一种垂直结构TiN增强型4H-SiC基宽谱光电探测器及制备方法技术

本发明专利技术属于半导体光电探测器领域，公开了一种垂直结构TiN增强型4H

【技术实现步骤摘要】
一种垂直结构TiN增强型4H
‑
SiC基宽谱光电探测器及制备方法


[0001]本专利技术属于半导体光电探测器领域，具体涉及一种垂直结构TiN增强型4H
‑
SiC基宽谱光电探测器及制备方法。

技术介绍

[0002]基于硅、锗、III族砷化物、硫化铅等传统半导体材料制成的光电探测器在光纤通信、激光测距、工业控制、导弹制导、红外传感等领域中得到了广泛地应用。然而，这些传统半导体材料制成的光电器件无法工作在极端环境下。碳化硅(SiC)是一种宽带隙半导体材料，具有物理与化学性质稳定、内部键能大、本征载流子浓度低、平均电离能高、临界位移能高等优点。相比于传统半导体材料制成的器件，SiC基器件更适用于高温、强辐射、化学成分复杂等极端环境下。已经报道的SiC光电探测器多数制作在4H
‑
SiC衬底上，这是因为高晶体质量的4H
‑
SiC基底已实现了晶圆级的大规模制造。遗憾的是，受到带隙的限制，4H
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SiC光电探测器无法对光子能量大于其带隙的可见光或近红外光做出响应，这在一定程度上限制了它们的应用。2021年，崔艳霞等人公开了一项名称为《一种碳化硅基全谱响应光电探测器及其制备方法》的专利(公开号:CN 113013278 A)，该光电探测器通过在具有水平结构的金属
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半导体
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金属型4H
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SiC光电探测器中，引入由金、银、钛、镍、钯或镉所构成的纳米颗粒结构，以激发表面等离激元效应，通过热载流子原理实现光电探测器的全光谱探测。然而，上述水平结构4H
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SiC基宽谱响应光电探测器的两个功能电极被制作在同一个平面上，与读出电路的兼容性差，而且环境耐受能力不强，在极端环境下的稳定性较差，不匹配SiC的极端环境耐受能力，因此无法得到广泛应用。

