專利名稱：SiC肖特基紫外探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體光電探測器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及SiC肖特基紫外探測器。
背景技術(shù)：
紫外探測技術(shù)是繼紅外和激光探測技術(shù)之后發(fā)展起來的又一重要的光電探測技術(shù)。紫外探測技術(shù)在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，對一個(gè)國家的國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)均有很重要的意義。
中國《高技術(shù)通訊》(2002年3月，第104-109頁)和中國《半導(dǎo)體光電》(2003年2月，第24卷第1期，第5-11頁)指出，硅基半導(dǎo)體紫外探測技術(shù)可利用成熟的硅工藝，但其探測器需配置笨重的濾光器，且耐高溫、耐腐蝕性較差。
技術(shù)內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種能用于檢測紅外或可見光背景下紫外信號的SiC肖特基紫外探測器。
這種SiC肖特基紫外探測器，特征在于其襯底(1)是n+型半導(dǎo)體SiC，襯底(1)背面是采用電子束蒸發(fā)并合金形成歐姆接觸的Ti、Ni和Ag三層金屬或Ni單層金屬(2)，襯底(1)上面是n型SiC外延層(3)，外延層(3)上面直徑300μm～1000μm的有源區(qū)是用電子束蒸發(fā)金屬并合金形成肖特基接觸的薄金屬層(4)，其厚度為50nm～150nm，在有源區(qū)薄金屬層(4)、n型SiC外延層(3)及n+型SiC襯底(1)周圍直徑為350μm～1050μm的區(qū)域是鈍化層(5)，在鈍化層(5)與有源區(qū)薄金屬層(4)及有源區(qū)薄金屬層上面直徑為320μm～1020μm的區(qū)域是電子束蒸發(fā)厚度為0.8～1.2μm的有源焊接區(qū)厚金屬層梳狀電極(6)，在有源區(qū)薄金屬層上面涂有防反射的透明膜(7)。
上述的半導(dǎo)體SiC可采用4H-SiC或6H-SiC；有源區(qū)薄金屬層可采用功函數(shù)大于SiC的金屬，如Au或Ni等金屬中的一種；有源焊接區(qū)厚金屬層采用與有源區(qū)薄金屬層相同的金屬材料；鈍化層可采用SiO2或Si3N4；防反射的透明膜可采用ZnS。
本實(shí)用新型SiC肖特基紫外探測器主要基于如下原理n型寬禁帶半導(dǎo)體SiC與功函數(shù)大于SiC的金屬Au、Ni接觸時(shí)，由于SiC的功函數(shù)小于Au、Ni等金屬的功函數(shù)，電子流向金屬使金屬帶負(fù)電，而使半導(dǎo)體SiC表面形成了一個(gè)正的空間電荷區(qū)，這樣便形成了一個(gè)電場方向由半導(dǎo)體指向金屬的勢壘區(qū)，稱之為肖特基勢壘。
SiC肖特基紫外探測器主要基于肖特基勢壘能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的特性入射光被半導(dǎo)體SiC吸收并產(chǎn)生空穴-電子對，產(chǎn)生的空穴-電子對被肖特基勢壘區(qū)的電場分開形成載流子，當(dāng)載流子漂移通過勢壘區(qū)時(shí)，在外電路形成光生電壓或電流。SiC肖特基紫外探測器主要有以下兩種工作方式(1)入射光子能量hv＞Eg半導(dǎo)體SiC的禁帶寬度，且加在探測器上的反偏壓V＜＜VB探測器的雪崩擊穿電壓。在這種條件下，入射光穿過金屬層在半導(dǎo)體SiC表面被吸收并激發(fā)產(chǎn)生空穴-電子對，空穴-電子對迅速被勢壘區(qū)分開并在外電路形成電壓或電流。(2)入射光子能量hv＞Eg半導(dǎo)體SiC的禁帶寬度，且加在探測器上的反偏壓V≈VB探測器的雪崩擊穿電壓。在這種條件下，入射光在半導(dǎo)體SiC中激發(fā)出來的空穴-電子對非常迅速地被分開，在高場下運(yùn)動(dòng)并獲得很高的能量后通過碰撞繼續(xù)激發(fā)出新的空穴-電子對，從而形成載流子的雪崩倍增。這種工作方式下的SiC肖特基紫外探測器屬于雪崩光電二級管中的一種。
