with a spherical crown structure was fabricated.

【技术实现步骤摘要】
具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器及制备方法
本专利技术涉及半导体光电探测器件，尤其是涉及具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器及制备方法。
技术介绍
紫外光是自然界中很强的一种电磁波，对大多数有机物和无机物都能产生强烈的影响，所以其广泛的被用于军事、卫生、工业、农业、环保等诸多领域。相应的，紫外光探测器件及产品也受到了全球各国的重视，拥有巨大的市场需求。举例来说，做成阵列的紫外光探测器可以用在导弹的精确制导、导弹的提前预警等方面，具有高灵敏度的紫外光探测器在环境监测、食品消毒等方面也起到极为重要的作用。目前，紫外光电倍增管(PMT)拥有成熟的技术和优异的紫外光探测性质，所以被广泛的应用于当今大多数的紫外光探测领域。然而，其固有的缺点，即大体积、已破损、需高压、难操作等等，在当下这个追求小型化、集成化、便携化的时代下已经越来越凸显，促使人们寻找一种既满足高灵敏度、高信噪比、高速度、高光谱选择性、高稳定性的要求，又满足小型尺寸易于集成，简单操作易于搭载，性能稳定不易干扰的新型紫外光探测器。随着半导体技术的迅猛发展，半导体紫外光电探测器应运而生。4H-SiC作为第三代宽禁带半导体的重要材料之一，用它制作的4H-SiC紫外光电探测器不仅具有以上所述的所有优点，而且还拥有更多的优秀特点([1]HuiliZhu,XiapingChen,JiafaCai,ZhengyunWu,4H–SiCultravioletavalanchephotodetectorswithlowbreakdownvoltageandhighgain[J].Solid-StateElectronics,2009,Vol.53:7-10)。(1)4H-SiC作为宽禁带半导体，室温下其禁带宽度约为3.26eV，这意味着做出来的光电探测器为“可见光盲”型，拥有极高的紫外/可见光抑制比。(2)在探测峰值波长(280nm)附近，4H-SiC的穿透深度约为1μm，保证了光信号的充分吸收，使其光电探测器拥有较高的量子效率。(3)4H-SiC本征载流子浓度极低，保证了4H-SiC紫外光电探测器拥有极低的漏电流。(4)4H-SiC优良的晶体结构，使得4H-SiC紫外光电探测器能在高辐射、高温等极端条件下正常工作。(5)4H-SiC拥有自己的衬底，只需进行掺杂即可得到p型和n型，大大降低了因为异质外延所带来的晶格失配。p-i-n结构的4H-SiC紫外光电探测器拥有光电响应度高、响应速度快，无光电导增益等优点([2]XiapingChen,HuiliZhu,JiafaCai,ZhengyunWu,High-performance4H-SiC-basedultravioletp-i-nphotodetector[J],J.Appl.Phys.,2007,102:024505)。但是，现在绝大多数4H-SiC紫外光电探测器均采用平面层状结构，此种结构拥有指向性检测的特点，即对于垂直入射的紫外光拥有很好的检测效果，但是对于斜入射的紫外光，其倾斜角度导致的界面反射、i型吸收层厚度相对改变等意外情况，势必会影响其量子效率。因此，设计一种具有较弱检测指向性的PIN型4H-SiC紫外光电探测器结构，对于4H-SiC紫外光电探测器的应用具有重要意义。考虑到入射角度变化的不确定性，具有球冠状结构的4H-SiC紫外光电探测器是最好的解决方案。球冠结构使得探测器既能吸收垂直入射的紫外光信号，又能减小倾斜入射情况下的界面反射，此外，球冠状结构可相对增大光敏面的面积和入射光的吸收角度，从而整体上提高了紫外光电探测器的探测性能。所以，具有球冠状结构的4H-SiC紫外光电探测器对于提高4H-SiC紫外光电探测器的探测性能拥有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器及其制备方法。所述具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器采用p-i-n结构，在高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H-SiC衬底上，采用物理气相传输法同质外延依次生长N型缓冲层和i型吸收层，在i型吸收层上进行多次刻蚀并形成一系列弧形倾斜台面，最后形成球冠状i型吸收层表面；通过高温离子注入和高温退火激活工艺在球冠状i型吸收层上表面形成P+型层；然后通过热氧化方法在P+型层的表面生长二氧化硅钝化层；通过光刻工艺、ICP刻蚀工艺和剥离工艺在P+型层的二氧化硅钝化层上刻蚀出P型环状电极窗口并采用磁控溅射工艺形成P型电极；刻蚀背面高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H-SiC衬底，并采用磁控溅射工艺形成N型电极，从而制成具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器。所述N型缓冲层的厚度可为0.5μm、掺杂浓度可为5×1018/cm3；所述i型吸收层的厚度可为4.0～6.0μm、掺杂浓度可为1×1015/cm3。所述P+型层可为球壳状结构，P+型层上的二氧化硅钝化层为球壳状结构。从而整体上提高4H-SiC紫外光电探测器的探测性能i型吸收层上表面球冠状结构直径可为50～200μm，球冠的最高高度可为4～6μm。所述具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器的制备方法包括以下步骤：1)对样品，即高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H-SiC衬底及表面上已经外延生长好的i型吸收层，进行RCA标准清洗；2)制备球冠状i型吸收层；在步骤2)中，所述制备球冠状i型吸收层的具体方法可为：结合曝光面积渐变的多光刻版厚胶光刻显影技术和ICP刻蚀技术，对样品的i型吸收层进行不同范围多次的刻蚀，形成一系列弧形台面，最后形成球冠状i型吸收层表面。3)制备P+型层；在步骤3)中，所述制备P+型层的具体方法可为：采用高温离子注入工艺和高温退火激活工艺，在球冠状i型吸收层上表面形成厚度约为0.2μm的均匀掺杂P+型层。