专利名称：一种δ掺杂4H－SiC雪崩紫外光电探测器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种紫外光电探测器，特别是涉及一种δ掺杂4H-SiC(碳化硅)分离吸收区、电荷区与倍增区的雪崩结构(APD)紫外光电探测器及其制备方法。
背景技术：
目前对于紫外光的探测主要采用硅基紫外光电探测器，但是由于硅的带隙宽度为1.1eV，其对光的吸收主要集中在可见光和近红外波段，因此硅基紫外光电探测器需要一个昂贵的滤波系统。近年来，以SiC为代表的第三代先进半导体材料的发展为半导体紫外光电探测器的研究开拓了新的领域。第三代先进半导体材料带隙较宽，由其制备的紫外光电探测器对可见光或红外光背景不敏感，可以直接对紫外光进行探测。目前，已报道了SiC紫外光电探测器、GaN基紫外光电探测器和TiO2等紫外光电探测器。与其它材料相比，SiC材料具有绝对的优势，1.材料生长最为成熟，可以通过离子注入获得所需掺杂浓度的p型或n型外延层；2.具有自己的衬底；3.可以利用自身含有的Si元素高温热氧化生成器件的钝化层，这是其它化合物半导体材料不能比的。光伏型紫外光电探测器有多种结构，每种结构都有各自的优点，而雪崩型紫外光电探测器是结构最复杂，对材料要求最高的一种。4H-SiC材料带隙约为3.2eV，高临界击穿电场(2.2×106V/cm)，空穴与电子的离化率比值大于10，文献(W.T.TSANG编著，杜宝勋等译，半导体光检测器，北京电子工业出版社，清华大学出版社，1992，268)报道了电子与空穴的碰撞离化系数与1有大的偏移，并且有具有较高离化系数的载流子引起倍增可以降低器件的倍增噪声，因此，4H-SiC材料是制备雪崩光电探测器的理想半导体。F.Yan(Electronics Letters，1999，35929-930)与Xiangyi Guo(Photonics Tcchnology Letters，2006，18136-138)等人都曾报道过4H-SiC雪崩光电探测器，但他们报道的结构比较简单，一般采用穿通型或传统的分离吸收区与倍增区结构(SAM)。器件的响应时间、量子效率和击穿电压之间不能达成一个很好的优化值。本发明采用分离吸收区、电荷区与倍增区雪崩光电探测器结构，此种结构的探测器在InGaAs红外光电探测器(Photonics Technology Letters，l998，10409-411)中已经比较成熟，但是在碳化硅基紫外光电探测器中还没有使用。与原有的结构相比，本发明的结构特点是在掺杂浓度比较低的吸收区与倍增区之间加入了掺杂浓度比较高、厚度较小的δ层，此层的存在将雪崩区、电荷区与倍增区分离，不仅得到统一的雪崩倍增，提高了器件的量子效率，同时也降低了器件的击穿电压，增大了器件的响应带宽。雪崩光电探测器具有内部增益，灵敏度高，可以对微弱信号和单光子信号进行检测，而且由于在高压下工作，耗尽层较宽，响应时间非常快，所以在国防、工业和民用方面都有很重要的作用，对一个国家的国民经济和国防建设都有很重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以独立控制倍增区厚度和面电荷浓度以及吸收区长度，消除一般雪崩器件中量子效率与响应时间的相互制约，优化器件性能的δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器及其制备方法。其技术方案是通过δ掺杂将吸收区、电荷区与倍增区分离。
