CN104882510A - 一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，为n-i-p结构或p-i-n结构；新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管从顶部至i层上刻蚀有小角度倾斜台面，小角度倾斜台面为上小下大的锥状，小角度倾斜台面的底角小于20°。本发明新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，克服了现有技术中的偏见，通过降低倾斜台面深度，在不改变倾斜台面倾角的情况下，有效减小了倾斜台面的长度，有效提高了SiC APD器件的填充因子，即在提升SiC APD器件的填充因子的同时，SiC APD台面周围的电场尖峰仍可以得到有效抑制。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，属于半导体光电子器件技术领域。
背景技术
以碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体是近年来国内外重点研究和发展的新型第三代半导体材料，具有禁带宽度大、导热性能好、电子饱和漂移速度高以及化学稳定性优等特点，用于耐高温、高效能的高频大功率器件以及工作于紫外波段的光探测器件，具有显著的材料性能优势，其中SiC材料体系中的4H-SiC半导体，其禁带宽度为3.23eV，是制备可见光盲紫外探测器(响应边<400nm)的优选材料。基于宽禁带半导体的光电探测器与传统的硅基紫外探测器和紫外光电倍增管相比具有明显的优势，与硅基紫外探测器相比，宽禁带半导体紫外探测器具有：1.更高的灵敏度；2.可直接实现可见光盲甚至日盲操作、无需加增滤光片；3.可在高温、强辐射等恶劣环境下工作等优势；而紫外光电倍增管由于具有体积大、工作电压高、功耗和成本也非常高等缺点，限制了其在紫外探测和成像系统方面的应用。
由于宽禁带半导体紫外探测器具有以上显著的综合优势，这一前沿技术近十年来一直是国际化合物半导体领域竞相研究和开发的热点。在多种被发展的宽禁带半导体紫外探测器中，部分紫外探测器已经趋向成熟，如：光导型、PIN和Schottky型紫外探测器，且市场上已经出现了SiC紫外探测器产品，主要用于工业领域的紫外辐射剂量和日照辐射指数的测量。但是，对于许多核心和新兴应用领域，真正需要实现的是对微弱紫外信号的快速测量，这就意味着所用的半导体紫外探测器必须具有强烈的增益，满足这一要求的理想器件目前唯有基于SiC半导体的紫外雪崩光电探测器(APD)，高性能的APD可具有纳秒量级的响应速度、106以上的增益，甚至可在单光子探测模式下(Geiger模式)工作。可探测微弱紫外信号的SiC APD具有多方面的潜在核心应用，主要包括：火灾报警、高压电网和高铁供电线路上的电弧检测、水质和大气环境中污染物的类型和浓度的在线监测、化工和生化反应的光谱分析和过程检测、以及天文研究、医学成像、高速流体分析、同步辐射、粒子探测以及闪光照相等。
和常规的光电二极管相比，雪崩光电二极管是具有内部光电流增益的半导体光电子器件，它利用光生载流子在二极管耗尽层内的碰撞电离效应而获得光电流的雪崩倍增。雪崩光电二极管一般采用PIN结构，其特征是在P和N半导体材料之间加入一层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层；由于这一低掺杂本征层的存在，二极管在反向偏压时，电压几乎全部降落在深耗尽的I层上。其工作原理是：当二极管被加上足够高的反向偏压时，耗尽层内运动的载流子就可能因碰撞电离效应而获得雪崩倍增；当载流子的雪崩增益非常高时，二极管就进入到雪崩击穿状态，如图1所示。由于碰撞电离效应也可以引起光生载流子的雪崩倍增，因而雪崩光电二极管可具有内部的光电流增益。根据应用需求，雪崩光电二极管既可以工作在略低于雪崩击穿电压的状态(线性模式)，也可以工作在略高于雪崩击穿状态(盖革模式)。
由于APD需要工作在电场模式下，因此，可靠的终端结构(termination)的设计与实现是器件能够稳定工作的关键，而这一要求对于基于SiC半导体材料的APD则更为重要，这是因为SiC半导体发生雪崩击穿所需要的临界电场远远高于常规的Si基或GaAs基半导体。但是，由于SiC的器件工艺技术远远落后于Si基器件工艺技术，许多在Si基APD制备过程中较为成熟的终端结构还无法在宽禁带半导体APD结构中实现。例如：常用的保护环和结终端扩展(JTE)结构都依赖于有效的离子注入或扩散技术，而目前扩散掺杂方法还无法在SiC半导体中实现；离子注入掺杂虽然已经在SiC器件工艺中得到应用，但所需的离子注入条件(高温)非常苛刻，且需要极高温度的后退火处理进行杂质的激活。
