一种表面优化的异质结紫外光电晶体管及其制备方法与流程

1.本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种表面优化的异质结紫外光电晶体管及其制备方法。


背景技术：

2.sic作为宽禁带半导体，可以避免可见光的干扰，即在较强的可见光和红外背景下仍然可以检测到波长范围为200nm到380nm的紫外光，是制作紫外探测器的理想材料。
3.紫外探测器结构大体可以被分成光电导型、肖特基(schottky)结型、金-半-金(msm)型、pn结型、雪崩光电二极管(apd)型以及从pn结型改进得到的pin型。相比于以上结构的紫外探测器，基于如图1所示常规sic结构的紫外探测器具有较高的增益、较低的偏置电压以及较小的内部噪声等优点，综合了其他常用结构的优势，因此有良好的研究前景。
4.但是，对于常规sic结构的紫外探测器而言，常规sic结构受制于双极型器件的少子存储效应，探测器的响应速度会变差，从而限制了其在高速探测上的应用。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种表面优化的异质结紫外光电晶体管及其制备方法。
6.本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
7.第一方面，本发明提供了一种表面优化的异质结紫外光电晶体管，包括：
8.n型4h-sic衬底；依次设置于所述n型4h-sic衬底的上表面的p型4h-sic缓冲层、n型4h-sic发射区、p型4h-sic基区和n型4h-sic集电区；
9.梯形凹槽，贯穿所述n型4h-sic集电区直至所述p型4h-sic基区的上表面；
10.cafcl层，设置于所述梯形凹槽内，且与所述n型4h-sic集电区的上表面齐平；
11.漏斗形槽阵列，设置于所述cafcl层和所述n型4h-sic集电区上；
12.发射极欧姆接触层，设置于所述n型4h-sic衬底的下表面；
13.集电极欧姆接触层，从剖面来看设置于所述cafcl层中间位置的上表面，以及所述n型4h-sic集电区两端的上表面。
14.在本发明一个实施例中，所述梯形凹槽为上口宽下口窄的结构；其中，
15.所述梯形凹槽的上口宽度为所述n型4h-sic集电区长度的1/3；
16.所述梯形凹槽与所述n型4h-sic集电区的上表面形成的角度范围为45
°
～60
°
。
17.在本发明一个实施例中，所述漏斗形槽阵列中每个漏斗形槽为圆锥体结构，所述圆锥体结构的高度和底面直径均为紫外光波长的1/4。
18.第二方面，本发明提供了一种表面优化的异质结紫外光电晶体管的制备方法，包括：
19.获取n型4h-sic衬底；
20.在所述n型4h-sic衬底的上表面依次生长p型4h-sic缓冲层、n型4h-sic发射区、p
型4h-sic基区和n型4h-sic集电区；
21.刻蚀掉所述n型4h-sic集电区直至所述p型4h-sic基区的上表面形成梯形凹槽；
22.在所述梯形凹槽内形成cafcl层；其中，所述cafcl层的上表面与所述n型4h-sic集电区的上表面齐平；
23.在所述n型4h-sic集电区和所述cafcl层上选择性刻蚀形成漏斗形槽阵列；
24.在所述n型4h-sic衬底的下表面生长第一欧姆金属形成发射极欧姆接触层；
25.在所述cafcl层中间位置的上表面，以及所述n型4h-sic集电区两端的上表面生长第二欧姆金属形成集电极欧姆接触层。
26.在本发明一个实施例中，所述刻蚀掉所述n型4h-sic集电区直至所述p型4h-sic基区的上表面形成梯形凹槽，包括：
27.在所述n型4h-sic集电区光刻出梯形凹槽区域；
28.在所述梯形凹槽区域外的所述n型4h-sic集电区的上表面形成第一掩膜层，并利用高温回流工艺引导所述第一掩膜层呈梯形结构；
29.利用干法刻蚀法或湿法刻蚀法刻蚀掉所述梯形凹槽区域内的所述n型4h-sic集电区直至所述p型4h-sic基区的上表面形成所述梯形凹槽；
30.去除所述梯形凹槽区域外的第一掩膜层。
