雙工作模式的4H-SiC紫外光電探測(cè)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電探測(cè)器件，具體是涉及一種探測(cè)波長(zhǎng)為200?400nm的雙工作模式的4H-SiC紫外光電探測(cè)器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紫外光電探測(cè)器可廣泛應(yīng)用于軍事和民用等領(lǐng)域，在軍事方面可用于導(dǎo)彈預(yù)警、火箭發(fā)射、飛行器制導(dǎo)等方面，在民用方面可用于生物醫(yī)藥的分析、火災(zāi)報(bào)警、太陽光紫外線強(qiáng)度測(cè)定等方面，因此其具有廣闊的應(yīng)用前景，是光電探測(cè)領(lǐng)域的前沿研究方向之一。4H-SiC是第三代寬帶隙半導(dǎo)體的核心材料之一，具有高臨界擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高電子迀移率和高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，成為制備高性能紫外光電探測(cè)器的熱門材料。另外，4H_SiC材料的空穴和電子的離化系數(shù)比高達(dá)50，這使得4H-SiC材料很適合做雪崩光電探測(cè)器(APD)，具有較小的倍增噪聲。目前，國(guó)內(nèi)外的單位研究的4H-SiC紫外光電探測(cè)器主要是兩種結(jié)構(gòu)，PIN和分離吸收層與倍增層(SAM)。PIN結(jié)構(gòu)的SiC紫外光電探測(cè)器一般應(yīng)用于光信號(hào)的高速簡(jiǎn)易探測(cè)，具有響應(yīng)速度快、暗電流低和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，這是由于I層具有較低的摻雜深度，使得器件在低工作電壓或者零偏壓下工作時(shí)便完全耗盡；但是其雪崩擊穿電壓很高，器件功耗大，且沒有內(nèi)部增益，無法穩(wěn)定地工作在雪崩擊穿電壓狀態(tài)。SAM結(jié)構(gòu)的SiC APD 一般應(yīng)用于紫外微弱信號(hào)和單光子信號(hào)的檢測(cè)，在穿通狀態(tài)下吸收層與倍增層的分離可以降低器件的擊穿電壓，具有雪崩噪聲小、內(nèi)部增益大等優(yōu)點(diǎn)；但是其倍增層摻雜濃度比較高，造成暗電流較大，且在低電壓工作狀態(tài)，器件的有源區(qū)不能完全耗盡，造成光譜響應(yīng)低、紫外/可見抑制比低，性能遠(yuǎn)低于PIN光電探測(cè)器。PIN結(jié)構(gòu)和SAM結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器是為滿足紫外探測(cè)應(yīng)用過程中不同探測(cè)要求而設(shè)計(jì)的兩種結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計(jì)一種新型結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，即在一種結(jié)構(gòu)的器件上實(shí)現(xiàn)PIN紫外光電探測(cè)器和SAM結(jié)構(gòu)APD兩種器件的探測(cè)要求，使其在低電壓工作狀態(tài)和雪崩擊穿電壓工作狀態(tài)分別具有PIN結(jié)構(gòu)和SAM結(jié)構(gòu)的特性或比之更好的特性，對(duì)紫外光電探測(cè)器的實(shí)際應(yīng)用有重要意義。
[0003]本申請(qǐng)人在中國(guó)專利CN201032635中公開一種PIN結(jié)構(gòu)4H — SiC紫外光電探測(cè)器，設(shè)有n+型襯底，在η +型襯底上依次外延生長(zhǎng)η型層、η _型層和ρ+型層，η +型襯底背面為η型歐姆接觸電極，采用干法刻蝕工藝刻蝕一高度從表面ρ+型層到達(dá)η型層的器件隔離臺(tái)階，隔離臺(tái)階和ρ+型層表面覆蓋氧化層，在Ρ +型層表面的Ρ型接觸電極窗口處沉積Ρ型歐姆接觸電極，Ρ型歐姆接觸電極上一角覆蓋金屬Ti/Au層作為焊盤，覆蓋氧化層的臺(tái)面為器件的光敏面。
[0004]本申請(qǐng)人在中國(guó)專利CN101030609公開一種δ摻雜4Η — SiC雪崩紫外光電探測(cè)器及其制備方法，δ摻雜4Η — SiC雪崩紫外光電探測(cè)器呈臺(tái)面結(jié)構(gòu)，設(shè)有η+型4Η — SiC襯底，在襯底上從下至上依次外延生長(zhǎng)n+型緩沖層、超低摻雜η _型層、δ摻雜η型層、低摻雜η_型層和高摻雜ρ+型層，超低摻雜η _型層、δ摻雜η型層和低摻雜η_型層共同構(gòu)成有源層；設(shè)有至少3個(gè)臺(tái)面，其中最下面的臺(tái)面用于器件隔離并位于η+型緩沖層，其它臺(tái)面全部位于器件有源層上；器件表面設(shè)有致密的氧化硅鈍化膜，設(shè)ρ型和η型電極。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有的紫外光電探測(cè)器存在的上述缺陷，提供一種可滿足不同電壓工作狀態(tài)的，探測(cè)波長(zhǎng)為200?400nm的雙工作模式的4H_SiC紫外光電探測(cè)器及其制備方法。
