一种具有超构表面的等离激元增强4H-SiCMSM紫外光电探测器及其制备方法

一种具有超构表面的等离激元增强4h-sic msm紫外光电探测器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体探测器件技术领域，具体来说，涉及一种具有超构表面的等离激元增强4h-sic msm紫外光电探测器及其制备方法。


背景技术：

2.随着半导体技术领域的迅速发展，半导体紫外光电探测器应运而生。4h-sic属于宽带隙半导体材料，具有禁带宽带大、临界击穿电场较高、热导率高、电子饱和漂移速度较高、抗辐射能力强等优异特性。4h-sic已经成为制备紫外光电探测器的优选半导体材料，主要原因是，（1）4h-sic的衬底和同质外延生长质量高，目前已经实现8英寸衬底和外延的量产，各种缺陷密度显著降低，使得sic探测器的光生载流子寿命相对较长。（2）sic是间接带隙半导体，其吸收系数较小，表面吸收较少，光生载流子的产生与分离效率较高。（3）sic材料可以在其si面直接高温热氧化生长高质量的siox层，能够有效钝化表面的悬挂键，从而降低漏电流。（4）sic光电探测器的制备工艺也较成熟，与硅工艺兼容性较好，有望制备更大光敏面积的探测器、器件的产出率更高，也更有利于商业化生产。
3.因此，以4h-sic材料制备的紫外光电探测器将具有低暗电流、高响应速度、高探测灵敏度、高稳定性等优点。
4.但是，随着许多新兴产业的兴起，要求器件性能越来越高，传统的msm紫外探测器响应度较低，要提高探测器的响应度，可以采用表面结构化的方法，如表面等离激元共振增强等。所以，具有超构表面的等离激元增强4h-sic msm光电探测器对于提高4h-sic紫外光电探测器的性能拥有非常重要的意义。