31.在本发明一个实施例中，所述第一掩膜层为多晶硅/磷硅玻璃双层结构，其中，所述多晶硅的厚度为30nm～80nm，所述磷硅玻璃的厚度为1500nm～2000nm。
32.在本发明一个实施例中，刻蚀形成的所述梯形凹槽为上口宽下口窄的结构；其中，
33.所述梯形凹槽的上口宽度为所述n型4h-sic集电区长度的1/3；
34.所述梯形凹槽与所述n型4h-sic集电区的上表面形成的角度范围为45
°
～60
°
。
35.在本发明一个实施例中，所述在所述n型4h-sic集电区和所述cafcl层上选择性刻蚀形成漏斗形槽阵列，包括：
36.在所述n型4h-sic集电区和所述cafcl层上光刻出梯形漏斗形槽阵列区域；
37.在所述漏斗形槽阵列区域外的所述n型4h-sic集电区和所述cafcl层的上表面形成第二掩膜层，并利用高温回流工艺引导所述第二掩膜层呈漏斗结构；
38.利用干法刻蚀法或湿法刻蚀法刻蚀掉所述漏斗形槽阵列区域内的所述n型4h-sic集电区和所述cafcl层形成所述漏斗形槽阵列；
39.去除所述漏斗形槽阵列区域外的所述第二掩膜层。
40.在本发明一个实施例中，所述第二掩膜层为多晶硅/磷硅玻璃双层结构，其中，所述多晶硅的厚度为30nm～80nm，所述磷硅玻璃的厚度为300nm～500nm。
41.在本发明一个实施例中，刻蚀形成的所述漏斗形槽阵列中每个漏斗形槽为圆锥体结构，所述圆锥体结构的高度和底面直径均为紫外光波长的1/4。
42.本发明的有益效果：
43.本发明提供的表面优化的异质结紫外光电晶体管，集电区通过引入超宽禁带半导体材料cafcl与4h-sic形成异质结，构成内建电场，加速了载流子的移动速度，且引入cafcl材料时采用了梯形凹槽的方式，使得cafcl层与其下方基区的4h-sic形成异质结，同时还与两侧集电区的4h-sic形成异质结，且梯形凹槽的斜边使得自建电场有一个向下的分量，进一步提高了载流子垂直扩散的速度，提升了基于该结构探测器的响应度。
44.同时，在集电区采用漏斗形槽阵列设计，使得紫外光在槽内多次反射直至被吸收，而非直接被较光滑的表面反射，形成类似漫散射效果，提高了光的利用率，从而提升基于该结构探测器的响应度。本发明提供的异质结紫外光电晶体管可以更好的应用于高速探测的场景。
45.以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
46.图1是传统的紫外光电晶体管的结构示意图；
47.图2是本发明实施例提供的一种表面优化的异质结紫外光电晶体管的结构示意图；
48.图3是本发明实施例提供的表面优化的异质结紫外光电晶体管的俯视结构示意图；
49.图4是本发明实施例提供的一种表面优化的异质结紫外光电晶体管的制备方法流程示意图；
50.图5(a)～图5(f)是本发明实施例提供的表面优化的异质结紫外光电晶体管制备过程对应的结构示意图。
51.附图标记说明：
52.1-n型4h-sic衬底；2-p型4h-sic缓冲层；3-n型4h-sic发射区；4-p型4h-sic基区；5-n型4h-sic集电区；6-cafcl层；7-发射极欧姆接触层；8-集电极欧姆接触层。
具体实施方式
53.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
54.为了提高器件的响应度，本发明实施例提供了一种表面优化的异质结紫外光电晶体管及其制备方法。
55.第一方面，请参见图2，本发明实施例提供了一种表面优化的异质结紫外光电晶体管，包括：
56.n型4h-sic衬底1；依次设置于n型4h-sic衬底1的上表面的p型4h-sic缓冲层、n型4h-sic发射区3、p型4h-sic基区4和n型4h-sic集电区5；
57.梯形凹槽，贯穿n型4h-sic集电区5直至p型4h-sic基区4的上表面；
58.cafcl层6，设置于梯形凹槽内，且与n型4h-sic集电区5的上表面齐平；
59.漏斗形槽阵列，设置于cafcl层6和n型4h-sic集电区5上；
60.发射极欧姆接触层7，设置于n型4h-sic衬底1的下表面；
