一种双面网格状碳化硅基位置敏感探测器及其制备方法

本发明涉及一种双面网格状碳化硅基位置敏感探测器及其制备方法，属于半导体器件光电探测。

背景技术：

1、位置敏感探测器（position sensitive detector, psd）基于横向光电效应，可根据电极输出电流的比例关系，实现对入射光斑重心位置的连续、高精度解算。凭借其在位置探测方面实时性与连续性的优势，psd已广泛应用于激光准直标定、工业自动化精密测控、高能物理探测等诸多前沿领域。然而，当前传统psd技术在材料体系、器件结构与工艺设计方面仍面临若干关键技术瓶颈，难以满足极端工况及高精度、高速探测场景的应用需求。具体表现如下。

2、（1）材料性能限制：目前主流的psd仍以硅（si）基材料为主。随着对低能耗、高可靠性探测系统需求的不断提升，传统si基psd较差的可靠性日益成为制约其在位置探测领域应用的主要障碍。具体而言，si材料的禁带宽度较窄（约1.12 ev），本质上对可见光敏感，为抑制白光噪声，必须配合使用昂贵的滤光片。此外，硅的临界位移能较低，在高温、强辐照等极端工况下，本征载流子易被大量激发，导致暗电流显著上升、信噪比严重劣化，从而显著制约器件的探测稳定性与环境适应性。

3、（2）结构线性度缺陷：传统单面psd中，四边型（tetra-lateral）结构受限于表面电阻层的边缘效应及电极间的相互干扰，存在严重的“枕形”非线性失真，位置线性度较差（非线性误差通常大于2%），在探测面边缘区域尤为明显。尽管理论上枕型（pin-cushion）psd在满足gear定理时可实现无失真位置探测，但其对表面各功能区的电阻均匀性、一致性、对称性及工艺参数极为敏感，实际制备中的工艺窗口较窄，难以在大规模生产条件下稳定获得高线性度器件。

4、（3）响应速度瓶颈：当前主流psd普遍采用整面式电阻层结构，该设计会引入较大的器件结电容。与此同时，现有制备工艺多采用离子注入等掺杂方式，受限于激活效率，掺杂原子的激活率偏低，难以实现高电导率特性，导致电阻层的方块电阻较高。在结电容偏大、方块电阻偏高的共同作用下，器件的rc时间常数显著增加，严重制约了整体响应速度，难以满足高频动态探测场景对实时响应的应用需求。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述背景技术中的不足，提供一种双面网格状碳化硅基位置敏感探测器。该器件采用宽禁带半导体碳化硅（sic）作为衬底，结合“正面p+/背面n+”的双面同质外延结构，并在正反面光敏区均引入网格状选区刻蚀设计。通过上述技术方案，旨在使器件在保持高位置线性度的同时，降低器件电容与方块电阻，从而实现纳秒级响应速度，并具备在高温、强辐射等极端环境下稳定工作的能力。

2、本发明提供一种双面网格状碳化硅基位置敏感探测器及其制备方法，以解决现有位置敏感探测器在极端环境下可靠性差、线性度低和响应速度慢的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

4、一种双面网格状碳化硅基位置敏感探测器，包括从下到上依次相接的n型欧姆接触下电极、网格状n型碳化硅高掺外延层、碳化硅衬底、网格状p型碳化硅高掺外延层和p型欧姆接触上电极；所述n型欧姆接触下电极和所述p型欧姆接触上电极上设有金属导电电极。

5、可选的，所述网格状n型碳化硅高掺外延层与所述碳化硅衬底之间设有n型缓冲层；所述网格状p型碳化硅高掺外延层与所述碳化硅衬底之间设有p型缓冲层。

6、上述在n型高掺外延层和p型高掺外延层上通过选区刻蚀形成的网格状结构，用于减小探测器终端电容以及提升响应速度；

7、上述n型高掺外延层和p型高掺外延层可同时作为光敏区和接触区：一方面，高掺外延层与碳化硅衬底之间形成的pn结在反向偏置下产生耗尽层，用于吸收入射光子并产生光生载流子，实现光电转换功能；另一方面，高掺外延层的高掺杂浓度使其能够与金属电极形成良好的欧姆接触，无需像传统psd那样通过额外的离子注入步骤来获得重掺杂接触区。