技术实现要素：

5.针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种具有超构表面的等离激元增强4h-sic msm紫外光电探测器及其制备方法，能够克服现有技术的上述不足。
6.为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种具有超构表面的等离激元增强4h-sic msm紫外光电探测器，包括4h-sic衬底层，所述4h-sic衬底层上设有n型缓冲层，所述n型缓冲层上设有轻掺杂的n-外延层，所述轻掺杂的n-外延层上设有超构表面结构和石墨烯透明电极，所述石墨烯透明电极为叉指电极，所述超构表面结构位于所述石墨烯透明电极的间隙中，所述超构表面结构的顶部设有al纳米结构。
7.进一步地，所述超构表面结构为倾斜台面的光栅结构、纳米孔结构或纳米柱结构。
8.进一步地，所述光栅结构的台面宽度为50nm-500nm，所述光栅结构之间的间距为100nm-1000nm。
9.进一步地，所述al纳米结构为圆盘形、三角柱形或球形。
10.进一步地，所述超构表面结构和al纳米结构位于所述石墨烯透明电极的间隙中
间。
11.根据本发明的另一方面，提供了一种具有超构表面的等离激元增强4h-sic msm紫外光电探测器的制备方法，该方法包括以下步骤：s1 在4h-sic衬底层上依次采用化学气相沉积法外延同质生长n型缓冲层和n-外延层，然后进行rca标准清洗；s2 通过光刻和icp刻蚀技术刻蚀出超构表面结构；s3 通过热氧化方法在器件表面生长二氧化硅钝化层；s4 利用光刻技术将叉指电极位置的二氧化硅腐蚀掉，转移石墨烯材料形成石墨烯透明电极；s5 在超构表面结构上利用电子束蒸发al金属膜，之后采用热退火工艺形成al纳米结构。
12.进一步地，所述n型缓冲层掺杂浓度为1
×
10
18 cm-3
ꢀ‑ꢀ2×
10
20 cm-3
，厚度为0.5μm-2μm。
13.进一步地，所述n-外延层掺杂浓度为1
×
10
15 cm-3
ꢀ‑ꢀ1×
10
17 cm-3
，厚度为2μm-20μm。
14.进一步地，所述al金属膜的沉积厚度为5nm-50nm。
15.进一步地，所述二氧化硅钝化层的厚度为10-100nm。
16.本发明的有益效果：通过光刻和icp刻蚀的方式形成倾斜台面的超构表面，在表面热氧化二氧化硅钝化层，起到减少入射光反射的效果，使更多的紫外光能够被器件吸收。当石墨烯转移至表面后，一部分形成叉指电极，增强对紫外光的吸收，同时留在倾斜台面侧壁的钝化层，增加器件的光敏面积；最后由于超构表面上al纳米结构的存在，在入射光作用下引起局域表面等离激元共振增强对紫外光子的吸收，超构表面、石墨烯电极以及等离激元增强的光吸收使得光生电子空穴对的数量提高，从而有效提高器件的响应度和量子效率，提升紫外光电探测器的应用性能。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例的具有超构表面的等离激元增强4h-sic msm紫外光电探测器的剖面示意图；图2为本发明实施例的具有超构表面的等离激元增强4h-sic msm紫外光电探测器的俯视图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的
范围。
20.根据本发明实施例所述的具有超构表面的等离激元增强4h-sic msm紫外光电探测器，包括4h-sic衬底层1，所述4h-sic衬底层1上设有n型缓冲层2，所述n型缓冲层2上设有轻掺杂的n-外延层3，所述轻掺杂的n-外延层3上设有超构表面结构4和石墨烯透明电极5，所述石墨烯透明电极5为叉指电极，所述超构表面结构4位于所述石墨烯透明电极5的间隙中，所述超构表面结构4的顶部设有al纳米结构6，用于提高光敏面积以及对紫外光的透过率。
21.其中，所述超构表面结构4为倾斜台面的光栅结构、纳米孔结构或纳米柱结构。所述al纳米结构6为圆盘形、三角柱形或球形。
22.所述超构表面结构4和al纳米结构6位于所述石墨烯透明电极5的间隙中间，能够使得电场分布更加均匀。
23.上述具有超构表面的等离激元增强4h-sic msm紫外光电探测器的制备方法包括以下步骤：s1 在4h-sic衬底层1上依次采用化学气相沉积法外延同质生长n型缓冲层2和n-外延层3，然后进行rca标准清洗；s2 通过光刻和icp刻蚀技术刻蚀出超构表面结构4；s3 通过热氧化方法在器件表面生长二氧化硅钝化层，使其侧壁也有钝化层；s4 利用光刻技术boe溶液将叉指电极位置的二氧化硅腐蚀掉，转移石墨烯材料形成石墨烯透明电极5，将超构表面结构4包围，即所有的超构表面结构4都在石墨烯透明电极5的间隙中间，使得电场分布更加均匀；s5 在超构表面结构4上利用电子束蒸发al金属膜，之后采用热退火工艺形成al纳米结构6，以引起等离激元增强的效果。
24.实施例1一种具有超构表面的等离激元增强4h-sic msm紫外光电探测器，其结构如图1-2所示，包括4h-sic衬底层1，所述4h-sic衬底层1上设有n型缓冲层2，所述n型缓冲层2上设有轻掺杂的n-外延层3，所述轻掺杂的n-外延层3上设有超构表面结构4和石墨烯透明电极5，所述石墨烯透明电极5为叉指电极，所述超构表面结构4位于所述石墨烯透明电极5的间隙中，所述超构表面结构4的顶部设有al纳米结构6，用于提高光敏面积以及对紫外光的透过率。所述超构表面结构4为倾斜台面的光栅结构，所述al纳米结构6为球形。
25.实施例2一种具有超构表面的等离激元增强4h-sic msm紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：s1 在高掺杂的n