61.集电极欧姆接触层8，设置于cafcl层6中间位置的上表面，以及n型4h-sic集电区5两端的上表面。
62.图2中整体结构是器件从中间位置横向剖开来看的剖面图，此时剖面看到集电极欧姆接触层8是位于cafcl层中间上表面和4h-sic两端上表面，中间较宽两端较窄；而从器件的俯视角度来看，集电极欧姆接触层8呈米子框架状，中间部分为设置于cafcl层6中间位置的集电极欧姆接触层8，可以作为焊接点。同时，请再参见图3，由于n型4h-sic集电区5和
cafcl层6上刻蚀有漏斗形槽阵列，集电极欧姆接触层8生设置于部分n型4h-sic集电区5和部分cafcl层6上，使得集电极欧姆接触层8呈现出如图3所示的网状结构，增加了光照射在器件上的几率，同时设计中漏斗形槽阵列中的每个漏斗形槽与集电极欧姆接触层8边缘的直线距离不超过1.5μm～2μm，从而进一步减少光的损失。其中，漏斗形槽阵列不局限于图3的分布，可以根据需要设计不同网状结构对应的漏斗形槽阵列分布。
63.优选地，n型4h-sic衬底1的厚度为360μm；p型4h-sic缓冲层的厚度为1μm～2μm；n型4h-sic发射区3的厚度为2μm～5μm；p型4h-sic基区4的厚度为1μm～3μm；n型4h-sic集电区5的厚度为0.5μm～1μm；梯形凹槽为上口宽下口窄的结构，梯形凹槽的上口宽度为n型4h-sic集电区5长度的1/3，梯形凹槽与n型4h-sic集电区5的上表面形成的角度范围为45
°
～60
°
；cafcl层6与n型4h-sic集电区5的厚度相同，为0.5μm～1μm；漏斗形槽阵列中每个漏斗形槽为圆锥体结构，圆锥体结构的高度和底面直径均为紫外光波长的1/4；集电极欧姆接触层8厚度为100nm～300nm、材料为ni、ti；发射极欧姆接触层7的厚度为100nm～300nm、材料为ni、ti。
64.综上所述，本发明实施例提供的表面优化的异质结紫外光电晶体管，集电区通过引入超宽禁带半导体材料cafcl与4h-sic形成异质结，构成内建电场，加速了载流子的移动速度，且引入cafcl材料时采用了梯形凹槽的方式，使得cafcl层6与其下方基区的4h-sic形成异质结，同时还与两侧集电区的4h-sic形成异质结，且梯形凹槽的斜边使得自建电场有一个向下的分量，进一步提高了载流子垂直扩散的速度，提升了器件的响应度；
65.同时，在集电区采用漏斗形槽阵列设计，使得紫外光在槽内多次反射直至被吸收，而非直接被较光滑的表面反射，形成类似漫散射效果，提高了光的利用率，从而提升器件的响应度。本发明实施例提供的异质结紫外光电晶体管可以更好的应用于高速探测的场景。
66.对应地，第二方面，请参见图4，发明实施例提供了一种表面优化的异质结紫外光电晶体管的制备方法，用于制备图2的异质结紫外光电晶体管，包括以下步骤：
67.s401、获取n型4h-sic衬底1。
68.s402、在n型4h-sic衬底1的上表面依次生长p型4h-sic缓冲层、n型4h-sic发射区3、p型4h-sic基区4和n型4h-sic集电区5。
69.具体而言，请参见图5(a)，本发明实施例提供了一种可选方案，利用等离子体增强化学的气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，简称pecvd)或低压化学气相沉积(low pressure chemical vapor deposition，简称lpcvd)设备，在厚度为350μm～360μm的n型4h-sic衬底1的上表面依次生长厚度为1μm～2μm的p型4h-sic缓冲层、厚度为2μm～5μm的n型4h-sic发射区3、厚度为1μm～3μm的p型4h-sic基区4和0.5μm～1μm的n型4h-sic集电区5。
70.s403、刻蚀掉n型4h-sic集电区5直至p型4h-sic基区4的上表面形成梯形凹槽。
71.具体而言，请参见图5(b)，本发明实施例提供了一种可选方案，刻蚀掉n型4h-sic集电区5直至p型4h-sic基区4的上表面形成梯形凹槽，包括以下步骤：
72.s4031、在n型4h-sic集电区5光刻出梯形凹槽区域。
