探測波段在200 nm以下的真空紫外(VUV)探測器與極紫外(EUV)探測器是我國在高端制造產(chǎn)業(yè)與科學(xué)研究領(lǐng)域急需的關(guān)鍵部件。近年來,隨著大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的飛速發(fā)展,光刻技術(shù)經(jīng)歷了從浸沒式深紫外光刻到EUV光刻的發(fā)展歷程。在22/16 nm節(jié)點(diǎn),芯片制造商仍普遍使用193 nm ArF浸沒式光刻+多重曝光成像技術(shù),但多重成像技術(shù)面臨成本顯著上升及良率、產(chǎn)量下降等嚴(yán)重問題。由此,自7/5 nm節(jié)點(diǎn)起,芯片生產(chǎn)則主要采用波長更短的EUV光刻技術(shù)。為了突破技術(shù)封鎖和芯片斷供風(fēng)險,近年來我國把發(fā)展自主可控高端光刻機(jī)作為科技發(fā)展的重中之重;而無論是現(xiàn)階段仍廣泛使用的193 nm 紫外光刻機(jī),還是采用13.5 nm 極紫外光源的第五代EUV光刻機(jī),短波紫外探測器均是其中的核心部件。為保證成像質(zhì)量,必須嚴(yán)格控制最終投影到晶圓片上的輻照劑量;因此,需要定期或?qū)崟r使用高性能短波紫外探測器對入射光的強(qiáng)度和均勻性進(jìn)行監(jiān)測。此外,半導(dǎo)體EUV探測器在大科學(xué)裝置、太陽風(fēng)觀測、地球等離子體物理以及工業(yè)測量等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用。

圖1:EUV光譜波長與頻率范圍分布

我國在半導(dǎo)體短波紫外探測器領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)薄弱,200 nm以下紫外光輻照劑量監(jiān)控和定標(biāo)長期依靠進(jìn)口探測器件,不僅受到西方國家的技術(shù)封鎖,而且時刻存在斷供風(fēng)險。為了突破這一困境,南京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊在陸海和張榮教授的領(lǐng)導(dǎo)下,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(shí)現(xiàn)了探測波長低至140 nm 的大感光面寬禁帶AlGaN基VUV探測器,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(tuán)隊進(jìn)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),并通過其團(tuán)隊創(chuàng)建的產(chǎn)業(yè)化公司“蘇州鎵敏光電科技有限公司”(鎵敏光電)成功進(jìn)行了技術(shù)轉(zhuǎn)化。經(jīng)過多輪量產(chǎn)型芯片工藝開發(fā)與改進(jìn),以及系列工業(yè)級可靠性驗(yàn)證,“鎵敏光電”于2021年10月首次發(fā)布4款VUV和EUV探測器芯片產(chǎn)品,分別面向193 nm和13.5 nm紫外光源輻照能量監(jiān)測,并已開始向國內(nèi)外若干大型公司批量供貨。

在此次產(chǎn)品發(fā)布以前,國際上僅有美國Opto Diode公司可提供半導(dǎo)體真空紫外探測器和極紫外探測器產(chǎn)品,是基于特殊的Si基器件工藝。但是Si材料抗輻射能力弱、溫度穩(wěn)定性差和易受背景光干擾等固有缺點(diǎn)限制了Si基EUV探測器的進(jìn)一步發(fā)展。以GaN和SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料因其可見光盲、高穩(wěn)定性和抗輻照等系列性能優(yōu)勢,是制備新一代短波EUV探測器的優(yōu)選材料。不同于傳統(tǒng)Si材料技術(shù)路線,“鎵敏光電”此次發(fā)布的VUV和EUV探測器芯片產(chǎn)品就是基于新型寬禁帶SiC半導(dǎo)體材料,不僅暗電流低、量子效率高,而且根據(jù)已有的可靠性測試數(shù)據(jù),未出現(xiàn)Si基探測器在高劑量深紫外光輻照下的性能退化問題。這一自主創(chuàng)新產(chǎn)品突破了現(xiàn)行的技術(shù)框架,必將對我國相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步起到重要推動作用。

圖2:“鎵敏光電”新發(fā)布的幾款VUV和EUV紫外探測器產(chǎn)品

“蘇州鎵敏光電科技有限公司”是由南京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊創(chuàng)辦的產(chǎn)業(yè)化公司,專業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)新一代的高靈敏度紫外探測器件與應(yīng)用模塊,并提供與紫外探測相關(guān)的技術(shù)咨詢與解決方案。“鎵敏光電”在國內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)寬禁帶半導(dǎo)體GaN和SiC紫外探測芯片的產(chǎn)業(yè)化,產(chǎn)品已批量應(yīng)用于紫外消毒劑量監(jiān)測、火焰探測、水質(zhì)檢測、氣體污染物檢測、生化體液檢測、紫外固化過程監(jiān)控,以及太陽紫外線指數(shù)監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。

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