基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管及其制作方法與流程
本發明屬于集成電路技術領域，具體涉及一種基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管及其制作方法。
背景技術：
隨著近年來天文、高能物理、空間技術等領域的研究與探索工作的不斷深入，及其在宇宙探測、人造衛星等方面應用前景的迅速拓展，對于光線尤其紫外光的探測器的要求越來越高，如光電對抗中紫外對抗與反對抗技術就愈發受到軍方的關注。通常波長在10～400nm的電磁波成為紫外線，既不同于可見光輻射，又不同于紅外輻射；其中來自太陽輻射的紫外線中被大氣層幾乎完全吸收的譜區被稱為日盲區，是紫外探測中較難探測到的區域。
雪崩光電二極管(AvalanchePhoto Diode,簡稱APD)探測器是一種PN結型的光電檢測二極管，利用了載流子的雪崩倍增效應來放大光信號以提高檢測靈敏度，一般可測量紫外到紅外光區域，在軍事高技術與民品市場的開發中具有很大的使用價值，如在日盲區對尾煙或羽煙中能釋放大量紫外輻射的飛行目標進行實時探測或有效跟蹤。
然后，對于目前的APD探測器由于不具備極高的耐壓性和抗擊穿性，因此并不適合高頻、高輻射、高溫高壓等極端環境下的應用。
技術實現要素：
為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管及其制作方法。
本發明的一個實施例提供了一種基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管的制作方法，包括：
步驟1、選取β-Ga2O3襯底；
步驟2、在所述β-Ga2O3襯底表面生長β-Ga2O3材料形成同質外延層；
步驟3、在所述同質外延層表面生長上生長Ir2O3材料形成異質外延層；
步驟4、刻蝕所述異質外延層和所述同質外延層形成梯形結構；
步驟5、在所述異質外延層表面形成頂電極；
步驟6、在所述β-Ga2O3襯底下表面形成底電極，最終形成所述APD探測器二極管。
在本發明的一個實施例中，在所述β-Ga2O3襯底表面生長β-Ga2O3材料形成同質外延層，包括：
利用分子束外延工藝，在所述β-Ga2O3襯底表面生長摻雜濃度為1×1015～1×1016cm-3的N型所述β-Ga2O3材料以形成所述同質外延層；其中，所述同質外延層的厚度根據雪崩增益系數調節。
在本發明的一個實施例中，在所述同質外延層表面生長上分別生長Ir2O3材料形成異質外延層，包括：
利用CVD工藝，在所述同質外延層表面生長摻雜濃度為1×1019～1×1020cm-3的P型所述Ir2O3材料以形成所述異質外延層。
在本發明的一個實施例中，刻蝕所述異質外延層和所述同質外延層形成梯形結構，包括：
采用第一光刻掩膜版，利用傾斜刻蝕工藝刻蝕所述異質外延層以在所述異質外延層內形成第一梯形結構；
采用第二光刻掩膜板，利用選擇性傾斜刻蝕工藝刻蝕所述同質外延層以在所述同質外延層內形成第二梯形結構，以形成所述梯形結構。
在本發明的一個實施例中，在所述異質外延層表面形成頂電極，包括：
采用第三光刻掩膜版，利用磁控濺射工藝在所述異質外延層表面濺射第一復合金屬材料形成所述頂電極。
在本發明的一個實施例中，在所述異質外延層表面形成頂電極，包括：
采用第三光刻掩膜版，利用磁控濺射工藝在所述異質外延層表面濺射第一復合金屬材料形成所述頂電極。
在本發明的一個實施例中，利用磁控濺射工藝在所述異質外延層表面濺射第一復合金屬材料，包括：
將Ti材料作為濺射靶材，以Ar氣體作為濺射氣體通入濺射腔內，在真空度為6×10-4～1.3×10-3Pa，工作頻率為100W的條件下，在所述異質外延層表面濺射形成Ti層；
將Au材料作為濺射靶材，以Ar氣體作為濺射氣體通入濺射腔內，在真空度為6×10-4～1.3×10-3Pa，工作頻率為100W的條件下，在所述Ti層表面濺射形成Au層，以形成所述第一復合金屬材料。
在本發明的一個實施例中，在所述β-Ga2O3襯底下表面形成底電極，包括：
利用磁控濺射工藝在所述β-Ga2O3襯底下表面濺射第二復合金屬材料形成所述底電極。
在本發明的一個實施例中，利用磁控濺射工藝在所述β-Ga2O3襯底下表面濺射第二復合金屬材料，包括：
將Ti材料作為濺射靶材，以Ar氣體作為濺射氣體通入濺射腔內，在真空度為6×10-4～1.3×10-3Pa，工作頻率為100W的條件下，在所述β-Ga2O3襯底下表面濺射形成Ti層；
將Au材料作為濺射靶材，以Ar氣體作為濺射氣體通入濺射腔內，在真空度為6×10-4～1.3×10-3Pa，工作頻率為100W的條件下，在所述Ti層表面濺射形成Au層，以形成所述第二復合金屬材料。