73.具体而言，在n型4h-sic集电区5的中间位置利用光刻胶显影技术光刻出梯形凹槽区域。
74.s4032、在梯形凹槽区域外的n型4h-sic集电区5的上表面形成第一掩膜层，并利用
高温回流工艺引导第一掩膜层呈梯形结构。
75.具体而言，本发明实施例在梯形凹槽区域外的n型4h-sic集电区5的上表面形成第一掩膜层，同时利用高温回流工艺引导第一掩膜层呈梯形结构，该高温回流工艺为现有技术，在此不再赘述。通常的掩膜层适合直角性的掩膜刻蚀，由于本发明实施例刻蚀结构为梯形结构，所以选择的第一掩膜层要求同时具备以下特征：可以准确形成需要的梯形结构，对n型4h-sic集电区5的上表面无影响，且为容易剥离的材料。本发明实施例优选第一掩膜层为多晶硅/磷硅玻璃双层结构，多晶硅的厚度为30nm～80nm，磷硅玻璃的厚度为1500nm～2000nm，由于磷硅玻璃在一定温度下具有较好的流动性，使得第一掩膜层容易形成梯形斜面性的掩膜结构。
76.s4033、利用干法刻蚀法或湿法刻蚀法刻蚀掉梯形凹槽区域内的n型4h-sic集电区5直至p型4h-sic基区4的上表面形成梯形凹槽。
77.具体而言，本发明实施例提供了一种可选方案，在干法刻蚀中选择利用感应耦合等离子体(inductive coupled plasma emission spectrometer，简称icp)工艺蚀掉梯形凹槽区域内的n型4h-sic集电区5直至p型4h-sic基区4的上表面形成梯形凹槽，优选刻蚀形成的梯形凹槽为上口宽下口窄的结构，梯形凹槽的上口宽度为n型4h-sic集电区5长度的1/3，梯形凹槽与n型4h-sic集电区5的上表面形成的角度范围为45
°
～60
°
。比如，n型4h-sic集电区5长度为90μm，则可以刻蚀形成上口宽度为30μm，对应梯形凹槽与n型4h-sic集电区5的上表面角度可以取45
°
、55
°
或60
°
，通过上口宽度和角度可以计算得到下口宽度，以确定本发明实施例需要的梯形凹槽结构。可以看出，梯形不局限于是等腰梯形，满足角度和上口宽度的梯形结构均可以。
78.本发明实施例提供了另一种可选方案，利用湿法刻蚀法刻蚀掉梯形凹槽区域内的n型4h-sic集电区5直至p型4h-sic基区4的上表面形成梯形凹槽。由于湿法刻蚀比干法刻蚀更容易控制梯形凹槽的刻蚀精度，因此，在上述icp刻蚀中，也可以同时采用湿法刻蚀法，根据实际设计需要，可以先选择icp刻蚀，刻蚀达到某一刻蚀深度再选择湿法刻蚀法以控制梯形凹槽的刻蚀精度。
79.s4034、去除梯形凹槽区域外的第一掩膜层。
80.具体而言，利用缓冲氧化物刻蚀(buffered oxide etch，简称boe)溶液去除梯形凹槽区域外的第一掩膜层，最终刻蚀结构如图5(b)所示。
81.s404、在梯形凹槽内形成cafcl层6；其中，cafcl层6的上表面与n型4h-sic集电区5的上表面齐平。
82.具体而言，请参见图5(c)，本发明实施例提供了一种可选方案，利用脉冲激光或分子束外延(molecular beam epitaxy，简称mbe)，在梯形凹槽内沉积cafcl材料形成cafcl层6，cafcl层6与其侧方相接触的n型4h-sic集电区5形成异质结构，以及与其下方相接触的p型4h-sic基区4形成异质结构。本发明实施例从众多材料选择在梯形凹槽内沉积cafcl材料，是因为：发明人研究发现单层cafcl是一种直接带隙为6.62ev的超宽禁带半导体，其在2200k下仍能保持热稳定，适合在高温器件中的应用，且单层cafcl的带隙可以通过外加应变和层厚来调节，在双轴应变下，直接带隙可以转化为间接带隙，使其具有超宽带的特点。由于超宽带隙的特点，单层cafcl在太阳光谱的紫外范围内具有明显的光学吸收效果，基于此分析，发明人在梯形凹槽内选择沉积cafcl材料形成cafcl层6。
83.s405、在n型4h-sic集电区5和cafcl层6上选择性刻蚀形成漏斗形槽阵列。
84.具体而言，为了提高器件对光的利用率，请参见图5(d)，本发明实施例提供了一种可选方案，在n型4h-sic集电区5和cafcl层6上选择性刻蚀形成漏斗形槽阵列，包括以下步骤：
