半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)訊：高性能半導(dǎo)體極紫外（EUV）探測器是新一代EUV光刻機、等離子體物理、太陽活動觀測，以及系列大科學(xué)裝置等領(lǐng)域所急需的關(guān)鍵部件。EUV探測器主要針對10-121 nm極紫外譜段光波的劑量與能量探測，由于EUV光子在半導(dǎo)體材料中的穿透深度極淺且光子能量高，導(dǎo)致傳統(tǒng)Si基紫外探測器在EUV波段的探測效率偏低且器件性能極易發(fā)生退化。因此，研制探測效率高、抗輻射能力強和溫度穩(wěn)定性好的新型EUV探測器一直是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界亟待解決的關(guān)鍵問題。以SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體具有本征載流子濃度低、臨界位移能高、可見光盲等系列材料性能優(yōu)勢，是制備新一代半導(dǎo)體EUV探測器的優(yōu)選材料。

圖 1  EUV和VUV波段在電磁波頻譜中的分布。

 

近日，南京大學(xué)陸海和張榮教授團隊在前期研究基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計出一種表面梯度摻雜誘導(dǎo)δn-i-p超淺結(jié)SiC二極管，并通過開發(fā)選區(qū)刻蝕、高溫氧化修復(fù)與低溫金屬化工藝，成功實現(xiàn)了國際首支寬禁帶半導(dǎo)體pn結(jié)型EUV探測器（圖2(a)）。數(shù)值仿真及實驗結(jié)果證明濃度梯度摻雜形成的δn-i-p結(jié)構(gòu)可以在探測器表面誘導(dǎo)產(chǎn)生與器件內(nèi)部pn結(jié)區(qū)電場方向一致的強電場（圖2(b)），從而有效減少光生載流子在器件表面死區(qū)中的復(fù)合損失，大幅提升器件的探測效率。系列片上表征以及封裝測試證明該EUV探測器具有接近理論極限的探測效率優(yōu)勢；同時，相較于肖特基結(jié)型探測器，pn結(jié)受界面態(tài)、漏電流及環(huán)境溫度變化的影響小，性能更加穩(wěn)定。如圖2(c)所示，該大尺寸EUV探測器在室溫下的暗電流僅為1pA@-10V，具備探測微弱光信號的優(yōu)越性能；同時，器件在150°C高溫下的暗電流也僅為2pA@-10V，具備在高溫環(huán)境中工作的應(yīng)用潛力; 探測器在13.5 nm EUV光輻照下的光電流不隨偏置電壓發(fā)生變化，證明器件能夠在光伏模式下工作。此外，該器件在光伏模式下的量子效率高達960%@13.5nm，接近SiC EUV探測器的理論極限（圖2(d)）。相關(guān)研究成果于2022年5月以“4H-SiC δn-i-p extreme ultraviolet detector with gradient doping-induced surface junction”為題在線發(fā)表在IEEE Electron Device Letters 43:906, 2022；其中博士研究生王致遠為論文第一作者，通訊作者為陸海教授。

圖 2  SiC δn-i-p EUV探測器 (a) 器件結(jié)構(gòu)圖；(b) TCAD模擬器件表面電場分布；(c) 室溫、150°C條件下的暗電流與光電流特性曲線；(d)探測效率曲線。

 

南京大學(xué)團隊在寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器領(lǐng)域具有良好的研究基礎(chǔ)，已實現(xiàn)多類型高性能半導(dǎo)體紫外探測器的規(guī)?；茝V應(yīng)用。團隊自2011年起就開展了200 nm以下短波紫外探測器的研制工作，于2013年首先實現(xiàn)了探測波長低至140 nm 的大感光面寬禁帶AlGaN基真空紫外探測器（Chinese Physics Letters 30:117301, 2013），這是國內(nèi)公開報道的第一只半導(dǎo)體真空紫外探測器；在此基礎(chǔ)上，該團隊進一步發(fā)展了探測波長低至5 nm的高量子效率EUV探測器技術(shù)，于2020年報道了高性能柵條型橫向結(jié)SiC EUV探測器（IEEE Photonics Technology Letters 32:791, 2020）。近年來，南京大學(xué)團隊積極推進技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，已逐步向國內(nèi)外若干家大型公司批量供應(yīng)真空紫外和極紫外探測器，用于大型半導(dǎo)體裝備研發(fā)。