8、上述n型欧姆接触下电极和p型欧姆接触上电极为长条状，分别设置于器件相对的两端，且两两平行、相互垂直；其中，所述p型欧姆接触上电极用于提取空穴信号，所述n型欧姆接触下电极用于提取电子信号;

9、上述金属导电电极可以有效提高器件的电流扩展和载流子收集能力，用于封装打线和测试。

10、上述碳化硅基双面网格状位置敏感探测器的原理如下：当探测器光敏面局部被辐照时，入射光子进入有源吸收区（主要位于高阻衬底区域及耗尽层内），产生电子-空穴对。在反向偏置电压作用下，光生电子向n型区域漂移，光生空穴向p型区域漂移。随后光生载流子横向扩散至对应的长条状欧姆接触电极。通过读取设置于x轴方向两端的一对长条状电极的电流参数，确定入射光斑的x坐标；通过读取设置于y轴方向两端的一对长条形电极的电流参数，确定入射光斑的y坐标。

11、若以位置敏感探测器的几何中点为原点，可通过读取四个电极的电流来判断入射光斑的位置。四个电极分别为：设置于上表面沿x轴方向两端的第一p型欧姆接触上电极（e1）和第二p型欧姆接触上电极（e2），以及设置于下表面沿y轴方向两端的第一n型欧姆接触下电极（e3）和第二n型欧姆接触下电极（e4）。

12、入射光斑重心（x, y）在位置敏感探测器上的x坐标由上表面两个电极的电流比值确定，y坐标由下表面两个电极的电流比值确定，具体表示为：

13、其中，i1和i2分别为第一p型欧姆接触上电极和第二p型欧姆接触上电极输出的电流，i3和i4分别为第一n型欧姆接触下电极和第二n型欧姆接触下电极输出的电流，lx为x方向光敏面长度，ly为y方向光敏面长度。

14、本发明提出了一种基于碳化硅材料的双面网格状位置敏感探测器。在借鉴双面psd结构优势（将x、y定位功能分离至正反两面，提升线性度）以及利用碳化硅宽禁带、高导热、抗辐照等材料特性的基础上，本发明的核心改进在于：采用两次异面外延生长分别在衬底正反面形成p型和n型高掺外延层，并在此基础上通过选区刻蚀形成双面网格状结构。该设计有效降低了器件的终端电容，缩短了载流子渡越时间，使rc时间常数显著减小。相较于传统整面电阻层结构的微秒级响应速度，本发明的理论响应速度可提升至纳秒级。同时，高掺外延层直接作为光敏区和接触区，无需额外的离子注入步骤即可形成良好欧姆接触，有效规避了离子注入带来的晶格损伤和工艺复杂度。

15、综上，本发明将双面psd的结构优势、碳化硅的材料优势与双面网格状电极设计及异面外延工艺相结合，实现了兼具高线性度、超快响应速度和极端环境适应性的位置敏感探测器，克服了传统psd在高速、高温、高辐照应用场景下的技术瓶颈。

16、为了进一步提高器件性能，n型碳化硅衬底的掺杂浓度低于1×1017 cm-3，更优选为1×1014 cm-3；n型或p型碳化硅高掺外延层的掺杂浓度高于5×1018 cm-3，更优选为1×1019cm-3；n型或p型碳化硅高掺外延层的厚度大于10 nm，更优选为200 nm；所述网格状结构的网格线宽为0.01 μm~100 μm，网格间距为0.01 μm~100 μm；优选地，x方向光敏面长度等于y方向光敏面长度。

17、为了确保器件的综合性能，p型欧姆接触上电极的材料为镍、钛、铝、金等材料中一种或两种以上任意配比的混合物；n型欧姆接触下电极的材料为镍、钛、铝、金等材料中一种或两种以上任意配比的混合物；金属导电电极优选由钛层和金层构成，且完全位于p型或n型欧姆接触范围上；金属导电电极可兼容作为引线键合的pad区域。

18、上述双面网格状碳化硅基位置敏感探测器的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：

19、1）在碳化硅衬底的上表面外延生长p型碳化硅高掺外延层，在碳化硅衬底的下表面外延生长n型碳化硅高掺外延层；优选，采用高温化学气相沉积（cvd）方式在衬底上下表面分步外延生长p型和n型高掺外延层；