本发明所述的δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器呈台面结构，设有n+型4H-SiC衬底，在衬底上从下至上依次外延生长n+型缓冲层、超低掺杂n--型层、δ掺杂n型层、低掺杂n-型层和高掺杂p+型层，超低掺杂n-型层、δ掺杂n型层和低掺杂n-型层共同构成有源层；设有至少3个台面，其中最下面的台面用于器件隔离并位于n+型缓冲层，其它台面全部位于器件有源层上；器件表面设有致密的氧化硅钝化膜，在p+型层上设有p型电极，在p型电极上沉积Ti/Au作为焊盘接触金属，在衬底背面设有n型电极。
各外延层的厚度与掺杂浓度分别为n+型缓冲层用于降低材料生长时的缺陷、应力和位错，使生长的外延层具有好的性能，其掺杂浓度至少为1.0×1018/cm3。超低掺杂n--型层是器件的吸收区，入射光大部分在此层被吸收，根据碳化硅材料的吸收长度此层的厚度为0.5～3μm。另外器件工作时此层需要穿通且保持电场均匀，因此其掺杂浓度为低于1.0×1015/cm3或非故意掺杂。δ掺杂n型层是器件的电荷区，其特点是厚度小、掺杂浓度高。此层厚度为0.1～0.3μm，掺杂浓度为1.0×1017/cm3～1.0×1018/cm3。低掺杂n-型层是器件的倍增区，其电场强度最大使载流子可以获得足够的能量在此层产生雪崩倍增。此层的特点是厚度较小，掺杂浓度较低以便在倍增区形成均匀的电场，产生统一的雪崩倍增。此层厚度为0.1～0.3μm，掺杂浓度为1.0×1015/cm3～5.0×1016/cm3或非故意掺杂。高掺杂p+型层的掺杂浓度至少为1.0×1018/cm3，其厚度为0.1～0.5μm。
所述的δ掺杂SiC材料是在其轻掺杂或不掺杂的吸收区与倍增区之间引入一窄的但是高掺杂的电荷区，即δ掺杂n型层。引入δ掺杂n型层的优点是δ掺杂n型层将高电场区的倍增区与低电场区吸收区分离，可以独立控制倍增区厚度和载流子浓度，消除了倍增区厚度和载流子浓度之间的相互制约。与一般的吸收区与倍增区分离结构的雪崩光电探测器结构相比，其倍增区可以做的更薄，小的倍增区厚度可以降低器件的倍增噪声，并提高器件的响应带宽。而且较低掺杂浓度的倍增区使其内部电场强度更加趋于一致，因而能产生统一的雪崩倍增。此种结构的另一优点是只允许其中一种载流子进入倍增区发生倍增，这点也是降低器件的暗电流，减少器件倍增噪声的有效方法。采用分离吸收区、电荷区和倍增区结构的雪崩光电探测器由于电荷区的调节作用，受制备参数变化的影响比较小，不象在一般的分离吸收区、倍增区结构中，p-n结位置非常小的偏移都会对器件的性能有很大的影响。所以分离吸收区、电荷区与倍增区结构碳化硅雪崩结构探测器，除了具有一般分离吸收区与倍增区的优点外，还具有倍增过程更统一、量子效率高、暗电流低、倍增噪声低和响应带宽大等优点。
所述的δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器的具体工作原理为器件设计成垂直台面结构，光学窗口上有p型电极，衬底背面有n型电极。正常工作下，在雪崩管的两极加反向偏压(大小约为击穿电压的90％)，耗尽层从p+层延伸到n+缓冲层。高掺杂p+型层与低掺杂n-型层形成器件的p-n结，因p+层掺杂浓度较高，p-n结的耗尽区主要位于低掺杂n-型层一侧。在p-n结附近低掺杂n-型层中电场强度达到最高，构成了器件的倍增区。δ掺杂n型层掺杂浓度较高，聚集大部分电荷，电场强度在此层快速下降，是器件的电荷区。当器件正常工作时，入射光子主要在超低掺杂n--型层被吸收，此层称为吸收区，工作时此层将完全耗尽，电场强度较小，且比较均匀。
光线从正面入射，当入射光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度时，大部分入射光在吸收区被吸收并产生光生载流子(电子-空穴对)。在吸收区(耗尽层)电场的作用下，电子和空穴分别向器件的两端漂移，电子直接漂移到n极，而空穴将会向p-n结附近的倍增区漂移。在倍增区高反向偏置的p-n结高电场区中，空穴以饱和速度漂移并从电场获得足够的能量，通过碰撞离化激发新的电子-空穴对。一连串这样的碰撞离化导致载流子倍增。
