南京大学团队在宽禁带半导体EUV探测器领域取得新进展

日期:2022-05-30 阅读:272
核心提示:南京大学陆海和张荣教授团队在前期研究基础上,创新设计出一种表面梯度掺杂诱导δn-i-p超浅结SiC二极管,并通过开发选区刻蚀、高温氧化修复与低温金属化工艺,成功实现了国际首支宽禁带半导体pn结型EUV探测器。
半导体产业网讯:高性能半导体极紫外(EUV)探测器是新一代EUV光刻机、等离子体物理、太阳活动观测,以及系列大科学装置等领域所急需的关键部件。EUV探测器主要针对10-121 nm极紫外谱段光波的剂量与能量探测,由于EUV光子在半导体材料中的穿透深度极浅且光子能量高,导致传统Si基紫外探测器在EUV波段的探测效率偏低且器件性能极易发生退化。因此,研制探测效率高、抗辐射能力强和温度稳定性好的新型EUV探测器一直是学术界和产业界亟待解决的关键问题。以SiC为代表的宽禁带半导体具有本征载流子浓度低、临界位移能高、可见光盲等系列材料性能优势,是制备新一代半导体EUV探测器的优选材料。
图 1  EUV和VUV波段在电磁波频谱中的分布。
 
近日,南京大学陆海和张荣教授团队在前期研究基础上,创新设计出一种表面梯度掺杂诱导δn-i-p超浅结SiC二极管,并通过开发选区刻蚀、高温氧化修复与低温金属化工艺,成功实现了国际首支宽禁带半导体pn结型EUV探测器(图2(a))。数值仿真及实验结果证明浓度梯度掺杂形成的δn-i-p结构可以在探测器表面诱导产生与器件内部pn结区电场方向一致的强电场(图2(b)),从而有效减少光生载流子在器件表面死区中的复合损失,大幅提升器件的探测效率。系列片上表征以及封装测试证明该EUV探测器具有接近理论极限的探测效率优势;同时,相较于肖特基结型探测器,pn结受界面态、漏电流及环境温度变化的影响小,性能更加稳定。如图2(c)所示,该大尺寸EUV探测器在室温下的暗电流仅为1pA@-10V,具备探测微弱光信号的优越性能;同时,器件在150°C高温下的暗电流也仅为2pA@-10V,具备在高温环境中工作的应用潜力; 探测器在13.5 nm EUV光辐照下的光电流不随偏置电压发生变化,证明器件能够在光伏模式下工作。此外,该器件在光伏模式下的量子效率高达960%@13.5nm,接近SiC EUV探测器的理论极限(图2(d))。相关研究成果于2022年5月以“4H-SiC δn-i-p extreme ultraviolet detector with gradient doping-induced surface junction”为题在线发表在IEEE Electron Device Letters 43:906, 2022;其中博士研究生王致远为论文第一作者,通讯作者为陆海教授。
图 2  SiC δn-i-p EUV探测器 (a) 器件结构图;(b) TCAD模拟器件表面电场分布;(c) 室温、150°C条件下的暗电流与光电流特性曲线;(d)探测效率曲线。
 
南京大学团队在宽禁带半导体紫外探测器领域具有良好的研究基础,已实现多类型高性能半导体紫外探测器的规模化推广应用。团队自2011年起就开展了200 nm以下短波紫外探测器的研制工作,于2013年首先实现了探测波长低至140 nm 的大感光面宽禁带AlGaN基真空紫外探测器(Chinese Physics Letters 30:117301, 2013),这是国内公开报道的第一只半导体真空紫外探测器;在此基础上,该团队进一步发展了探测波长低至5 nm的高量子效率EUV探测器技术,于2020年报道了高性能栅条型横向结SiC EUV探测器(IEEE Photonics Technology Letters 32:791, 2020)。近年来,南京大学团队积极推进技术成果转化,已逐步向国内外若干家大型公司批量供应真空紫外和极紫外探测器,用于大型半导体装备研发。

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作者团队:
 
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本书目录:
 