基于以上原因，现有的SiC APD都是采用一种称为“小角度倾斜台面”(small anglebeveled mesa)的方法形成终端结构。一个典型的器件结构如图2所示：外延层从上到下分别为p+接触层、p过渡层、i雪崩层和n接触层。由于使用了导电的n型SiC衬底，所以APD器件可以采用n型背电极，即器件为上下电极垂直结构。这一器件结构的突出特点就是需要使用光刻胶回流(reflow)工艺形成倾角很小的台面。制作小倾角台面的目的是抑制台面周围的峰值电场，防止器件在高偏压下发生提前击穿。其大致的作用原理是：随着倾斜台面向边缘延伸，p+接触层和p过渡层的厚度越来越薄，相应的面电阻随之增大；由于串联电阻效应，在台面边缘的pn结两端的实际偏压就要比台面中部区域的pn结两端偏压要低；这样，尽管台面边缘的电场聚集效应仍然存在，但由于台面边缘有效偏压的降低，台面边缘的电场尖峰会被有效削弱。另外，倾斜台面的倾角越小，在台面边缘的p+接触层和p过渡层的厚度变化区域越长，降压越缓慢越不容易出现电场尖峰。
小角度倾斜台面虽然可以有效抑制SiC APD器件台面边缘的峰值电场，但也带来一个严重问题，就是APD器件的有效探测面积浪费严重，填充因子(fill factor)偏小。如上图所示：具有小角度倾斜台面的APD器件，其倾斜台面上边缘和下边缘之间的大面积倾斜台面区域都是不能发生雪崩离化的区域，即不能有效探测紫外光子的区域；该器件的填充因子约等于图中内圆(倾斜台面上边缘)的面积除以外圆(倾斜台面下边缘)的面积。从简单几何学的角度上看，台面的倾角越小，探测器的填充因子越小。因此，按以上分析，在具有倾斜台面的SiC APD器件结构设计中，小倾角的实现对台面边缘峰值电场的抑制和对器件填充因子的提升是互相矛盾的。值得指出的是，现有技术中存在一种偏见，认为只有将台面由上至下从p+层跨越i层一直刻蚀到n接触层才能使SiC APD台面周围的电场尖峰得到有效的抑制，刻蚀深度浅了是达不到抑制效果的，因此，现有的倾斜台面SiC APD器件都是按传统台面制作方式将台面由上至下从p+层跨越i层一直刻蚀到n接触层，而刻蚀深度越大，小角度倾斜台面所浪费的芯片面积就愈多。
发明内容
为了解决现有技术中小角度倾斜台面SiC APD器件填充因子偏低、芯片面积浪费严重，台面边缘峰值电场的抑制和对器件填充因子的提升互相矛盾的问题，本发明提供一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，为n-i-p结构或p-i-n结构；新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管从顶部至i层上刻蚀有小角度倾斜台面，小角度倾斜台面为上小下大的锥状，小角度倾斜台面的底角小于20°。
小角度倾斜台面用于器件隔离和消弱台面边缘的电场尖峰，小角度倾斜台面底角定义为小角度倾斜台面的倾斜面与衬底平面之间的夹角，该倾斜角沿台面边缘一周的平均值应小于20°。上述n表示n型碳化硅半导体层，i表示i型碳化硅半导体层，p表示p型碳化硅半导体层。
申请人经研究意外发现：从SiC APD台面边缘的电场分布分析，在倾角固定的情况下，台面无论是延伸到i层还是延伸到下部掺杂层实际对台面边缘场的分布影响区别不大；只要上部掺杂层的边缘具有小倾角，串联电阻效应就可以发生，从而有效削弱台面边缘电场尖峰；申请人分析，即使台面深度延伸到下部掺杂层，即台面将跨越很长的i层，由于倾斜台面的i层部分上端本来就没有导电掺杂层，相应的扩展电场本来就很低，所以这种很深的台面对台面边缘电场峰值的抑制作用很小。
申请人通过上述改进，克服了现有技术中“认为只有将台面由上至下从p+层跨越i层一直刻蚀到n接触层才能使SiC APD台面周围的电场尖峰得到有效的抑制”的偏见，增大了芯片有效面积，提高了小角度倾斜台面SiC APD器件的填充因子。
本申请将现有技术刻蚀到n接触层的台面定义为全台面，将本申请刻蚀到i层的台面定义为半台面。