85.s4051、在n型4h-sic集电区5和cafcl层6上光刻出梯形漏斗形槽阵列区域。
86.具体而言，在n型4h-sic集电区5和cafcl层6上利用光刻胶显影技术光刻出漏斗形槽阵列区域。
87.s4052、在漏斗形槽阵列区域外的n型4h-sic集电区5和cafcl层6的上表面形成第二掩膜层，并利用高温回流工艺引导第二掩膜层呈漏斗结构。
88.具体而言，本发明实施例在漏斗形槽阵列区域外的n型4h-sic集电区5和cafcl层6的上表面形成第二掩膜层，同时利用高温回流工艺引导第二掩膜层呈漏斗形槽。类似s4032，本发明实施例优选第二掩膜层为多晶硅/磷硅玻璃双层结构，多晶硅的厚度为30nm～80nm，磷硅玻璃的厚度为300nm～500nm，同样利用磷硅玻璃的流动性，使得第二掩膜层容易形成漏斗形斜面性的掩膜结构。
89.s4053、利用干法刻蚀法或湿法刻蚀法刻蚀掉漏斗形槽阵列区域内的n型4h-sic集电区5和cafcl层6内形成漏斗形槽阵列。
90.具体而言，本发明实施例提供了一种可选方案，利用干法刻蚀法cpi工艺或者湿法刻蚀工艺法刻蚀掉漏斗形槽阵列区域内的n型4h-sic集电区5和cafcl层6内形成漏斗形槽阵列，优选刻蚀形成的漏斗形槽阵列包括若干漏斗形槽，每个漏斗形槽为圆锥体结构，圆锥体结构的高度和底面直径均为紫外光波长的1/4。比如，一般紫外线光波长范围为200nm～380nm，可以计算得到紫外光波长的1/4对应的范围为50nm～95nm，即本发明实施例每个漏斗形槽可以为高度和底面直径均为50nm～95nm的圆锥体结构，漏斗形槽矩阵的设计充分考虑到了紫外光的特性。
91.s4054、去除漏斗形槽阵列区域外的第二掩膜层。
92.具体而言，利用boe溶液去除漏斗形槽阵列区域外的第二掩膜层，最终刻蚀结构如图5(d)所示。
93.s406、在n型4h-sic衬底1的下表面生长第一欧姆金属形成发射极欧姆接触层7。
94.具体而言，请参见图5(e)，本发明实施例提供了一种可选方案，利用磁控溅射工艺或电子束蒸发工艺，在n型4h-sic衬底1的下表面生长厚度为100nm～300nm的第一欧姆金属形成发射极欧姆接触层7。其中，第一欧姆金属可以为ni、ti等。
95.形成发射极欧姆接触层7后，利用退火工艺进行退火处理，比如在退火温度为1000℃～1050℃、退火时间为2min～3min下进行退火处理。
96.本发明实施例提供了另一种可选方案，退火完成后，在发射极欧姆接触层7的下表面沉积厚度为100nm～200nm的ag材料形成ag保护层。
97.s407、在cafcl层6中间位置的上表面，以及n型4h-sic集电区5两端的上表面生长第二欧姆金属形成集电极欧姆接触层8。
98.具体而言，请参见图5(f)，本发明实施例提供了一种可选方案，利用磁控溅射工艺或电子束蒸发工艺，在cafcl层6中间位置的上表面，以及n型4h-sic集电区5两端的上表面生长厚度为100nm～300nm的第二欧姆金属形成集电极欧姆接触层8。其中，第二欧姆金属可
以为ni、ti等。
99.形成集电极欧姆接触层8后，利用退火工艺进行退火处理，比如在退火温度为1000℃～1050℃、退火时间为2min～3min下进行退火处理。
100.本发明实施例中提到的pecvd、lpcvd、icp刻蚀方法和退火工艺等操作方法均为现有技术，此处不再赘述。
101.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
102.在本发明实施例的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
103.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
104.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
105.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。