由hv＞Eg可知SiC肖特基紫外探測器光譜響應(yīng)范圍的長波限λC＝hc/Eg，由半導(dǎo)體SiC的禁帶寬度Eg決定例如，器件采用的SiC若是4H-SiC，則其禁帶寬度約3.25eV，可計(jì)算出長波限約為382nm；若是采用6H-SiC，其禁帶寬度約3.0eV，計(jì)算出長波限約為413nm。短波限的出現(xiàn)主要是因?yàn)槎滩ㄩL入射光的吸收系數(shù)太大，入射光子能量太高，激發(fā)出來的載流子很容易被復(fù)合而消失掉，所以即使入射光被吸收了也很難在外電路形成明顯的光生電壓或電流。實(shí)驗(yàn)測得4H-SiC肖特基紫外探測器光譜響應(yīng)范圍為200～400nm，其中382～400nm的響應(yīng)非常小。
本實(shí)用新型SiC肖特基紫外探測器的結(jié)構(gòu)簡單，制作簡便，其主要特點(diǎn)是1、光譜響應(yīng)范圍是紫外光波段，而對可見光和紅外輻射不響應(yīng)，這是由半導(dǎo)體SiC的寬禁帶決定的；2、在太陽光或紅外線背景中使用不必配置濾光器，而且耐高溫、抗輻射；3、響應(yīng)時(shí)間短，量子效率高。肖特基勢壘層就在半導(dǎo)體表面，光激發(fā)的載流子絕大部分直接產(chǎn)生在勢壘區(qū)，不用經(jīng)過擴(kuò)散就處于勢壘區(qū)，不僅省去了擴(kuò)散時(shí)間，也減少了復(fù)合損失，所以探測器響應(yīng)快、效率高；4、暗電流低，信噪比高。


附圖1是本實(shí)用新型SiC肖特基紫外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是SiC肖特基紫外探測器在7V反偏壓下的光譜響應(yīng)圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1本實(shí)施例SiC肖特基紫外探測器采用的具體制作方法如下制備器件的半導(dǎo)體材料4H-SiC；襯底n+型，電阻率0.014Ω·cm，厚度300μm；外延層n型，摻雜濃度3.3×1015/cm3，厚度10.0μm，微管缺陷＜10/cm3。
本實(shí)施例以Au/n-4H-SiC為例，制作的工藝流程如下先清洗SiC，然后進(jìn)行高溫高純氧氣氧化，干氧30分鐘+濕氧5小時(shí)+干氧30分鐘，接著去除背底保護(hù)外延區(qū)的SiO2，再進(jìn)行背底電子束蒸發(fā)Ti、Ni和Ag(總厚度為600～1500nm)或Ni(厚度為600～1500nm)，在高純氬氣保護(hù)下進(jìn)行950℃合金5～8分鐘，再光刻有源區(qū)SiO2(保護(hù)背底)，然后電子束蒸發(fā)有源焊接區(qū)厚Au(800nm～1200nm)，接著光刻壓焊區(qū)，電子束蒸發(fā)薄Au有源區(qū)50～150nm，光刻有源區(qū)和壓焊區(qū)Au，再在純度99.99％的氬氣保護(hù)下進(jìn)行有源區(qū)650℃肖特基合金5分鐘，然后進(jìn)行初測、劃片、引線焊接、封裝，即成為如附圖1所示的SiC肖特基紫外探測器的器件。
本實(shí)施例制作的SiC肖特基紫外探測器，襯底是n+型SiC(1)，襯底背面為采用電子束蒸發(fā)并合金形成歐姆接觸的TiNiAg層(2)，襯底上面是n型SiC外延層(3)，外延層上面中間有源區(qū)是電子束蒸發(fā)并合金形成肖特基接觸的薄金屬層(4)，在有源區(qū)薄金屬層、n型SiC外延層及n+型SiC襯底約三分之一上部的周圍是鈍化層(5)，在鈍化層與有源區(qū)薄金屬層相鄰的區(qū)域及有源區(qū)薄金屬層上面的部分區(qū)域?yàn)橐噪娮邮舭l(fā)有源焊接區(qū)厚金屬層梳狀電極(6)，在有源區(qū)薄金屬層上面涂上防反射的透明膜(7)。
Ni/n-4H-SiC的制備過程與Au/n-4H-SiC相似，不過要在薄Ni有源區(qū)上面覆蓋薄Au，以防止Ni在空氣中被氧化。為了避免大的反射和吸收損失，有源區(qū)金屬層必須很薄，還可在探測器的表面涂上防反射的透明膜ZnS。
最后綜合測試分析。
