[发明专利]一种碳化硅基全谱响应光电探测器及其制备方法

说明书

本发明属于半导体光电探测器技术领域，具体涉及一种碳化硅基紫外‑可见‑近红外全谱响应光电探测器及其制备方法。光电探测器包含碳化硅基底，以及位于其上方的金属对电极和表面等离激元纳米结构，其中碳化硅基底与金属对电极构成了电极共面形式的金属‑半导体‑金属型光电探测器。紫外光入射时，碳化硅中直接产生自由载流子被外电路收集产生电信号，可见光入射时，表面等离激元纳米结构中产生的热载流子隧穿进入碳化硅半导体成为自由载流子从而产生电信号。本发明提供的碳化硅基光电探测器克服了现有碳化硅光电探测器只能响应紫外光的限制，实现了同时对紫外光、可见光以及近红外光的全谱探测。

技术领域

本发明属于半导体光电探测器技术领域，具体涉及一种碳化硅基紫外-可见-近红外全谱响应光电探测器及其制备方法。

背景技术

碳化硅是一种宽带隙半导体材料，具有热导率高、电子饱和漂移速率大、稳定性好等优点。相比于传统半导体材料，碳化硅材料在更高温、高压、高频、强辐射等极端环境下，具有更加稳定的特性。

以碳化硅作为光吸收层，可以制成紫外光电探测器，按结构形式进行区分，碳化硅紫外光电探测器主要包含PIN结构、雪崩二极管结构、金属-绝缘体-半导体结构、垂直形式的金属-半导体-金属结构以及电极共面形式的金属-半导体-金属结构。电极共面形式的金属-半导体-金属型碳化硅紫外光电探测器是在碳化硅基底上简单制作金属对电极获得的。

该器件要获得大亮暗电流比的关键在于制作金属电极时，金属与半导体之间形成肖特基结接触。一对电极恰好形成两个肖特基结，它们背靠背串联在一起，较高的肖特基势垒可有有效拦阻外电路中的电流向碳化硅半导体中注入。例如，在2004年，中国吴正云等人对比了镍电极与铝电极所制成的金属-半导体-金属型碳化硅紫外光电探测器的性能，结果表明，与铝电极器件相比，镍电极器件的暗电流低了一个数量级，这反映出镍与碳化硅形成的肖特基接触势垒比铝的更高，进而在一定程度上抑制了外电路中注入的电流（文献：Chinese Journal of Quantum Electronics 2004, 21, 269-272）。

此外，碳化硅基底的特性也会严重影响金属-半导体-金属型碳化硅紫外光电探测器的暗电流水平。在2004年，中国吴正云等人分别基于p型碳化硅基底（本征载流子浓度3e16/cm3）和n型碳化硅基底（本征载流子浓度3e15/cm3）制作了金属-半导体-金属型碳化硅紫外光电探测器的性能，该研究表明p型碳化硅衬底器件具有更低的暗电流。（文献：Materials Science Forum 2004,457-460,1491-1494）。随后，在2012年，美国Wei-ChengLien等人利用20nm Cr/150nmPd双层复合电极与p型碳化硅基底（本征载流子浓度2e15/cm3）之间形成了肖特基结接触，所制成的金属-半导体-金属型紫外光电探测器在5 V偏压下，暗电流为10e-10A，亮暗电流比高达10e5量级（文献：IEEE Electron DeviceLetters 2012, 33, 1586-1588）。

如果在半绝缘型碳化硅基底上制作金属-半导体-金属型紫外光电探测器，有益于实现更好的光电探测性能，这是因为其本征载流子浓度（在1e13/cm³至1e15/cm³范围内）比掺杂半导体的更低。其原因在于，外加合适的偏压时，金属-半导体-金属型器件中的一个肖特基结消失，本征载流子参与导电，较高的本征载流子浓度会造成回路中形成较大的暗电流。而半绝缘型碳化硅半导体极低的本征载流子浓度确保了回路中的暗电流即便是在外加偏压时也可以被维持在一个极低的水平。同等光照条件下，暗电流越低，亮暗电流比越大，器件探测率越高。

由于带隙的限制，碳化硅光电探测器无法对光子能量大于其带隙的可见光做出响应，这在一定程度上限制了它们的应用。例如，某些工业控制要求在高温环境下进行，此时，由于硅材料不耐高温，硅光电探测器已经无法正常工作，稳定性高的碳化硅光电探测器成为必需。而基于碳化硅的全光谱光电探测器有望在极端环境下的工业控制应用领域中发挥重要作用。

发明内容