为了进一步减免电场尖峰的出现，小角度倾斜台面的底角小于5°。由于现有技术中误认为台面必须刻蚀到n接触层，因此，为了平衡台面边缘峰值电场的抑制和填充因子，通常倾斜台面的底角是大于5°的。
p-i-n结构为：在n型导电SiC衬底上依次外延生长n型SiC接触层、i型SiC雪崩层、p型SiC过渡层、和p+型SiC接触层；然后利用光刻胶回流和等离子体干法刻蚀方法由上至下形成小角度倾斜台面，小角度倾斜台面的深度达到i型SiC雪崩层即可；再对器件进行表面钝化，形成钝化层；最后完成器件上、下金属接触电极的制备，其中，上金属接触电极位于p+型SiC接触层的顶部，下金属接触电极位于n型导电SiC衬底的底部；
n-i-p结构为：在p型导电SiC衬底上依次外延生长p型SiC接触层、i型SiC雪崩层、n型SiC过渡层、和n+型SiC接触层；然后利用光刻胶回流和等离子体干法刻蚀方法由上至下形成小角度倾斜台面，小角度倾斜台面的深度达到i型SiC雪崩层即可；再对器件进行表面钝化；最后完成器件上、下金属接触电极的制备，其中，上金属接触电极位于n+型SiC接触层的顶部，下金属接触电极位于p型导电SiC衬底的底部。
上述p-i-n结构或n-i-p结构的生成方向为从下到上，刻蚀方向为从上到下。
上述小角度倾斜台面的底部位于低掺杂i型SiC雪崩层上。相比现有技术在保证对台面边缘峰值电场的抑制的条件下，器件的填充因子得到了明显的提升。p-i-n结构中，n型SiC接触层的平均掺杂浓度介于1×1017-1×1020cm-3之间；i型SiC雪崩层的平均掺杂浓度介于1×1014-1×1017cm-3之间；p型SiC过渡层的平均掺杂浓度介于1×1017-1×1019cm-3之间；p+型SiC接触层的平均掺杂浓度大于p型SiC过渡层的平均掺杂浓度。
p-i-n结构中，n型SiC接触层的厚度为0-50μm；i型SiC雪崩层的厚度为0.2-2μm；p型SiC过渡层的厚度为0.1-1μm；p+型SiC接触层的厚度为0.1-1μm。
n-i-p结构中，p型SiC接触层的平均掺杂浓度介于1×1017-1×1020cm-3之间；i型SiC雪崩层的平均掺杂浓度介于1×1014-1×1017cm-3之间；n型SiC过渡层的平均掺杂浓度介于1×1017-1×1019cm-3之间；n+型SiC接触层的平均掺杂浓度大于n型SiC过渡层的平均掺杂浓度。
n-i-p结构中，p型SiC接触层的厚度为0-50μm；i型SiC雪崩层的厚度为0.2-2μm；n型SiC过渡层的厚度为0.1-1μm；n+型SiC接触层的厚度为0.1-1μm。
本申请“介于……之间”包括两端点值。
优选，钝化层所用材料的平均击穿场强大于3MV/cm。进一步优选，钝化层的材料为SiO2、Si3N4、SiNx、AlN、Al2O3、HfO2或ZrO2中一种或两种以上任意配比的混合物。
上、下金属接触电极可以为单层金属或多层金属复合结构。
上、下接触电极的金属构成可以相同也可以不同。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，克服了现有技术中的偏见，通过降低倾斜台面深度，在不改变倾斜台面倾角的情况下，有效减小了倾斜台面的长度，有效提高了SiC APD器件的填充因子，即在提升SiC APD器件的填充因子的同时，SiC APD台面周围的电场尖峰仍可以得到有效抑制；本申请小角度倾斜台面的底角可做到5°以下，从而使台面周围的电场尖峰能得到更有效的抑制；本申请小倾角半台面结构的制备工艺可参照传统小倾角全台面的制备工艺，而所需刻蚀时间和刻蚀气体消耗量都会减少，在一定程度上降低了制备成本；仿真结果表明，本发明所述的小倾角半台面结构和传统全台面结构相比，对SiC APD器件边缘的电场尖峰抑制效果相近，器件填充因子和芯片有效面积却得到了显著的提升。
附图说明
图1为在反向高场强条件下pn发生雪崩击穿的示意图；
图2为使用小倾角全台面为终端的SiC APD结构简图，该器件制备在n型导电SiC衬底上；
图3是本发明实施例1小倾角半台面SiC APD结构简图，该器件制备在n型导电SiC衬底上；
图4是使用Silvaco器件模拟软件计算得到的在高反向偏压下传统小倾角全台面SiCAPD的内部场强分布图，其中，左图为场强变化的截面二维分布图；右图为沿p层和i层交界处水平方向的场强变化曲线；
图5是使用Silvaco器件模拟软件计算得到的在高反向偏压下本发明实施例1小倾角半台面SiC APD的内部场强分布图，其中，左图为场强变化的截面二维分布图；右图为沿p层和i层交界处水平方向的场强变化曲线；