第1章  半导体紫外光电探测器概述
 
1.1  引言
 
1.2  宽禁带半导体紫外光电探测器的技术优势
 
1.3  紫外光电探测器产业发展现状
 
1.4  本书的章节安排
 
参考文献
 
第2章  紫外光电探测器的基础知识
 
2.1  半导体光电效应的基本原理
 
2.2  紫外光电探测器的基本分类和工作原理
 
2.2.1  P-N/P-I-N结型探测器
 
2.2.2  肖特基势垒探测器
 
2.2.3  光电导探测器
 
2.2.4  雪崩光电二极管
 
2.3  紫外光电探测器的主要性能指标
 
2.3.1  光电探测器的性能参数
 
2.3.2  雪崩光电二极管的性能参数
 
参考文献
 
第3章  氮化物半导体紫外光电探测器
 
3.1  引言
 
3.2  氮化物半导体材料的基本特性
 
3.2.1  晶体结构
 
3.2.2  能带结构
 
3.2.3  极化效应
 
3.3  高Al组分AlGaN材料的制备与P型掺杂
 
3.3.1  高Al组分AlGaN材料的制备
 
3.3.2  高Al组分AlGaN材料的P型掺杂
 
3.4  GaN基光电探测器及焦平面阵列成像
 
3.4.1  GaN基半导体的金属接触
 
3.4.2  GaN基光电探测器
 
3.4.3  焦平面阵列成像
 
3.5  日盲紫外雪崩光电二极管的设计与制备
 
3.5.1  P-I-N结GaN基APD
 
3.5.2  SAM结构GaN基APD
 
3.5.3  极化和能带工程在雪崩光电二极管中的应用
 
3.6  InGaN光电探测器的制备及应用
 
3.6.1  材料外延
 
3.6.2  器件制备
 
3.7  波长可调超窄带日盲紫外探测器
 
参考文献
 
第4章  SiC紫外光电探测器
 
4.1  SiC材料的基本物理特性
 
4.1.1  SiC晶型与能带结构
 
4.1.2  SiC外延材料与缺陷
 
4.1.3  SiC的电学特性
 
4.1.4  SiC的光学特性
 
4.2  SiC紫外光电探测器的常用制备工艺
 
4.2.1  清洗工艺
 
4.2.2  台面制备
 
4.2.3  电极制备
 
4.2.4  器件钝化
 
4.2.5  其他工艺
 
4.3  常规类型SiC紫外光电探测器
 
4.3.1  肖特基型紫外光电探测器
 
4.3.2  P-I-N型紫外光电探测器
 
4.4  SiC紫外雪崩光电探测器
 
4.4.1  新型结构SiC紫外雪崩光电探测器
 
4.4.2  SiC APD的高温特性
 
4.4.3  材料缺陷对SiC APD性能的影响
 
4.4.4  SiC APD的雪崩均匀性研究
 
4.4.5  SiC紫外雪崩光电探测器的焦平面成像阵列
 
4.5  SiC紫外光电探测器的产业化应用
 
4.6  SiC紫外光电探测器的发展前景
 
参考文献
 
第5章  氧化镓基紫外光电探测器
 
5.1  引言
 
5.2  超宽禁带氧化镓基半导体
 
5.2.1  超宽禁带氧化镓基半导体材料的制备
 
5.2.2  超宽禁带氧化镓基半导体光电探测器的基本器件工艺
 
5.3  氧化镓基日盲探测器
 
5.3.1  基于氧化镓单晶及外延薄膜的日盲探测器
 
5.3.2  基于氧化镓纳米结构的日盲探测器
 
5.3.3  基于非晶氧化镓的柔性日盲探测器
 
5.3.4  基于氧化镓异质结构的日盲探测器
 
5.3.5  氧化镓基光电导增益物理机制
 
5.3.6  新型结构氧化镓基日盲探测器
 
5.4  辐照效应对宽禁带氧化物半导体性能的影响
 
5.5  氧化镓基紫外光电探测器的发展前景
 
参考文献
 
第6章  ZnO基紫外光电探测器
 
6.1  ZnO材料的性质
 
6.2  ZnO紫外光电探测器
 
6.2.1  光电导型探测器
 
6.2.2  肖特基光电二极管
 
6.2.3  MSM结构探测器
 
6.2.4  同质结探测器
 
6.2.5  异质结探测器
 
6.2.6  压电效应改善ZnO基紫外光电探测器
 
6.3  MgZnO深紫外光电探测器
 
6.3.1  光导型探测器
 
6.3.2  肖特基探测器
 
6.3.3  MSM结构探测器
 
6.3.4  P-N结探测器
 
6.4  ZnO基紫外光电探测器的发展前景
 
参考文献
 
第7章  金刚石紫外光电探测器
 
7.1  引言
 
7.2  金刚石的合成
 
7.3  金刚石光电探测器的类型
 
7.3.1  光电导型光电探测器
 
7.3.2  MSM光电探测器
 
7.3.3  肖特基势垒光电探测器
 
7.3.4  P-I-N和P-N结光电探测器
 
7.3.5  异质结光电探测器
 
7.3.6  光电晶体管
 
7.4  金刚石基光电探测器的应用
 
参考文献
 
第8章  真空紫外光电探测器
 
8.1  真空紫外探测及其应用
 
8.1.1  真空紫外探测的应用
 
8.1.2  真空紫外光的特性
 
8.2  真空紫外光电探测器的类型和工作原理
 
8.2.1  极浅P-N结光电探测器
 
8.2.2  肖特基结构光电探测器
 
8.2.3  MSM结构光电探测器
 
8.3  真空紫外光电探测器的研究进展
 
8.3.1  极浅P-N结光电探测器的研究进展
 
8.3.2  肖特基结构光电探测器的研究进展
 
8.3.3  MSM结构光电探测器的研究进展
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