本发明所述的δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器的制备方法包括以下步骤1.外延片标准清洗；2.采用干法刻蚀制备台面，最上面的台面作为器件的光敏面；3.在器件上生长氧化硅或者氮化硅作为器件的钝化层；4.在光学窗口上光刻出p型接触电极图形，然后沉积p型电极金属；5.用光刻胶保护外延片正面，在其背面沉积n型电极金属；6.将p型和n型电极同时在高温下退火形成良好的欧姆接触；7.在p型欧姆接触电极一角制备压焊区。
在步骤2)中，所述的制备台面是采用第一块光刻版和正性胶光刻最外侧台面图形，显影去掉图形处光刻胶并溅射镍金属作为后续干法刻蚀的掩模；采用等离子诱导干法刻蚀台面；用王水腐蚀掉芯片表面的镍；清洗后用第二块光刻版正性胶光刻，显影保留台面图形处的光刻胶，在120℃高温下坚膜15min，用光刻胶作为干法刻蚀的掩膜进行第二次干法刻蚀；二次刻蚀后外延片上残存的光刻胶用浓H2SO4∶H2O2＝3∶1的溶液去掉；换用第三块光刻版，光刻与刻蚀过程同第二块光刻版与二次刻蚀。同时形成3个台面，最上面的台面为光敏面。最终隔离台面位于n+缓冲层，2个终端外延台面分别位于芯片的低掺杂n-型层和δ掺杂n型层。
在步骤3)中，制备氧化层是在热氧化前首先将样品进行标准清洗，氧化层的制备分为两步进行第一次热氧化也叫牺牲层的氧化，将芯片放进氧化炉中，采用干氧、湿氧和干氧交替氧化厚度约为100的氧化层；取出第一次氧化好的样品，放入缓冲氢氟酸溶液进行腐蚀，去除第一次氧化形成的氧化层，用去离子水冲洗干净；将芯片再次放进氧化炉进行第二次氧化；二次氧化同样采用干氧、湿氧和干氧交替氧化，生成的氧化层作为芯片的钝化层。
在步骤4)中，制备电极是在光敏面上光刻p型电极区，并用缓冲氢氟酸溶液腐蚀掉电极图形处的氧化层供磁控溅射Ti/Al/Au多层金属作为p型电极；n型欧姆接触是在衬底背面形成，其制备过程如下首先用光刻胶将器件正面保护好，然后用缓冲氢氟酸溶液腐蚀掉衬底背面自然氧化层，然后磁控溅射Ni/Au作为n型电极；两种电极同时在高温下退火最后形成良好的欧姆接触。
本发明δ掺杂SiC雪崩结构紫外光电探测器制备工艺有以下几个特点1.对碳化硅材料采用干法刻蚀，干法刻蚀可以用等离子诱导耦合干法刻蚀方法或者反应离子刻蚀方法，这两种方法都具有物理与化学两个类型的作用机理，对碳化硅材料表面的刻蚀损伤较小，刻蚀精度比较高；2.器件的钝化层可以只采用热氧化的方法生长的氧化层，也可以在氧化层的外面通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积(LPCVD)覆盖氮化硅。
3.电极金属的制备可以采用磁控溅射的方法沉积，也可以通过电子束蒸发的方法沉积。
4.p型电极金属可以为Ti/Al/Au多层金属，也可以是Ti/Au、Al/Au、Ti/Al/Pt、Ti/Pt、Al/Pt等其中一种。
5.制备时可以在4H-SiC或者4H-SiC的同质多型体，例如6H-SiC或3C-SiC上实现。
6.光敏面大小及形状可根据器件实际需要而设计。
图1为本发明实施例的截面结构示意图。
具体实施例方式
参见图1，本发明所述的δ掺杂4H-SiC雪崩结构紫外光电探测器实施例结构为n+型4H-SiC衬底2以及在衬底上依次外延生长重掺杂n+型缓冲层3、超轻掺杂n--型层4(掺杂浓度低于1.0×1015/cm3、厚度2.0μm)、δ掺杂n型层5(掺杂浓度3.0×1017/cm3、厚度0.125μm)、轻掺杂n-型层6(掺杂浓度6.0×1015/cm3、厚度0.2μm)和重掺杂p+型层7(掺杂浓度5.0×1018/cm3，厚度为0.3μm)，一个器件隔离台面14，两个终端外延台面12与13，氧化层11，p型接触电极9，n型接触电极1，焊盘8，器件光敏面10。