图6是本发明实施例2小倾角半台面SiC APD结构简图，该器件制备在p型导电SiC衬底上；
由于器件结构是对称的，所以图4、图5只画出了器件的右半部分截面作为示意图。
图中，101为下金属接触电极，102为n型导电SiC衬底，103为n型SiC接触层，104为i型SiC雪崩层，105p型SiC过渡层,106为p+型SiC接触层，107为钝化层，108为上金属接触电极，109为倾斜台面区域，110为倾斜台面上边缘，111为倾斜台面下边缘，202为p型导电SiC衬底，206为n+型SiC接触层。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图3所示，小倾角半台面SiC APD结构，该器件是被制备在n型导电SiC衬底上。从n型导电SiC衬底102由下至上分别为n型SiC接触层103、i型SiC雪崩层104、p型SiC过渡层105、和p+型SiC接触层106；台面倾角θ小于20°，台面仅需要刻蚀到p型SiC过渡层105以下，台面底部处于i型SiC雪崩层104上。
对比例1
如图2所示，使用小倾角全台面为终端的SiC APD结构简图，该器件是制备在n型导电SiC衬底上。器件的基本构成部分包括：n型导电SiC衬底102，在n型导电SiC衬底102上依次生长n型SiC接触层103、i型SiC雪崩层104、p型SiC过渡层105、和p+型SiC接触层106，台面倾角θ小于20°，台面需要刻蚀到n型SiC过渡层103，其底部处于n型SiC过渡层103内。
上述图3所示为与图2器件结构相对应的小倾角半台面SiC APD器件的结构简图，该器件的外延结构与图2结构完全相同，图3小倾角半台面SiC APD器件的制备工艺步骤也与图2小倾角全台面SiC APD器件完全相同，各层掺杂浓度和厚度也相同，所不同的是刻蚀深度不同。
图2和图3所示的SiC APD制备工艺包括：倾斜台面刻蚀、n型和p型欧姆接触电极制备、表面钝化。倾斜台面的制备一般是基于光刻胶回流和干法刻蚀工艺；图2为全台面SiC APD器件，其台面深度需要达到i型SiC雪崩层104以下；下金属接触电极(背电极金属欧姆接触层)101和上金属接触电极(上电极金属欧姆接触层)108为多层金属复合结构，通过蒸镀或溅射工艺分别在淀积在n型导电SiC衬底102背面和p+型SiC接触层106表面，后经高温退火工艺形成。
对比图2和图3器件结构，很明显小倾角半台面SiC APD结构具有更高的填充因子，可以在一定程度上克服小倾角全台面结构填充因子偏低的问题。但是，制作小倾角倾斜台面的目的是有效削弱台面周围的电场尖峰，如果小倾角半台面结构对电场尖峰的削弱不理想，填充因子再高也没有意义。下面将通过Silvaco器件模拟数据做进一步说明小倾角半台面SiC APD结构的优势。
图2、图3器件的具体结构参数设置如下：n型导电SiC衬底102的掺杂浓度5×1018cm-3，厚度300μm；n型SiC接触层103的掺杂浓度5×1018cm-3，厚度2μm、i型SiC雪崩层104的掺杂浓度3×1015cm-3，厚度0.5μm；p型SiC过渡层105的掺杂浓度2×1018cm-3，厚度0.2μm；p+型SiC欧姆接触层106的掺杂浓度2×1019cm-3，厚度0.1μm；器件的表面钝化层107为厚度为1.0μm的二氧化硅；探测器的下金属接触电极(n型接触电极)101和上金属接触电极(p型接触电极)108均为基于金属Ni和Au的多层结构，该金属电极的具体组分对APD探测器内的场强分布没有影响；该器件的台面倾角θ为5°。
图4是使用Silvaco器件模拟软件计算得到的在高反向偏压下小倾角全台面SiC APD(图2)的内部场强分布图，其中左图为场强变化的截面二维分布图，右图为沿p层和i层交界处水平方向的场强变化曲线。台面刻蚀深度为1.0μm，已经深入到n型SiC接触层103。
从器件仿真计算得到的结果看：在反向偏压145V情况下，小倾角全台面SiC APD器件内的场强最大处位于i型SiC雪崩层104和p型SiC过渡层105的交界并接近台面边缘处(左图)。从电场强度沿i型SiC雪崩层104和p型SiC过渡层105的交界线的具体分布(右图)可以看出：在使用了小倾角全台面结构的情况下，SiC APD台面边缘的电场峰值仅高于内部场强0.23MV/cm，说明小倾角台面可以有效抑制SiC APD台面边缘的电场尖峰。
