[发明专利]基于碳化硅金属半导体场效应管结构的β辐照探测器

说明书

技术领域

本发明属于微电子领域，尤其涉及到一种基于碳化硅金属半导体场效应管结构的β辐照探测器，可用于β射线电离辐射探测领域。

技术背景

半导体辐射探测器是继气体探测器，闪烁体探测器之后发展起来的一种新型的先进的探测器。其基本原理是采用半导体工艺，如蒸发，扩散，离子注入等，在半导体基片上，通过在反向偏压的工作条件下制成较厚的耗尽层或扩散区，用来探测入射射线或带电粒子。现有的半导体辐射探测器都是基于Si，GaAs材料的二极管和PIN管等结构，主要用于探测α粒子、β射线和中子等。

半导体辐射探测器对材料有很高的要求，一般认为应该具有以下的特性：

(1)较大的禁带宽度，保证探测器工作时，具有较高的电阻率和较低的漏电流；

(2)良好的工艺性能，容易制得纯度高，完整性好的晶体，同时具有良好的机械性能和化学性能，便于进行机械加工，容易制作成势垒接触或欧姆接触；

(3)优异的物理性能，能耐较高的反向偏压，反向电流小，正向电流也小；同时材料中载流子的迁移率-寿命积要大，确保探测器具有良好的能量分辨率。

传统的Si、GaAs结型场效应晶体管器件已不太适合核辐射探测等领域，是因为这些器件的热导率低、击穿电压较低、功率密度低、抗辐照性能不佳。为了满足在国防及医疗领域对高性能，高可靠性半导体辐射探测器的需求，需要开发基于新型半导体材料的辐射探测器。

半导体材料的SiC具有2.6～3.2eV的宽禁带宽度、2.0×10⁷cm·s^-1的高饱和电子漂移速度、2.2MV·cm^-1的高击穿电场和3.4～4.9W·cm^-1·s^-1的高热导率等性能，并且具有较低的介电常数，这些特性决定了其在高温、高频、大功率半导体器件、抗辐射、数字集成电路等方面都存在极大的应用潜力，尤其是抗辐射性能好而适合于核环境工作等优点，因此基于SiC抗辐射半导体器件在辐射探测领域将会有更好的应用前景。为此相关的科研人员也做了这方面的研究。基于SiC的金属半导体场效应晶体管是用金半结代替PN结的场效应晶体管。金属半导体接触工艺允许金属半导体场效应晶体管的沟道做得更短，有利于提高器件的开关速度和工作频率。

文献“Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA 583(2007)157-161”《Silicon carbide for UV，alpha，beta and X-ray detectors：Results and perspectives》介绍了意大利人Francesco Moscatelli提出的基于SiC金属半导体结构的β探测器的设想。这种结构是在碳化硅半绝缘衬底上外延一层p型碳化硅，之后在p型碳化硅上外延一层n型碳化硅，通过n+高掺杂形成源漏区，在中间区域形成栅极，如图3所示。但是这种基于传统SiC肖特基结构场效应晶体管存在高密度表面陷阱，在SiC材料中，受主表面陷阱俘获电子形成表面电荷，使一部分电力线终止在表面电荷上，由于在栅漏区高电场作用下，源极流向漏极的电子在经过沟道时会被表面陷阱俘获，从而在表面形成耗尽层，使得电流传输的有效沟道厚度变薄，从而影响到了金属半导体场效应晶体管器件的电学性能。同时当β射线到达探测器表面后，由于受到较厚的栅极金属层的阻挡，只有部分β射线能进入器件内部。只有进入耗尽区的β粒子才会对电流输出有贡献。因此这种较厚的栅极结构导致入射粒子能量损失大，能量转换效率较低。

发明内容

本发明的目的在于避免上述已有技术的缺陷，利用SiC半导体材料的独特优势，提出一种基于碳化硅金属半导体场效应晶体管β辐照探测器及其制作方法，以削弱传统MESFET结构探测器因表面陷阱效应和较厚的栅极结构导致入射β粒子能量损失大，能量转换效率较低对器件性能的影响，提高探测的效率。

为实现上述目的，本发明提出的基于碳化硅金属半导体场效应管结构的β辐照探测器，自下而上包括n型衬底、p型缓冲层、n型沟道、n型缓冲层和两侧n+掺杂的欧姆接触层，该欧姆接触层上淀积有金属Ni作为源漏极、n型缓冲层中间区域淀积半透明肖特基接触层，并埋入n型缓冲层内，该肖特基接触层由高势垒肖特基金属Au/Ti/Pt构成，栅极和源漏极以外的表面区域覆盖有一层SiO₂钝化层，其中n型沟道的浓度为3.5～4×10¹⁷cm^-3，肖特基接触层埋入n型缓冲层的深度为0.06～0.08μm。