碳化硅雪崩紫外光电探测器的实例及制备工艺流程说明如下1.外延片标准清洗先依次用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗3遍，用去离子水洗净；分别煮一号液(氨水∶过氧化氢∶水＝1∶1∶5)和二号液(盐酸∶过氧化氢∶水＝1∶1∶5)各15min，用去离子水洗净；将芯片放入氢氟酸中浸泡3～5min，用去离子水洗净后用氮气吹干待用。
2.制备台面设从外到内3个台面的深度分别为d1(2.7μm)、d2(0.6μm)和d3(0.45μm)，则具体的台面制备过程如下采用第一块光刻版和正性胶光刻最外侧台面图形，显影去掉图形处光刻胶并溅射镍金属作为后续干法刻蚀的掩模；采用等离子诱导干法刻蚀深度为d1-d2＝2.1μm；用王水腐蚀掉芯片表面的镍；清洗后用第二块光刻版(负版)正性胶光刻，显影保留台面图形处的光刻胶，在120℃高温下坚膜15min，用光刻胶作为干法刻蚀的掩膜进行第二次干法刻蚀，刻蚀深度为d2-d3＝0.15μm；二次刻蚀后外延片上残存的光刻胶用浓H2SO4∶H2O2＝3∶1的溶液去掉；换用第三块光刻版，光刻与刻蚀过程同第二块光刻版与二次刻蚀。第三次刻蚀深度为d3(0.45μm)。同时形成3个台阶，最上面的台面为光敏面。最终隔离台面位于n+缓冲层，2个终端外延台面分别位于芯片的低掺杂n-型层和δ掺杂n型层。
3.制备氧化层热氧化前首先将样品进行标准清洗。氧化层的制备分为两步进行第一次热氧化也叫牺牲层的氧化，将芯片放进氧化炉中，采用干氧、湿氧和干氧交替氧化厚度约为100的氧化层。取出第一次氧化好的样品，放入缓冲氢氟酸溶液进行腐蚀，去除第一次氧化形成的氧化层，用去离子水冲洗干净；将芯片再次放进氧化炉进行第二次氧化。二次氧化同样采用干氧、湿氧和干氧交替氧化，生成厚度约为600的氧化层作为芯片的钝化层。
4.制备电极在光敏面上光刻p型电极区，并用缓冲氢氟酸溶液腐蚀掉电极图形处的氧化层供磁控溅射Ti/Al/Au多层金属作为p型电极；n型欧姆接触是在衬底背面形成，其制备过程如下首先用光刻胶将器件正面保护好，然后用缓冲氢氟酸溶液腐蚀掉衬底背面自然氧化层，然后磁控溅射Ni/Au作为n型电极；两种电极同时在高温下退火最后形成良好的欧姆接触；5.最后，光刻焊盘区，磁控溅射Ti/Au作为器件的焊盘。
权利要求
1.一种δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器，其特征在于呈台面结构，设有n+型4H-SiC衬底，在衬底上从下至上依次外延生长n+型缓冲层、超低掺杂n-型层、δ掺杂n型层、低掺杂n-型层和高掺杂p+型层，超低掺杂n-型层、δ掺杂n型层和低掺杂n-型层共同构成有源层；设有至少3个台面，其中最下面的台面用于器件隔离并位于n+型缓冲层，其它台面全部位于器件有源层上；器件表面设有致密的氧化硅钝化膜，在p+型层上设有p型电极，在p型电极上沉积Ti/Au作为焊盘接触金属，在衬底背面设有n型电极。
2.如权利要求1所述的一种δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器，其特征在于n+型缓冲层其掺杂浓度至少为1.0×1018/cm3。
3.如权利要求1所述的一种δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器，其特征在于超低掺杂n-型层的厚度为0.5～3μm，其掺杂浓度为低于1.0×1015/cm3或非故意掺杂。
4.如权利要求1所述的一种δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器，其特征在于δ掺杂n型层的厚度为0.1～0.3μm，掺杂浓度为1.0×1017/cm3～1.0×1018/cm3。