图5是使用Silvaco器件模拟软件计算得到的在高反向偏压下小倾角半台面SiC APD(图3)的内部场强分布图，其中左图为场强变化的截面二维分布图，右图为沿p层和i层交界处水平方向的场强变化曲线。该器件的结构参数与图4所模拟的小倾角全台面SiCAPD基本一致，唯一的区别是：台面刻蚀深度为0.3μm，刚刚达到i型SiC雪崩层104。从器件仿真计算得到的结果看：在反向偏压145V情况下，小倾角半台面SiC APD器件内的场强最大处也是位于i型SiC雪崩层104和p型SiC过渡层105的交界并接近台面边缘处(左图)。从电场强度沿i型SiC雪崩层104和p型SiC过渡层105的交界线的具体分布(右图)可以看出：在使用了小倾角半台面结构的情况下，SiC APD台面边缘的电场峰值仅高于内部场强0.22MV/cm。对比图3的器件仿真结果可以看出：小倾角半台面终端结构(图3)和小倾角全台面终端结构(图2)对于抑制SiC APD台面边缘的电场尖峰效果相近。
表1对图4和图5的器件模拟仿真结果进行了总结和对比。假定图2和图3中SiC APD器件的倾斜台面上边缘直径都是100微米，在台面倾角θ为5°的情况下，小倾角全台面终端结构(图2)和小倾角半台面终端结构(图3)的填充因子分别为66％和87％；也就是说：采用了本发明所提出的小倾角半台面终端设计后，相对小倾角全台面终端设计，填充因子可以提升32％；而这两个种终端结构对于SiC APD台面边缘电场尖峰的抑制效果相近。
表1是计算得到的小倾角全台面SiC APD(图2)和小倾角半台面SiC APD(图3)的台面边缘场强变化和填充因子比较。
实施例2
图6为本发明所提出的另一种小倾角半台面SiC APD器件的结构简图，该器件是被制备在p型导电SiC衬底材料上。图6所示器件结构与图3所示器件结构由上到下SiC材料的导电极性正好相反，呈对称关系。器件的基本构成部分包括：p型导电SiC衬底202，掺杂浓度大于1×1017cm-3。在p型导电SiC衬底202上依次生长p型SiC接触层105、i型SiC雪崩层104、n型SiC过渡层103、和n+型SiC欧姆接触层206；其中，p型SiC接触层105的平均掺杂浓度应介于1×1017-1×1020cm-3之间，厚度介于0-50μm之间；i型SiC雪崩层104的平均掺杂浓度应介于1×1014-1×1017cm-3之间，厚度介于0.2-2μm之间；n型SiC过渡层103的平均掺杂浓度应介于1×1017-1×1019cm-3之间，厚度介于0.1-1μm之间；n+型SiC欧姆接触层206的平均掺杂浓度应大于n型SiC过渡层的平均掺杂浓度，厚度介于0.1-1μm之间。表面钝化层107、上下金属接触电极108和101与图3中结构一致。图6中器件的台面结构与图3中结构也完全一致，即台面倾角θ须小于20°；半台面刻蚀深度仅需达到n型SiC过渡层103以下，其底部处于i型SiC雪崩层104上。
图6所示小倾角半台面SiC APD结构与图3所示小倾角半台面SiC APD结构在物理作用机制上完全相同，只不过一个从上到下是n-i-p结构，另一个从上到下是p-i-n结构。由于结构和各层导电极性及掺杂浓度的对称性，图6所发明器件结构同样具有提升探测器填充因子和抑制APD台面边缘电场尖峰的作用，相应结论也得到了器件仿真计算结果的支持(包括上述浓度区间内的各值)，这里不再累述。
Claims (9)
1.一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:为n-i-p结构或p-i-n结构；新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管从顶部至i层上刻蚀有小角度倾斜台面，小角度倾斜台面为上小下大的锥状，小角度倾斜台面的底角小于20°。
2.如权利要求1所述的新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:小角度倾斜台面的底角小于5°。
3.如权利要求1或2所述的新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:p-i-n结构为n型导电SiC衬底上依次外延生长n型SiC接触层、i型SiC雪崩层、p型SiC过渡层、和p+型SiC接触层；然后利用光刻胶回流和等离子体干法刻蚀方法由上至下形成小角度倾斜台面，小角度倾斜台面的深度达到i型SiC雪崩层即可；再对器件进行表面钝化，形成钝化层；最后完成器件上、下金属接触电极的制备，其中，上金属接触电极位于p+型SiC接触层的顶部，下金属接触电极位于n型导电SiC衬底的底部；