測量光譜響應(yīng)曲線時(shí)可用M850熒光分光光度計(jì)(200～600nm)產(chǎn)生的連續(xù)紫外光照射探測器。具體測量時(shí)可設(shè)計(jì)一個(gè)合適的測量電路，要點(diǎn)如下(1)把探測器的一端連接變阻器，另一端連接一個(gè)有10MΩ負(fù)反饋電路的運(yùn)放(如MAX432)倒相輸入端，運(yùn)放輸出端接記錄儀。這樣探測器產(chǎn)生的光電流經(jīng)10MΩ的電阻輸出到記錄儀上，由記錄儀顯示光譜響應(yīng)曲線。通過變阻器可改變加在探測器上的反偏壓，從而可測出探測器在不同偏壓下的光譜響應(yīng)曲線?？捎肔P-3A型激光功率測試儀測出照射在探測器上的入射光功率，算出量子效率和光譜響應(yīng)度。(2)在測量電路中可采用多個(gè)不同電容值的濾波電容，在正負(fù)電源的接入電路上可分別采用三端穩(wěn)壓78系列和79系列以減少電源不穩(wěn)定信號對整個(gè)測量電路的影響，在變阻器的兩端可再并聯(lián)穩(wěn)壓管以盡量減少電源不穩(wěn)定信號對探測器的影響。
附圖2給出了SiC肖特基紫外探測器在7V反偏壓下的光譜響應(yīng)的具體測量結(jié)果圖中的橫坐標(biāo)為入射光波長，單位是nm；縱坐標(biāo)為光譜響應(yīng)度，單位是mA/W；曲線A是Au/n-4H-SiC肖特基紫外探測器在7V反偏壓下的光譜響應(yīng)曲線，曲線B是Ni/n-4H-SiC肖特基紫外探測器在7V反偏壓下的光譜響應(yīng)曲線。
由附圖2可知，在7V反偏壓下，Ni/n-4H-SiC肖特基紫外探測器在300nm處光譜響應(yīng)度達(dá)到峰值45.84mA/W，Au/n-4H-SiC肖特基紫外探測器在300nm處光譜響應(yīng)度達(dá)到峰值86.72mA/W；Ni/n-4H-SiC和Au/n-4H-SiC肖特基紫外探測器光譜響應(yīng)范圍均是200～400nm。
采用以下方法可進(jìn)一步提高探測器的光譜響應(yīng)度(1)給探測器加反偏壓；(2)采用結(jié)晶質(zhì)量高的SiC半導(dǎo)體；(3)增大探測器有源區(qū)面積；(4)減小SiC外延層厚度。
根據(jù)原理分析，SiC肖特基紫外探測器的半導(dǎo)體SiC也可采用6H-SiC代替4H-SiC。
權(quán)利要求1.一種種SiC肖特基紫外探測器，特征在于其襯底(1)是n+型半導(dǎo)體SiC，襯底(1)背面是采用電子束蒸發(fā)并合金形成歐姆接觸的Ti、Ni和Ag三層金屬或Ni單層金屬(2)，襯底(1)上面是n型SiC外延層(3)，外延層(3)上面直徑300μm～1000μm的有源區(qū)是用電子束蒸發(fā)金屬并合金形成肖特基接觸的薄金屬層(4)，其厚度為50nm～150nm，在有源區(qū)薄金屬層(4)、n型SiC外延層(3)及n+型SiC襯底(1)周圍直徑為350μm～1050μm的區(qū)域是鈍化層(5)，在鈍化層(5)與有源區(qū)薄金屬層(4)及有源區(qū)薄金屬層上面直徑為320μm～1020μm的區(qū)域是電子束蒸發(fā)厚度為0.8～1.2μm的有源焊接區(qū)厚金屬層梳狀電極(6)，在有源區(qū)薄金屬層上面涂有防反射的透明膜(7)。
2.如權(quán)利要求1所述的SiC肖特基紫外探測器，特征在于所述半導(dǎo)體SiC采用4H-SiC或6H-SiC；有源區(qū)薄金屬層采用功函數(shù)大于SiC的金屬Au或Ni，有源焊接區(qū)厚金屬層采用與有源區(qū)薄金屬層相同的金屬材料；鈍化層采用SiO2或Si3N4；防反射的透明膜采用ZnS。
專利摘要本實(shí)用新型SiC肖特基紫外探測器，特征是其襯底為n+型半導(dǎo)體SiC(1)，襯底背面采用電子束蒸發(fā)并合金形成歐姆接觸的TiNiAg層(2)，襯底上面是n型SiC外延層(3)，外延層上面中間有源區(qū)是電子束蒸發(fā)并合金形成肖特基接觸的薄金屬層(4)，在有源區(qū)薄金屬層、n型SiC外延層及n+型SiC襯底約三分之一上部的周圍是鈍化層(5)，在鈍化層與有源區(qū)薄金屬層相鄰的區(qū)域及有源區(qū)薄金屬層上面的部分區(qū)域是電子束蒸發(fā)有源焊接區(qū)厚金屬層梳狀電極(6)，有源區(qū)薄金屬層上面涂有防反射的透明膜(7)。本探測器可用于檢測紅外線或可見光背景下的紫外信號。
文檔編號G01J1/02GK2703329SQ20032012316
公開日2005年6月1日 申請日期2003年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者謝家純, 王麗玉 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)