紫外光電探測器研制

吳會利，劉 劍，申 猛

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

紫外光電探測器是一種可以將紫外光信號轉換成電信號、利用光生伏特效應制成的器件。由于工作在紫外波段，需要考慮紫外光子能量高、吸收系數大以及探測器易老化的特點，因此紫外探測器的結構和應用與可見光及紅外探測器不盡相同。紫外探測器可以用于臭氧探測、污染探測、生物藥劑探測、火焰探測、衛星內及衛星外通信、發光器件校準、紫外成像以及太陽紫外輻射監測等方面。近幾年來，以寬帶隙材料為基底制備的紫外探測器獲得了長足發展，這些包括SiC、GaN、AlN、ZnO、ZnSe、AlGaN 等寬禁帶半導體。與早期的紫外光電倍增管和紫外增強型Si 探測器相比，寬帶隙材料紫外探測器具有噪聲低、靈敏度高、體積小、結構簡單、化學性能穩定，不容易損壞等特點［1］。

目前發展最為成熟的寬帶隙半導體材料是SiC和GaN。它們都具有很寬的帶隙(SiC為3.26eV，GaN為3.39eV)，較高的熔點和臨界電場。基于對缺陷控制和工藝能力等方面的考慮，我們采用SiC作為襯底，以下主要討論SiC 紫外探測器的生產研制工藝。

2 熱氧化層的制備

SiC 和Si 一樣，都是能夠通過熱氧化的方法在襯底表面生長一層熱氧化層的半導體材料，這使得SiC 比其他化合物半導體材料具有更好的鈍化層。此鈍化層可以將器件表面與外界環境隔離開來，使器件對外界環境的干擾不甚敏感，降低表面漏電，提高器件的穩定性和可靠性。

在SiC 襯底上生長SiO2要比Si 襯底緩慢得多。為了能在較短的時間內生長出需要的氧化層，一般是采取在高溫(1100℃左右)氧化爐中生長的方法:氧化采用干氧—氫氧—干氧交替氧化的方法進行的。所謂干氧，是指用來氧化的氣體中不含(或者含有極少的)水蒸氣，氧化速率較慢，但是生成的SiO2薄膜結構均勻致密，不含水汽，鈍化效果佳。氫氧氧化就是指采用H2和O2合成的方式制備氧化層，生長速率較快，約在10－15nm/min 左右(H2:6L，O2:5L)，雖然不如干氧氧化層致密，但質量要明顯好于水汽氧化生長的氧化層。采用交替氧化的方法，既能夠保證生長速度及厚度，也能夠保證SiO2薄膜的質量，所以是用來鈍化SiC 器件的好方法。

為了獲得潔凈的樣品表面，氧化分兩步進行:①先通過干氧(10min)—氫氧(30min)一干氧(10min)的方法生長一層薄薄的犧牲層，再用緩沖的HF 酸溶液(HF:NH4F:H2O=3:6:10)腐蝕去除，然后沖水甩干，此時的襯底表面比較潔凈。②迅速將清洗過的樣品送入氧化爐，再進行干氧(30min)—氫氧(8h)一干氧(30min)氧化襯底表面，這樣得到的氧化層厚度約為95nm，與理論設計的厚度基本一致。由于該鈍化層同時也是SiC 紫外探測器的減反射膜的一部分，特征波長約為280nm(見圖1)。對于熱氧化生長的氧化層，由于氧化生長速率是非線性的，厚度很難控制，因此實驗得到的結果是比較理想的，基本符合要求。

圖1 熱氧化樣品表面的反射譜

3 光敏區后的快退火工藝

退火是離子注入摻雜必不可少的一項技術措施，其作用是消除由注入所產生的晶格損傷，恢復材料少子壽命和載流子遷移率。由于光電探測器的光敏區結深較淺，為了避免對其參數的影響，不進行傳統的熱退火處理，而采用影響較小的快速退火方式，以減少注入雜質分布的偏離，達到消除晶格損傷和激活雜質的目的。

在增透抗反膜形成前進行快速退火處理，避免對增透抗反膜的影響。目前采用的快速退火設備是利用高頻感應加熱環形石墨腔作為大面積均勻紅外熱輻射源，對半導體硅片進行瞬時高溫熱處理以達到快速退火的目的。

具體工藝如下:

硅片常規清洗后，利用推拉系統進入腔體，20秒鐘內硅片從室溫升到900℃，退火工藝為900℃20 秒，然后退出腔體迅速降溫，這樣就可以起到快速恢復少子壽命和載流子遷移率的作用［2］。由于時間較短，在退火后光敏區雜質分布與剛注入時的分布幾乎一致，對光電參數影響較小。

4 增透抗反射膜的制備

探測器對增透抗反射膜的光學要求是折射率匹配，吸收系數小;力學要求是粘附力強，機械強度大，堅硬不易破裂;化學要求是抗腐蝕，抗輻射，抗沾污。增透抗反膜的作用主要是為了加強光線的透射幾率和保護表面不讓裸硅暴露在外，基于反射率、量子效率和機械性能(包括附著力、硬度、應力等)考慮，采用SiO2+Al2O3增透抗反射膜［3］。

Al2O3薄膜的淀積采用電子束蒸發技術。相對于其他淀積技術如電阻加熱蒸發、離子輔助淀積及磁控濺射等，電子束蒸發擁有薄膜厚度控制精確，薄膜消光系數小，薄膜折射率較易控制等優點，廣泛應用于光學薄膜制備領域。因此綜合考慮，SiO2+Al2O3(SiO2采用熱氧化工藝)減反射膜的制備采用電子束蒸發工藝進行。

基本工藝如下:

首先對晶片進行RCA 標準清洗，再將晶片浸入40:1 HF 溶液除去表面一層很薄的氧化層。在薄膜淀積之前，要將電子束蒸發設備的腔體清潔干凈，然后再將待蒸發材料、晶片放入合適的位置。封閉腔體，升溫的同時進行抽真空，直至基底溫度升為300℃，腔體真空度達到3.0 ×10－3Pa。此時，再通氧氣使氧分壓達到2.0 ×10－2Pa，以防止蒸發材料在蒸發成氣態后失氧。然后，用電子束轟擊蒸發材料表面，先預熔蒸發材料，再進行蒸發淀積。Al2O3蒸發材料的純度為99.99%，蒸發速率為0.28nm/s。在蒸發淀積過程中，采用石英晶體監控和光學監控同時進行，以將薄膜厚度誤差降到最低。薄膜淀積結束后，將腔體降溫充氣，最后將樣品取出，Al2O3層厚度做到42nm 左右。

5 結束語

對于光電探測器而言，除了做好增透抗反膜的制備工作，在實際生產研制過程中，退火工藝、刻蝕工藝、電極工藝等也需要重點關注，任何一個環節都可能對器件性能產生較大影響。

［1］張永林，狄紅衛.光電子技術［M］.北京:北京高等教育出版社，2005－5.

［2］劉玉玲，檀柏梅，張楷亮.微電子技術工程［M］.北京:電子工業出版社，2004－10.

［3］張健亮，陳康民.PIN 結光電二極管的工藝原理和制造［J］.中國集成電路，2004(9):72－74.