碳化硅CMOS技術(shù)在深紫外或高溫環(huán)境中應(yīng)用的潛力

紫外（UV）光譜可分為UV-A（315~400?nm）、UV-B（280~315?nm）和UV-C（200~280?nm）頻段。由于敏感光譜帶寬很寬，因此，采用傳統(tǒng)硅基技術(shù)進行可靠的紫外光電探測而不受其他光譜帶影響，仍然具有挑戰(zhàn)性。雖然存在可用于紫外光譜的硅光電探測器，但也對可見光敏感。

或者，基于絕緣體上硅（SOI）或超淺結(jié)的實現(xiàn)方式也可以探測紫外光，它們利用了傳輸更長波長的光的薄膜。此外，紫外選擇性可以通過使用差分法等讀出方法實現(xiàn)。通過使用寬帶隙材料作為襯底，半導(dǎo)體的敏感光譜帶寬可以降至更短的波長。不僅如此，它們還具有在深紫外或高溫環(huán)境中應(yīng)用的潛力。

下表給出了一系列寬帶隙材料及其特性。需要注意的是，激發(fā)波長與材料的帶隙成反比，因此應(yīng)采用寬帶隙的材料構(gòu)建對深紫外選擇性敏感的光電探測器。將這些襯底中構(gòu)建的探測器與片上電路相結(jié)合，理想情況下需要互補型器件。

半導(dǎo)體材料參數(shù)及其特性概覽表

憑借低功耗工作優(yōu)勢，片上讀出的常用電路技術(shù)為CMOS。當考慮廣泛使用的CMOS技術(shù)時，電子和空穴遷移率之比應(yīng)接近1，并且對于快速器件，絕對遷移率值應(yīng)較高。需要注意的是，電子和空穴遷移率之間的比率存在顯著差異，這將對有源器件的性能和互補型器件的匹配產(chǎn)生負面影響。從這個角度來看，金剛石是目前最好的選擇，其次是碳化硅（SiC）。

過去幾十年來，碳化硅一直是電力電子領(lǐng)域以及惡劣環(huán)境傳感和紫外探測器等應(yīng)用的熱門材料。業(yè)界對基于碳化硅的光電探測器進行了非常廣泛的研究，利用它可以制造性能卓越的可見盲紫外探測器。

多年來，這項技術(shù)取得了長足的進步，例如，有報道紫外線指數(shù)監(jiān)測演示板和紫外成像儀等。關(guān)于老化效應(yīng)的可靠性研究也展示了可喜的結(jié)果，顯示出器件性能幾乎沒有變化。下圖展示了最廣泛采用的半導(dǎo)體光電探測器剖面結(jié)構(gòu)，包括光電導(dǎo)體、肖特基、金屬-半導(dǎo)體-金屬、PN結(jié)、PIN結(jié)和雪崩光電二極管。這些不同類型半導(dǎo)體光電探測器的工作原理非常相似，都依賴于最基本的光電效應(yīng)。

幾種不同類型半導(dǎo)體光電探測器剖面示意圖

已有報道的研究給出了針對特定波長的響應(yīng)度。所有器件的峰值響應(yīng)度都接近300 nm波長。另一種很有前途的奇異拓撲是石墨烯基碳化硅肖特基光電二極管，達到了極高的響應(yīng)度值。此外，還有報道在光電二極管頂部集成微透鏡等附加元件，以提高外部量子效率，從而提高響應(yīng)度。已給出的光電探測器之前都沒有集成片上讀出電路。

近十年來，已證明在碳化硅中實現(xiàn)集成低壓電路是可行的，盡管這些技術(shù)的可及性仍然有限。目前正在開發(fā)的最有前景的技術(shù)是瑞典KTH開發(fā)的一種用于高溫和惡劣環(huán)境的BJT技術(shù)，被稱為HOTSiC，以及德國弗勞恩霍夫集成系統(tǒng)和設(shè)備技術(shù)研究所（IISB）開發(fā)的一種4H-SiC CMOS。

后者具有使用互補型器件設(shè)計的完整能力，而BJT技術(shù)是僅具有上拉電阻的NPN。弗勞恩霍夫IISB已經(jīng)展示了可以與CMOS制造技術(shù)兼容的紫外光電探測器。然而，目前唯一已有報道的碳化硅光電系統(tǒng)是由Hou等人在瑞典KTH利用BJT技術(shù)實現(xiàn)的。該系統(tǒng)包含256個可尋址像素，1959個晶體管，工作條件為8.25?W和7.7?mHz。

基于弗勞恩霍夫IISB的6?μm 4H-SiC CMOS技術(shù)制造的多項目4英寸碳化硅器件晶圓

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（Delft University of Technology）微電子學(xué)院的Joost Romijn等研究人員近日報道了碳化硅中的首次片上CMOS光電集成，利用紫外光電探測器和CMOS讀出電路在弗勞恩霍夫IISB的6?μm 4H-SiC技術(shù)中，構(gòu)建了一款64像素圖像傳感器。并報道了三種光電探測器實施方案，顯示出優(yōu)異的晶圓級良率和一致性。

光電二極管設(shè)計

像素電路設(shè)計

其中一款光電探測器方案可用于紫外圖像傳感器，基于之前一項類似的硅基CMOS技術(shù)研究，以及先前報道的碳化硅基本CMOS電路模塊。所報道的碳化硅光電系統(tǒng)是迄今為止碳化硅中實現(xiàn)器件數(shù)量最大的之一，具有8 x 8（64）光電探測像素和1263個晶體管，并具有串行數(shù)字、模擬或2位ADC輸出選項。

在4H-SiC中集成讀出電路的64像素紫外圖像傳感器顯微照片

紫外光電子器件在火焰探測、衛(wèi)星、天文學(xué)、紫外攝影和醫(yī)療保健領(lǐng)域都有應(yīng)用。這種光電系統(tǒng)的復(fù)雜性為惡劣環(huán)境的微控制器等新應(yīng)用打開了大門。