在本發明的一個實施例中，在所述β-Ga2O3襯底表面生長β-Ga2O3材料形成同質外延層之前，包括：
將所述β-Ga2O3襯底分別在甲醇、丙酮和甲醇浸泡，之后采用去離子水和流動去離子水沖洗以完成有機清洗；
將所述β-Ga2O3襯底在去離子水浸泡后在SPM溶液或者Piranha溶液中浸泡，之后在去離子水中浸泡并加熱，冷卻處理后以完成酸清洗。
本發明的另一個實施例提供了一種基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管，其中，所述APD探測二極管由上述實施例中任一所述的方法制備形成。
本發明實施例的基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管，相對于現有技術至少具有如下優點：
1、本發明的紫外APD探測器首次采用了光學性能卓越的Ga2O3材料，充分發揮該材料在深紫外光區域和可見光區域的極高光透率和透明度，該材料在深紫外光區域光透率可達80％以上，此外該材料的電學特性確保了本發明的新型紫外APD探測器的耐壓極高、擊穿電場較高，其遠超SiC、GaN等材料的高禁帶寬度使得本發明的新型紫外APD探測器比起目前的APD探測器更加適合高頻、高輻射、高溫高壓等極端環境，在極端環境下不僅器件可靠性大幅提高，探測性能也將優于目前的APD探測器。
2、本發明的新型紫外APD探測器的器件結構是在傳統APD探測器，即雪崩光電二極管的基礎上加以改進，可有效提高體雪崩擊穿電壓從而提高雪崩增益系數M，同時通過調節結構中N/P型導電的Ga2O3層厚度可以調節M，選擇合適的M使得該發明的信噪比良好，具有較低的超額噪聲，使器件達到最優光電探測靈敏度。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的一種基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管的截面示意圖；
圖2為本發明實施例提供的一種基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管的俯視示意圖；
圖3為本發明實施例提供的一種基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管的制作方法流程示意圖；
圖4a-圖4g為本發明實施例提供的一種基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管的制作方法示意圖；
圖5為本發明實施例提供的一種第一光刻掩膜版的示意圖；
圖6為本發明實施例提供的一種第二光刻掩膜版的示意圖；以及
圖7為本發明實施例提供的一種第三光刻掩膜版的示意圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明做進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
實施例一
寬禁帶半導體材料Ga2O3，因材料在日盲區的光透率可達80％甚至90％以上而極適合于深紫外光日盲區的光電探測，其光電靈敏度高，兼具藍寶石的透明性與SiC的導電性，是光電器件尤其深紫外光探測器研究的理想半導體材料。
請參見圖1及圖2，圖1為本發明實施例提供的一種基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管的截面示意圖；圖2為本發明實施例提供的一種基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管的俯視示意圖。該APD探測二極管包括β-Ga2O3襯底1、N型同質外延層2、P層異質外延層3、頂電極4、底電極5組成。所述β-Ga2O3襯底為無摻雜或摻雜Sn、Si、Al的β-Ga2O3(-201)、β-Ga2O3(010)或β-Ga2O3(001)材料；所述N型同質外延層2為摻雜Sn、Si、Al的β-Ga2O3層，摻雜濃度在1015cm-3量級；所述P型異質外延層3為Ir2O3層，摻雜濃度在1019-1020cm-3量級；所述頂電極和底電極為Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等金屬材料、包含這些金屬中2種以上合金或ITO等導電性化合物形成。另外，可以具有由不同的2種以上金屬構成的2層結構，例如Al/Ti或者Ti/Au。
請參見圖3，圖3為本發明實施例提供的一種基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管的制作方法流程示意圖。該方法包括如下步驟：