n-i-p结构为：在p型导电SiC衬底上依次外延生长p型SiC接触层、i型SiC雪崩层、n型SiC过渡层、和n+型SiC接触层；然后利用光刻胶回流和等离子体干法刻蚀方法由上至下形成小角度倾斜台面，小角度倾斜台面的深度达到i型SiC雪崩层即可；再对器件进行表面钝化；最后完成器件上、下金属接触电极的制备，其中，上金属接触电极位于n+型SiC接触层的顶部，下金属接触电极位于p型导电SiC衬底的底部。
4.如权利要求3所述的新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:p-i-n结构中，n型SiC接触层的平均掺杂浓度介于1×1017-1×1020cm-3之间；i型SiC雪崩层的平均掺杂浓度介于1×1014-1×1017cm-3之间；p型SiC过渡层的平均掺杂浓度介于1×1017-1×1019cm-3之间；p+型SiC接触层的平均掺杂浓度大于p型SiC过渡层的平均掺杂浓度。
5.如权利要求4所述的新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:p-i-n结构中，n型SiC接触层的厚度为0-50μm；i型SiC雪崩层的厚度为0.2-2μm；p型SiC过渡层的厚度为0.1-1μm；p+型SiC接触层的厚度为0.1-1μm。
6.如权利要求3所述的新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:n-i-p结构中，p型SiC接触层的平均掺杂浓度介于1×1017-1×1020cm-3之间；i型SiC雪崩层的平均掺杂浓度介于1×1014-1×1017cm-3之间；n型SiC过渡层的平均掺杂浓度介于1×1017-1×1019cm-3之间；n+型SiC接触层的平均掺杂浓度大于n型SiC过渡层的平均掺杂浓度。
7.如权利要求6所述的新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:n-i-p结构中，p型SiC接触层的厚度为0-50μm；i型SiC雪崩层的厚度为0.2-2μm；n型SiC过渡层的厚度为0.1-1μm；n+型SiC接触层的厚度为0.1-1μm。
8.如权利要求3-7任意一项所述的新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:钝化层所用材料的平均击穿场强大于3MV/cm。
9.如权利要求8所述的新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:钝化层所用材料为SiO2、Si3N4、SiNx、AlN、Al2O3、HfO2或ZrO2中一种或两种以上任意配比的混合物。
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Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107910360A (zh) * | 2017-12-06 | 2018-04-13 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构及其制备方法 |
| CN108400197A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-08-14 | 厦门大学 | 具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器及制备方法 |
| CN108538923A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-09-14 | 南京大学 | 一种复合终端结构的氮化镓二极管 |
| CN108630778A (zh) * | 2018-05-04 | 2018-10-09 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 倾斜台面的制备方法及探测器的制备方法 |
