紫外光电探测器研制

吴会利，刘 剑，申 猛

(中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032)

1 引言

紫外光电探测器是一种可以将紫外光信号转换成电信号、利用光生伏特效应制成的器件。由于工作在紫外波段，需要考虑紫外光子能量高、吸收系数大以及探测器易老化的特点，因此紫外探测器的结构和应用与可见光及红外探测器不尽相同。紫外探测器可以用于臭氧探测、污染探测、生物药剂探测、火焰探测、卫星内及卫星外通信、发光器件校准、紫外成像以及太阳紫外辐射监测等方面。近几年来，以宽带隙材料为基底制备的紫外探测器获得了长足发展，这些包括SiC、GaN、AlN、ZnO、ZnSe、AlGaN 等宽禁带半导体。与早期的紫外光电倍增管和紫外增强型Si 探测器相比，宽带隙材料紫外探测器具有噪声低、灵敏度高、体积小、结构简单、化学性能稳定，不容易损坏等特点［1］。

目前发展最为成熟的宽带隙半导体材料是SiC和GaN。它们都具有很宽的带隙(SiC为3.26eV，GaN为3.39eV)，较高的熔点和临界电场。基于对缺陷控制和工艺能力等方面的考虑，我们采用SiC作为衬底，以下主要讨论SiC 紫外探测器的生产研制工艺。

2 热氧化层的制备

SiC 和Si 一样，都是能够通过热氧化的方法在衬底表面生长一层热氧化层的半导体材料，这使得SiC 比其他化合物半导体材料具有更好的钝化层。此钝化层可以将器件表面与外界环境隔离开来，使器件对外界环境的干扰不甚敏感，降低表面漏电，提高器件的稳定性和可靠性。

在SiC 衬底上生长SiO2要比Si 衬底缓慢得多。为了能在较短的时间内生长出需要的氧化层，一般是采取在高温(1100℃左右)氧化炉中生长的方法:氧化采用干氧—氢氧—干氧交替氧化的方法进行的。所谓干氧，是指用来氧化的气体中不含(或者含有极少的)水蒸气，氧化速率较慢，但是生成的SiO2薄膜结构均匀致密，不含水汽，钝化效果佳。氢氧氧化就是指采用H2和O2合成的方式制备氧化层，生长速率较快，约在10－15nm/min 左右(H2:6L，O2:5L)，虽然不如干氧氧化层致密，但质量要明显好于水汽氧化生长的氧化层。采用交替氧化的方法，既能够保证生长速度及厚度，也能够保证SiO2薄膜的质量，所以是用来钝化SiC 器件的好方法。

为了获得洁净的样品表面，氧化分两步进行:①先通过干氧(10min)—氢氧(30min)一干氧(10min)的方法生长一层薄薄的牺牲层，再用缓冲的HF 酸溶液(HF:NH4F:H2O=3:6:10)腐蚀去除，然后冲水甩干，此时的衬底表面比较洁净。②迅速将清洗过的样品送入氧化炉，再进行干氧(30min)—氢氧(8h)一干氧(30min)氧化衬底表面，这样得到的氧化层厚度约为95nm，与理论设计的厚度基本一致。由于该钝化层同时也是SiC 紫外探测器的减反射膜的一部分，特征波长约为280nm(见图1)。对于热氧化生长的氧化层，由于氧化生长速率是非线性的，厚度很难控制，因此实验得到的结果是比较理想的，基本符合要求。

图1 热氧化样品表面的反射谱

3 光敏区后的快退火工艺

退火是离子注入掺杂必不可少的一项技术措施，其作用是消除由注入所产生的晶格损伤，恢复材料少子寿命和载流子迁移率。由于光电探测器的光敏区结深较浅，为了避免对其参数的影响，不进行传统的热退火处理，而采用影响较小的快速退火方式，以减少注入杂质分布的偏离，达到消除晶格损伤和激活杂质的目的。

在增透抗反膜形成前进行快速退火处理，避免对增透抗反膜的影响。目前采用的快速退火设备是利用高频感应加热环形石墨腔作为大面积均匀红外热辐射源，对半导体硅片进行瞬时高温热处理以达到快速退火的目的。

具体工艺如下:

硅片常规清洗后，利用推拉系统进入腔体，20秒钟内硅片从室温升到900℃，退火工艺为900℃20 秒，然后退出腔体迅速降温，这样就可以起到快速恢复少子寿命和载流子迁移率的作用［2］。由于时间较短，在退火后光敏区杂质分布与刚注入时的分布几乎一致，对光电参数影响较小。

4 增透抗反射膜的制备

探测器对增透抗反射膜的光学要求是折射率匹配，吸收系数小;力学要求是粘附力强，机械强度大，坚硬不易破裂;化学要求是抗腐蚀，抗辐射，抗沾污。增透抗反膜的作用主要是为了加强光线的透射几率和保护表面不让裸硅暴露在外，基于反射率、量子效率和机械性能(包括附着力、硬度、应力等)考虑，采用SiO2+Al2O3增透抗反射膜［3］。

Al2O3薄膜的淀积采用电子束蒸发技术。相对于其他淀积技术如电阻加热蒸发、离子辅助淀积及磁控溅射等，电子束蒸发拥有薄膜厚度控制精确，薄膜消光系数小，薄膜折射率较易控制等优点，广泛应用于光学薄膜制备领域。因此综合考虑，SiO2+Al2O3(SiO2采用热氧化工艺)减反射膜的制备采用电子束蒸发工艺进行。

基本工艺如下:

首先对晶片进行RCA 标准清洗，再将晶片浸入40:1 HF 溶液除去表面一层很薄的氧化层。在薄膜淀积之前，要将电子束蒸发设备的腔体清洁干净，然后再将待蒸发材料、晶片放入合适的位置。封闭腔体，升温的同时进行抽真空，直至基底温度升为300℃，腔体真空度达到3.0 ×10－3Pa。此时，再通氧气使氧分压达到2.0 ×10－2Pa，以防止蒸发材料在蒸发成气态后失氧。然后，用电子束轰击蒸发材料表面，先预熔蒸发材料，再进行蒸发淀积。Al2O3蒸发材料的纯度为99.99%，蒸发速率为0.28nm/s。在蒸发淀积过程中，采用石英晶体监控和光学监控同时进行，以将薄膜厚度误差降到最低。薄膜淀积结束后，将腔体降温充气，最后将样品取出，Al2O3层厚度做到42nm 左右。

5 结束语

对于光电探测器而言，除了做好增透抗反膜的制备工作，在实际生产研制过程中，退火工艺、刻蚀工艺、电极工艺等也需要重点关注，任何一个环节都可能对器件性能产生较大影响。

［1］张永林，狄红卫.光电子技术［M］.北京:北京高等教育出版社，2005－5.

［2］刘玉玲，檀柏梅，张楷亮.微电子技术工程［M］.北京:电子工业出版社，2004－10.

［3］张健亮，陈康民.PIN 结光电二极管的工艺原理和制造［J］.中国集成电路，2004(9):72－74.