20、2）以光刻胶图案或图形化介质为掩模，采用电感耦合等离子体（icp）干法刻蚀技术，在p型碳化硅高掺外延层和n型碳化硅高掺外延层表面分步刻蚀出网格状凹槽结构，刻蚀深度为外延层厚度的100%；去除掩膜后形成网格状p型碳化硅高掺外延层和网格状n型碳化硅高掺外延层；

21、3）可选的，在p型碳化硅高掺外延层和n型碳化硅高掺外延层表面沉积形成钝化层；优选采用高温热氧化方法制备二氧化硅钝化层，钝化层厚度小于200 nm，更优选为60nm；

22、4）在钝化层表面旋涂光刻胶，并通过曝光显影形成光刻胶图案，定义p型欧姆接触上电极和n型欧姆接触下电极的窗口区域，然后通过刻蚀或者湿法腐蚀去除窗口区域的钝化层，暴露p型碳化硅高掺外延层和n型碳化硅高掺外延层的表面；优选，采用湿法腐蚀或反应离子刻蚀（rie）方法在电极窗口区域进行刻蚀；

23、5）在暴露的网格状p型碳化硅高掺外延层表面淀积p型欧姆接触金属，在暴露的网格状n型碳化硅高掺外延层表面淀积n型欧姆接触金属，进行热退火处理，分别形成p型欧姆接触上电极和n型欧姆接触下电极；优选，p型欧姆接触上电极和n型欧姆接触下电极采用物理气相沉积（pvd）方式沉积；

24、6）在p型欧姆接触上电极和n型欧姆接触下电极上淀积金属导电电极；

25、7）裂片，将外延片划分为单个器件，完成双面网格状碳化硅基位置敏感探测器的制备。

26、步骤1）中，可选的，在p型碳化硅高掺外延层与碳化硅衬底之间外延生长p型缓冲层；在n型碳化硅高掺外延层与碳化硅衬底之间外延生长n型缓冲层。

27、步骤5）中，p型欧姆接触上电极和n型欧姆接触下电极为长条形，分别设置于器件相对的两端，且两两平行、相互垂直；p型欧姆接触上电极和n型欧姆接触下电极的材料为镍、钛、铝、金等材料中的一种或两种以上任意配比的混合物；热退火处理的温度优选为800~850°c，时间优选为2~3 min。

28、本发明未提及的技术均参照现有技术。

29、本发明基于双面网格状结构的碳化硅基位置敏感探测器，继承了双面psd将x、y定位功能分离至正反两面的结构特性，具有较高的位置线性度；同时，通过在正反面的高掺外延层上引入选区刻蚀形成的网格状结构，有效降低了器件的终端电容，显著提升了响应速度；此外，高掺外延层同时作为光敏区和接触区，无需额外的离子注入步骤，简化了器件结构和制备工艺，有利于产业化生产。

30、本发明提出了一种基于碳化硅材料的双面网格状位置敏感探测器。在借鉴双面psd结构优势（将x、y定位功能分离至正反两面，提升线性度）以及利用碳化硅宽禁带、高导热、抗辐照等材料特性的基础上，本发明的核心改进和创新在于：

31、第一，高掺外延层的一体化功能设计。本发明中的n型和p型碳化硅高掺外延层同时作为光敏区和接触区，既参与pn结的形成以实现光电转换，又作为低电阻通道实现载流子的横向输运，且高掺杂浓度使其能够与金属电极直接形成良好的欧姆接触，无需额外的离子注入步骤。该一体化设计简化了器件结构和制备工艺，降低了制造成本，减少了界面缺陷，提升了器件可靠性。

32、第二，双面网格状结构实现超快响应速度。本发明在n型和p型高掺外延层上均通过选区刻蚀形成网格状结构，有效降低了器件的终端电容，缩短了载流子渡越时间，使rc时间常数显著减小。相较于传统整面电阻层结构的微秒级响应速度，本发明的理论响应速度可提升至纳秒级。

33、综上，本发明通过“高掺外延层一体化功能设计+双面网格状电极+碳化硅材料”的协同创新，实现了兼具高线性度、超快响应速度和极端环境适应性的位置敏感探测器，克服了传统psd在高速、高温、高辐照应用场景下的技术瓶颈。