型4h-sic衬底层1上依次采用化学气相沉积法外延同质生长n型缓冲层2和n-外延层3。所述的n型缓冲层掺杂浓度可以为1
×
10
18 cm-3 ‑ꢀ2×
10
20 cm-3
，厚度可以为0.5μm-2μm；n-外延层的掺杂浓度可以为1
×
10
15 cm-3 ‑ꢀ1×
10
17 cm-3
，厚度可以为2μm-20μm，然后对外延片进行rca标准清洗；s2 以二氧化硅和az5421e光刻胶作为阻挡层，利用光刻和刻蚀技术可以刻出光栅的倾斜台面，台面宽度为50nm-500nm，光栅台面之间的间距为100nm-1000nm，以保证对于紫外光的吸收效率。
26.s4 通过热氧化方法在器件表面生长二氧化硅钝化层，二氧化硅的厚度可以为10nm-100nm。
27.s5 利用光刻技术boe溶液将叉指电极位置的二氧化硅腐蚀掉，转移石墨烯材料形成叉指电极。
28.s6 利用电子束蒸发al金属膜，膜厚为5nm-50nm，之后采用热退火工艺形成球形的al纳米结构。
29.上述rca标准清洗，具体步骤为：s1 用甲苯、丙酮和乙醇超声3-5min，重复3遍，再用去离子水冲洗干净；s2 用三号液于250℃下煮15-20min后，用热、冷去离子水冲洗；所述三号液按体积比的配比为h2so4∶h2o2＝4∶1；s3 将样品放入稀释氢氟酸浸泡3-5min，再用热、冷去离子水冲洗；所述稀释氢氟酸按体积比的配比为hf∶h2o＝1∶20；s4 用一号液煮5-10min后，用热、冷去离子水冲洗；所述一号液按体积比的配比nh3·
h2o∶h2o2∶h2o＝1∶1∶4；s5 将样品放入稀释氢氟酸中浸泡3-5min，再用热、冷去离子水冲洗；s6 用二号液煮5-10min后，用热、冷去离子水冲洗，然后用氮气吹干待用；所述二号液按体积比的配比为hcl∶h2o2∶h2o＝1∶1∶4。
30.上述倾斜台面刻蚀具体步骤为：利用光刻胶回流技术，涂胶、前烘、用第一块掩膜板曝光、显影、冲洗形成台面图形，再通过后烘使光刻胶坍塌，最后通过icp刻蚀形成台面结构。
31.上述钝化层的生长具体步骤为：钝化层的生长在刻蚀光栅之后，光栅台面的侧壁处也会有二氧化硅，可以减少暗电流。首先要通过干氧和湿氧交替氧化的方式长一层二氧化硅作为牺牲层；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；将片子放入氧化炉，再次通过干氧、湿氧、干氧交替氧化的方式长一层约10-100nm厚的致密二氧化硅。
32.石墨烯叉指电极制备的具体步骤：用第二块掩膜板光刻叉指电极区，并用缓冲氢氟酸溶液腐蚀掉电极图像处的氧化层，供转移石墨烯材料做叉指电极用，石墨烯转移至表面后，用丙酮溶液去掉台面及侧壁处的光刻胶和石墨烯。
33.焊盘制备：用第三块掩膜板光刻形成焊盘区，再通过磁控溅射ti/au金属作为器件的焊盘。
34.台面上al纳米结构制备的具体步骤：用第一块掩膜板曝光、显影、冲洗形成al膜的图形，不要沉积金属的地方有光刻胶作为阻挡层，电子束蒸发沉积5nm-50nm的金属al膜，泡丙酮剥离掉除台面外其他区域的金属，最后通过热退火处理形成有序的球形al纳米颗粒结构。
35.综上所述，借助于本发明的上述技术方案，超构表面结构的尺寸、al纳米结构的大小和间距通过合理的计算，以确保紫外光在入射到器件表面时能够达到最大的吸收。当紫外光入射到探测器表面时，一方面由于石墨烯材料是一种透明且良好的导体，同时超构台面侧壁也有钝化层存在，提高器件的光敏面积和减少光反射；另一方面超构表面上al金属中的自由电子在入射光作用下产生集体振荡，当电子集体振荡的频率和入射光的频率相当
时，产生局域表面等离激元共振。超构表面、石墨烯电极以及等离激元增强的光吸收使得光生电子空穴对的数量提高，从而提高探测器的响应度和量子效率，提升紫外光电探测器的应用性能。
36.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。