4)制备二氧化硅钝化层；在步骤4)中，所述制备二氧化硅钝化层的具体方法可为：使用RCA标准清洗去除样品表面杂质，采用干氧、湿氧和干氧交替氧化，生长一层氧化层作为牺牲层；将生长好牺牲层的样品放入缓冲氢氟酸中腐蚀，去除牺牲层；采用干氧、湿氧、干氧和氮气交替氧化，生长厚度约为60nm的热氧化二氧化硅钝化层。5)制备P型电极与N型电极，得具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器。在步骤5)中，所述制备P型电极与N型电极的具体方法可为：采用光刻工艺，对5241E光刻胶进行曝光显影，使用缓冲氢氟酸腐蚀形成P型环状电极窗口，采用磁控溅射在P型环状电极窗口溅射一层Ti/Ni/Ti/Au作为P型电极；之后，在样品正面(i型吸收层上表面方向)制备一层光刻胶用于保护隔离，使用缓冲氢氟酸腐蚀背面高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H-SiC衬底，采用磁控溅射在背面高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H-SiC衬底上溅射一层Ti/Au作为N型电极；使用丙酮将用于保护隔离的光刻胶清洗掉，并经退火工艺，使样品的P型电极和N型电极分别与P+型层和背面高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H-SiC衬底形成良好的欧姆接触。在步骤1)和4)中，所述RCA标准清洗的具体步骤可为：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、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4m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有球冠结构的4H‑SiC紫外光电探测器，其特征在于采用p‑i‑n结构，在高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H‑SiC衬底上，依次生长N型缓冲层和i型吸收层，在i型吸收层上形成一系列弧形倾斜台面，最后形成球冠状i型吸收层表面；在球冠状i型吸收层上表面形成P+型层；然后在P+型层的表面生长二氧化硅钝化层；在P+型层的二氧化硅钝化层上刻蚀出P型环状电极窗口并形成P型电极；刻蚀背面高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H‑SiC衬底，形成N型电极，从而制成具有球冠结构的4H‑SiC紫外光电探测器。

【技术特征摘要】
1.具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于采用p-i-n结构，在高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H-SiC衬底上，依次生长N型缓冲层和i型吸收层，在i型吸收层上形成一系列弧形倾斜台面，最后形成球冠状i型吸收层表面；在球冠状i型吸收层上表面形成P+型层；然后在P+型层的表面生长二氧化硅钝化层；在P+型层的二氧化硅钝化层上刻蚀出P型环状电极窗口并形成P型电极；刻蚀背面高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H-SiC衬底，形成N型电极，从而制成具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器。2.如权利要求1所述具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于所述在高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H-SiC衬底上，采用物理气相传输法同质外延依次生长N型缓冲层和i型吸收层。3.如权利要求1所述具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于所述在球冠状i型吸收层上表面形成P+型层是通过高温离子注入和高温退火激活工艺在球冠状i型吸收层上表面形成P+型层；所述在P+型层的表面生长二氧化硅钝化层是通过热氧化方法在P+型层的表面生长二氧化硅钝化层。4.如权利要求1所述具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于在P+型层的二氧化硅钝化层上刻蚀出P型环状电极窗口是通过光刻工艺、ICP刻蚀工艺和剥离工艺在P+型层的二氧化硅钝化层上刻蚀出P型环状电极窗口。5.如权利要求1所述具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于所述N型缓冲层的厚度为0.5μm、掺杂浓度为5×1018/cm3；所述i型吸收层的厚度为4.0～6.0μm、掺杂浓度为1×1015/cm3。6.如权利要求1所述具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器，其特征在于所述P+型层为球壳状结构，P+型层上的二氧化硅钝化层为球壳状结构；i型吸收层上表面球冠状结构直径为50～200μm，球冠的最高高度为4～6μm。7.如权利要求1～6所述具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)对样品，即高掺杂偏轴4°的双抛N+型4H-SiC衬底及表面上已经外延生长好的i型吸收层，进行RCA标准清洗；2)制备球冠状i型吸收层；3)制备P+型层；4)制备二氧化硅钝化层；5)制备P型电极与N型电极，得具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器。8.如权利要求7所述具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器的制备方法，其特征在于在步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪荣墩，吴俊慷，吴正云，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35