[0006]本發(fā)明所述雙工作模式的4H-SiC紫外光電探測(cè)器設(shè)有N+型4H-SiC襯底，在N+型4H-SiC襯底上依次設(shè)有第一 N型外延吸收層和第二 N型外延倍增層；從第二 N型外延倍增層至第一 N型外延吸收層表面刻蝕一高度，使得第二 N型外延倍增層為圓臺(tái)；在第二 N型外延倍增層和第一 N型外延吸收層表面形成P +型歐姆接觸層，形成Ρ +N和P+N兩個(gè)PN結(jié)；在P+型歐姆接觸層的表面生長(zhǎng)二氧化硅層作為器件的鈍化層；在鈍化層上設(shè)有P型電極窗口，在P型電極窗口和N+型4H-SiC襯底背面分別濺射P電極和N電極。
[0007]所述第一 N型外延吸收層的厚度可為1.0 μπι，第二 Ν型外延倍增層的厚度可為
0.3 μ m0
[0008]所述圓臺(tái)的斜面和水平面的夾角< 10°，所述圓臺(tái)的下底面直徑可為4?6 μπι，所述圓臺(tái)的斜面和水平面的夾角等于10°時(shí)，圓臺(tái)的上底面直徑可為0.6?2.6 μπι。
[0009]所述Ρ+型歐姆接觸層的厚度可為0.2 μ m。
[0010]所述鈍化層的厚度可為0.3 μπι。
[0011]Ν+型4H-SiC襯底、第一 Ν型外延吸收層、第二 N型外延倍增層、P +型歐姆接觸層的摻雜濃度分別可為 1.0X1019/cm3、lX1015/cm3、7.0X1017/cm3和 2.0X10 19/cm3。
[0012]本發(fā)明所述雙工作模式4H-SiC紫外光電探測(cè)器的制備方法，包括以下步驟:
[0013]1)對(duì)生長(zhǎng)好的外延片進(jìn)行RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗；
[0014]2)傾斜臺(tái)面的制備:使用光刻膠AZ4620在樣品表面涂上一層厚的光刻膠作為干法刻蝕的阻擋層，利用光刻膠和4H-SiC的刻蝕速率不同，采用ICP刻蝕，使得第二 N型層形成一傾斜圓臺(tái)，且圓臺(tái)的斜面和水平面的夾角為Θ，且角Θ <10° ;
[0015]3) P+層的制備:采用高溫離子注入方法在第二 N型外延層和第一 N-型層表面上形成一 P+型歐姆接觸層。
[0016]4)氧化層的制備:熱氧化前做好RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗，裝片到氧化爐，第一次生長(zhǎng)的氧化層做為犧牲層，具體是采用干氧、濕氧和干氧交替氧化；取出樣品，放入緩沖氫氟酸溶液中腐蝕，去除第一次生長(zhǎng)的氧化層，沖洗干凈后將樣品再次放進(jìn)氧化爐進(jìn)行第二次氧化，具體是采用干氧、濕氧、干氧和氮?dú)夥諊惶妫瑹嵫趸?，取出樣品放入PECVD的腔體中，用PECVD生長(zhǎng)二氧化硅層，二氧化硅層作為器件的鈍化層；
[0017]5)電極的制備:用緩沖氫氟酸腐蝕窗口處的氧化層形成P型電極區(qū)，然后磁控濺射Ti/Al/Ti/Au作為P型接觸電極，在樣品的襯底背面濺射Ni/Au形成N型接觸電極，兩種電極同時(shí)在高溫下退火，最后形成良好的歐姆接觸。
[0018]在步驟1)中，所述對(duì)生長(zhǎng)好的外延片進(jìn)行RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗的方法可為:
[0019](1)用甲苯、丙酮和乙醇超聲5min，重復(fù)2遍，再用去離子水沖洗干凈；
[0020](2)用三號(hào)液于250°C下煮20min后，用熱、冷去離子水沖洗；所述三號(hào)液按體積比的配比Sh2so4: H202= 4: 1;
[0021](3)將樣品放入稀釋氫氟酸浸泡4min，再用熱、冷去離子水沖洗；所述稀釋氫氟酸按體積比的配比為HF: H20 = 1: 20 ；
[0022](4)用一號(hào)液煮lOmin后，用熱、冷去離子水沖洗；所述一號(hào)液按體積比的配比NH3.H20: H202: Η 20 = 1: 1: 4 ；
[0023](5)將樣品放入稀釋氫氟酸中浸泡4min，再用熱、冷去離子水沖洗；
[0024](6)用二號(hào)液煮lOmin后，用熱、冷去離子水沖洗，然后用氮?dú)獯蹈纱茫凰龆?hào)液按體積比的配比為HC1: H202: H20 = 1: 1: 4。
[0025]本發(fā)明的主要工作原理是:在器件兩端加上一反向偏置電壓，將會(huì)在P+N結(jié)和P+N結(jié)處形成兩個(gè)空間耗盡層。由于N層的摻雜濃度很低，當(dāng)反向電壓略大于或等于0V時(shí)，P+N空間耗盡層的厚度便和N層的厚度一樣，即N層已經(jīng)處于穿通狀態(tài)。此時(shí)該探測(cè)器的工作狀態(tài)和PIN紫外光電探測(cè)器的工作狀態(tài)類似，即工作在