技术实现思路

[0003]本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种垂直结构TiN增强型4H
‑
SiC基宽谱光电探测器及制备方法，以提高光电探测器极端环境耐受力以及其与读出电路的兼容性。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种垂直结构TiN增强型4H
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SiC基宽谱光电探测器，包括：自上而下依次设置的顶电极层、TiN
‑
NCCs层、半导体层、Al2O3层和底电极层，所述顶电极层为半透明金属电极，TiN
‑
NCCs层为TiN材料形成的TiN纳米凸起在半导体层表面周期性排布形成，半导体层为4H
‑
SiC基底，底电极层为不透光金属电极。
[0005]所述TiN
‑
NCCs层中，最高处的高度为40nm
±
5nm，最低处的高度为0
‑
20nm，TiN
‑
NCCs层中相邻TiN纳米凸起之间的间隔为100nm
±
10nm，TiN纳米凸起在结构中的占空比为80％
±
10％。
[0006]所述顶电极层为TiN，所述底电极材料为Al。
[0007]所述半导体层的厚度为100～1000μm，顶电极层的厚度为15nm
±
5nm，底电极的厚度为100nm
±
20nm。
[0008]4H
‑
SiC基底为半绝缘型，其电阻率为1e13ohm
·
cm～1e15ohm
·
cm。
[0009]所述Al2O3层的厚度为0.6nm
±
0.06nm。
[0010]此外，本专利技术还提供了所述的一种垂直结构TiN增强型4H
‑
SiC基宽谱光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0011]S1、对4H
‑
SiC基底进行清洗；
[0012]S2、利用PS纳米球自组装法，利用PS纳米球悬浊液，在4H
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SiC基底的一面制作PS纳米球单层排布层，PS纳米球在4H
‑
SiC基底的一面上呈中心填充的六角密排结构；然后利用反应离子刻蚀法，对PS纳米球单层排布层进行刻蚀，得到排布好的PS纳米球阵列；
[0013]S3、利用磁控溅射法，在4H
‑
SiC基底上排布好PS纳米球阵列的一面上制作TiN薄膜层；然后将其放入甲苯溶液，使4H
‑
SiC基底上的PS纳米球阵列和阵列上方的TiN薄膜层腐蚀掉，得到TiN
‑
NCCs层；
[0014]S4、利用磁控溅射法，在TiN
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NCCs层上方继续制作顶电极；
[0015]S5、利用原子层沉积法，在制作好顶电极的器件基础上，将样品翻转，在4H
‑
SiC基底的另一侧上制作Al2O3层；
[0016]S6、利用磁控溅射法，在Al2O3层的表明，进一步制作底电极。
[0017]所述步骤S2中，采用的PS纳米球悬浊液中，PS纳米球的直径为100nm，其采用甲醇作溶剂，浓度2.5wt％。
[0018]所述步骤S2中，采用的PS纳米球悬浊液中，PS纳米球的直径为100nm，其采用甲醇作溶剂，浓度2.5wt％，刻蚀完成后得到的PS纳米球阵列的直径为80
±
10nm。
[0019]所述步骤S3中，将制作TiN薄膜层后的4H
‑
SiC基底其放入甲苯溶液中，超声清洗30min以上后，取出样品，用氮气吹干获得样品表面，放入培养皿中备用。
[0020]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
[0021]1、本专利技术提供了一种垂直结构TiN增强型4H
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SiC基宽谱光电探测器及制备方法，在4H
‑
SiC半导体层两侧分别设置顶电极和底电极，由于探测器的两个功能电极分布在4H
‑
SiC的两侧，因此其与读出电路倒装焊工艺兼容性更高，更容易实现低成本面阵成像器件的开发。并且，垂直结构器件在制作时，针对顶电极和底电极可以选用不同的材料，亦可选用不同的工艺，有利于获得更加优越的探测性能。此外，采用垂直结构设计时，电极之间的距离可进行精细调节，这有利于调控其光学共振特性，实现器件性能的优化。
[0022]2、本专利技术通过在4H
‑
SiC半导体层与顶电极层的界面处引入TiN纳米凸起结构(TiN
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NCCs)，使得器件在宽谱范围内的亮电流得到显著提升，此外，通过在4H
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SiC半导体层与底电极层的界面处引入0.6nm Al2O3层作为修饰层，以抑制器件暗电流由于引入TiN
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NCCs而导致的升高。以未作任何添加的垂直结构光电探测器为对照器件，同时增加了TiN
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NCCs层与Al2O3层的器件具有与对照器件几乎相同的暗电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种垂直结构TiN增强型4H
‑
SiC基宽谱光电探测器，其特征在于，包括：自上而下依次设置的顶电极层、TiN
‑
NCCs层、半导体层、Al2O3层和底电极层，所述顶电极层为半透明金属电极，TiN
‑
NCCs层为TiN材料形成的TiN纳米凸起在半导体层表面周期性排布形成，半导体层为4H
‑
SiC基底，底电极层为不透光金属电极。2.根据权利要求1所述的一种垂直结构TiN增强型4H
‑
SiC基宽谱光电探测器，其特征在于，所述TiN
‑
NCCs层中，最高处的高度为40nm
±
5nm，最低处的高度为0
‑
20nm，TiN
‑
NCCs层中相邻TiN纳米凸起之间的间隔为100nm
±
10nm，TiN纳米凸起在结构中的占空比为80％
±
10％。3.根据权利要求1所述的一种垂直结构TiN增强型4H
‑
SiC基宽谱光电探测器，其特征在于，所述顶电极层为TiN，所述底电极材料为Al。4.根据权利要求1所述的一种垂直结构TiN增强型4H
‑
SiC基宽谱光电探测器，其特征在于，所述半导体层的厚度为100～1000μm，顶电极层的厚度为15nm
±
5nm，底电极的厚度为100nm
±
20nm。5.根据权利要求1所述的一种垂直结构TiN增强型4H
‑
SiC基宽谱光电探测器，其特征在于，4H
‑
SiC基底为半绝缘型，其电阻率为1e13ohm
·
cm～1e15ohm
·
cm。6.根据权利要求1所述的一种垂直结构TiN增强型4H
‑
SiC基宽谱光电探测器，其特征在于，所述Al2O3层的厚度为0.6nm
±
0.06nm。7.根据权利要求1～6任一项所述的一种垂直结构TiN增强型...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国辉，胡鲲，潘登，翟爱平，王文艳，田媛，崔艳霞，许并社，
申请(专利权)人：山西浙大新材料与化工研究院，
类型：发明
国别省市：