步驟1、選取β-Ga2O3襯底；
步驟2、在所述β-Ga2O3襯底表面生長β-Ga2O3材料形成同質外延層；
步驟3、在所述同質外延層表面生長上分別生長Ir2O3材料形成異質外延層；
步驟4、刻蝕所述異質外延層和所述同質外延層形成梯形結構；
步驟5、在所述異質外延層表面形成頂電極；
步驟6、在所述β-Ga2O3襯底下表面形成底電極，最終形成所述APD探測器二極管。
對于步驟2，可以包括：
利用分子束外延工藝，在所述β-Ga2O3襯底表面生長摻雜濃度為1×1015～1×1016cm-3的N型所述β-Ga2O3材料以形成所述同質外延層；其中，所述同質外延層的厚度根據雪崩增益系數調節。
對于步驟3，可以包括：
利用CVD工藝，在所述同質外延層表面生長摻雜濃度為1×1019～1×1020cm-3的P型所述Ir2O3材料以形成所述異質外延層。
對于步驟4，可以包括：
步驟41、采用第一光刻掩膜版，利用傾斜刻蝕工藝刻蝕所述異質外延層以在所述異質外延層內形成第一梯形結構；
步驟42、采用第二光刻掩膜板，利用選擇性傾斜刻蝕工藝刻蝕所述同質外延層以在所述同質外延層內形成第二梯形結構，以形成所述梯形結構。。
對于步驟5，可以包括：
采用第三光刻掩膜版，利用磁控濺射工藝在所述異質外延層表面濺射第一復合金屬材料形成所述頂電極。
其中，利用磁控濺射工藝在所述異質外延層表面濺射第一復合金屬材料，包括：
將Ti材料作為濺射靶材，以Ar氣體作為濺射氣體通入濺射腔內，在真空度為6×10-4～1.3×10-3Pa，工作頻率為100W的條件下，在所述異質外延層表面濺射形成Ti層；
將Au材料作為濺射靶材，以Ar氣體作為濺射氣體通入濺射腔內，在真空度為6×10-4～1.3×10-3Pa，工作頻率為100W的條件下，在所述Ti層表面濺射形成Au層，以形成所述第一復合金屬材料。
對于步驟6，可以包括：
利用磁控濺射工藝在所述β-Ga2O3襯底下表面濺射第二復合金屬材料形成所述底電極。
其中，利用磁控濺射工藝在所述β-Ga2O3襯底下表面濺射第二復合金屬材料，包括：
將Ti材料作為濺射靶材，以Ar氣體作為濺射氣體通入濺射腔內，在真空度為6×10-4～1.3×10-3Pa，工作頻率為100W的條件下，在所述β-Ga2O3襯底下表面濺射形成Ti層；
將Au材料作為濺射靶材，以Ar氣體作為濺射氣體通入濺射腔內，在真空度為6×10-4～1.3×10-3Pa，工作頻率為100W的條件下，在所述Ti層表面濺射形成Au層，以形成所述第二復合金屬材料。
另外，在步驟2之前，還包括：
步驟x1、將所述β-Ga2O3襯底分別在甲醇、丙酮和甲醇浸泡，之后采用去離子水和流動去離子水沖洗完成有機清洗；
步驟x2、將所述β-Ga2O3襯底在去離子水浸泡后在SPM溶液或者Piranha溶液中浸泡，之后在去離子水中浸泡并加熱，冷卻處理完成酸清洗。
本發明實施例，本發明首次提出了基于Ga2O3材料的新型紫外APD探測器的制備方法。本發明采用了Ga2O3材料，充分發揮該材料在深紫外光區域和可見光區域的極高光透率和透明度，該材料其遠超SiC、GaN等材料的高禁帶寬度等特性確保了APD探測器的耐壓極高、擊穿電場較高，使得本發明的新型紫外APD探測器比起之前的APD探測器更加適合高頻、高輻射、高壓等極端環境，該材料極優的熱穩定性和化學穩定性在高溫極端環境下器件可靠性相對以往APD探測器有所提高，其探測性能也將優于之前的APD探測器。
另外，通過調節結構中N/P型導電的Ga2O3層厚度可以調節雪崩增益系數M，選擇合適的M使得該發明的信噪比良好，具有較低的超額噪聲，使器件達到最優光電探測靈敏度。
實施例二
請參見圖4a-圖4g及圖5、圖6和圖7。圖4a-圖4g為本發明實施例提供的一種基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管的制作方法示意圖；圖5為本發明實施例提供的一種第一光刻掩膜版的示意圖；圖6為本發明實施例提供的一種第二光刻掩膜版的示意圖；以及圖7為本發明實施例提供的一種第三光刻掩膜版的示意圖。本實施例在上述實施例的基礎上，對本發明的基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探測二極管的制作方法進行詳細說明如下：
步驟1：請參見圖4a，準備襯底β-Ga2O3，厚度為200μm-600μm，對襯底進行預處理清洗。