5.如权利要求1所述的一种δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器，其特征在于低掺杂n型层的厚度为0.1～0.3μm，掺杂浓度为1.0×1015/cm3～5.0×1016/cm3或非故意掺杂。
6.如权利要求1所述的一种δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器，其特征在于高掺杂p+型层的掺杂浓度至少为1.0×1018/cm3，其厚度为0.1～0.5μm。
7.如权利要求1所述的一种δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤1)外延片标准清洗；2)采用干法刻蚀制备台面，最上面的台面作为器件的光敏面；3)在器件上生长氧化硅或者氮化硅作为器件的钝化层；4)在光学窗口上光刻出p型接触电极图形，然后沉积p型电极金属；5)用光刻胶保护外延片正面，在其背面沉积n型电极金属；6)将p型和n型电极同时在高温下退火形成良好的欧姆接触；7)在p型欧姆接触电极一角制备压焊区。
8.如权利要求7所述的一种δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述的制备台面是采用第一块光刻版和正性胶光刻最外侧台面图形，显影去掉图形处光刻胶并溅射镍金属作为后续干法刻蚀的掩模；采用等离子诱导干法刻蚀台面；用王水腐蚀掉芯片表面的镍；清洗后用第二块光刻版正性胶光刻，显影保留台面图形处的光刻胶，在120℃高温下坚膜15min，用光刻胶作为干法刻蚀的掩膜进行第二次干法刻蚀；二次刻蚀后外延片上残存的光刻胶用浓H2SO4∶H2O2＝3∶1的溶液去掉；换用第三块光刻版，光刻与刻蚀过程同第二块光刻版与二次刻蚀，同时形成3个台面，最上面的台面为光敏面，最终隔离台面位于n+缓冲层，2个终端外延台面分别位于芯片的低掺杂n-型层和δ掺杂n型层。
9.如权利要求7所述的一种δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器的制备方法，其特征在于在步骤3)中，制备氧化层是在热氧化前首先将样品进行标准清洗，氧化层的制备分为两步进行第一次热氧化也叫牺牲层的氧化，将芯片放进氧化炉中，采用干氧、湿氧和干氧交替氧化厚度约为100的氧化层；取出第一次氧化好的样品，放入缓冲氢氟酸溶液进行腐蚀，去除第一次氧化形成的氧化层，用去离子水冲洗干净；将芯片再次放进氧化炉进行第二次氧化；二次氧化同样采用干氧、湿氧和干氧交替氧化，生成的氧化层作为芯片的钝化层。
10.如权利要求7所述的一种δ掺杂4H-SiC雪崩紫外光电探测器的制备方法，其特征在于在步骤4)中，制备电极是在光敏面上光刻p型电极区，并用缓冲氢氟酸溶液腐蚀掉电极图形处的氧化层供磁控溅射Ti/Al/Au多层金属作为p型电极；n型欧姆接触是在衬底背面形成，其制备过程如下首先用光刻胶将器件正面保护好，然后用缓冲氢氟酸溶液腐蚀掉衬底背面自然氧化层，然后磁控溅射Ni/Au作为n型电极；两种电极同时在高温下退火最后形成良好的欧姆接触。
全文摘要
一种δ掺杂4H－SiC雪崩紫外光电探测器及其制备方法，涉及一种紫外光电探测器。提供一种可独立控制倍增区厚度和面电荷浓度以及吸收区长度，消除雪崩器件中量子效率与响应时间的相互制约，优化器件性能的δ掺杂4H－SiC雪崩紫外光电探测器与制备方法。呈台面结构，设有n
文档编号H01L31/18GK101030609SQ20071000879
公开日2007年9月5日 申请日期2007年4月4日 优先权日2007年4月4日
发明者吴正云, 朱会丽, 陈厦平, 张峰 申请人:厦门大学