其中，襯底選用β-Ga2O3理由：屬于新一代超寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度為4.7～4.9eV、理論擊穿場強為8MV/cm，優于SiC和GaN傳統寬禁帶材料，此外其單晶襯底材料可以通過溶液法獲得，制備成本較低。材料本身為透明狀，具有較高的光透射率，因此采用β-Ga2O3制備的APD探測器對深紫外(波長范圍200nm～280nm)探測更為敏感且工作偏置電壓要求不高。。
對襯底先進行有機清洗，第一步甲醇浸泡3min，第二步丙酮浸泡3min，第三步甲醇浸泡3min，第四步去離子水沖洗3min，第五步流動去離子水清洗5min；
對襯底進行酸清洗，第一步去離子水浸泡并加熱到90℃，第二步用去離子水：30％過氧化氫：96％濃硫酸＝1:1:4比例配制SPM溶液，SPM溶液浸泡5min，第二步或者用30％過氧化氫：98％濃硫酸＝1:3比例配制Piranha溶液，Piranha溶液浸泡1min，第三步去離子水浸泡并加熱到90℃，之后冷卻到室溫。
襯底可選用200μm-600μm硅襯底熱氧化1μm的SiO2替代，但替代后不需以上清洗步驟，改用RCA標準清洗，替代后絕緣效果變差，且制作過程更為復雜。
步驟2：請參見圖4b，在步驟1所準備的β-Ga2O3襯底上通過分子束外延生長N型摻雜的β-Ga2O3材料形成同質外延層，摻雜元素可為Sn、Si、Al，摻雜濃度1015cm-3量級，在厚度在5-10um。
步驟3：請參見圖4c，在步驟2所準備的N型同質外延層上通過CVD工藝生長P型摻雜區Ir2O3，摻雜濃度1019～1020cm-3量級，厚度在5-10um。
步驟4：請參見圖4d及圖5，在步驟3形成的整個襯底表面使用第一光刻掩膜版并通過傾斜刻蝕工藝在P型異質外延層3中形成梯形結構；
步驟5：請參見圖4e及圖6，在步驟4形成的整個襯底表面使用第二光刻掩膜版通過選擇性傾斜刻蝕工藝在N型同質外延層2中形成梯形結構；
具體地，傾斜刻蝕工藝即傾斜臺面刻蝕工藝，具體工藝如下：首先采用BCl3基刻蝕氣體進行ICP干法刻蝕5秒，隨后在5％的HF溶液中浸泡10s；交替上述工藝進行循環，直至被刻蝕的材料被完全刻蝕。
步驟6：請參見圖4f及圖7，在步驟5所準備的P型異質外延層3上使用第三光刻掩膜版，通過磁控濺射生長頂電極Ti/Au；
具體地：濺射靶材選用質量比純度>99.99％的Ti，以質量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10-4～1.3×10-3Pa、氬氣流量為20～30cm3/秒、靶材基距為10cm和工作功率為100W的條件下，制備頂電極Ti，電極厚度為20nm-30nm。
濺射靶材選用質量比純度>99.99％的Au，以質量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10-4～1.3×10-3Pa、氬氣流量為20～30cm3/秒、靶材基距為10cm和工作功率為20W～100W的條件下，制備頂電極金，電極厚度為200nm～300nm，之后在氮氣或氬氣環境下500℃退火3min形成歐姆接觸。
頂電極的金屬可選Au、Al、Ti等不同元素及其組成的2層結構，也可選用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金屬替代。其中Au\Ag\Pt化學性質穩定；Al\Ti\Ni成本低。
步驟7：請參見圖4g，在襯底下表面通過磁控濺射生長底電極Ti/Au；
具體地，濺射靶材選用質量比純度>99.99％的Ti，以質量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10-4-1.3×10-3Pa、氬氣流量為20-30cm3/秒、靶材基距為10cm和工作功率為100W的條件下，制備柵電極Ti，電極厚度為20nm-30nm。
濺射靶材選用質量比純度>99.99％的Au，以質量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10-4～1.3×10-3Pa、氬氣流量為20～30cm3/秒、靶材基距為10cm和工作功率為20W～100W的條件下，制備柵電極金，電極厚度為200nm～300nm，之后在氮氣或氬氣環境下500℃退火3min形成歐姆接觸。
底電極的金屬可選Au、Al、Ti等不同元素及其組成的2層結構，也可選用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金屬替代。其中Au\Ag\Pt化學性質穩定；Al\Ti\Ni成本低。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。
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