| CN108875193A (zh) * | 2018-06-12 | 2018-11-23 | 温州大学 | 评估SiC同质异构结IMPATT二极管性能的方法 |
| CN109244175A (zh) * | 2018-08-09 | 2019-01-18 | 镇江镓芯光电科技有限公司 | 一种注Al离子雪崩光电二极管及其制备方法 |
| CN109801979A (zh) * | 2018-12-31 | 2019-05-24 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种大尺寸台面结构的碳化硅PiN二极管及其制备方法 |
| CN110021617A (zh) * | 2019-03-29 | 2019-07-16 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种InGaAs雪崩焦平面探测器的串扰抑制结构 |
| CN110311008A (zh) * | 2018-03-20 | 2019-10-08 | 株式会社东芝 | 光检测装置及光检测测距装置 |
| CN110323302A (zh) * | 2018-03-30 | 2019-10-11 | 国家研究委员会 | 碳化硅紫外光光电检测器及其制造方法 |
| WO2019210647A1 (zh) * | 2018-05-04 | 2019-11-07 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 雪崩光电二极管的制备方法 |
| CN110676340A (zh) * | 2019-09-29 | 2020-01-10 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 一种紫外探测器 |
| JP2020098877A (ja) * | 2018-12-19 | 2020-06-25 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェフォトダイオードおよびその製造方法 |
| CN112530795A (zh) * | 2020-08-21 | 2021-03-19 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 基于小角度深刻蚀工艺的碳化硅功率器件终端及制作方法 |
| CN115132573A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-30 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种SiC材料的极小角度倾斜刻蚀工艺方法 |
| CN115188855A (zh) * | 2020-02-26 | 2022-10-14 | 光丰科技(浙江)有限公司 | 光电探测器、集成光电探测器及其制作方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0571142A1 (en) * | 1992-05-18 | 1993-11-24 | General Electric Company | Platinum doped silicon avalanche photodiode |
| CN1507078A (zh) * | 2002-12-10 | 2004-06-23 | ͨ�õ�����˾ | 恶劣环境下使用的雪崩光电二极管 |
-
2015
- 2015-06-04 CN CN201510305471.8A patent/CN104882510B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0571142A1 (en) * | 1992-05-18 | 1993-11-24 | General Electric Company | Platinum doped silicon avalanche photodiode |
| CN1507078A (zh) * | 2002-12-10 | 2004-06-23 | ͨ�õ�����˾ | 恶劣环境下使用的雪崩光电二极管 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ARIANE L.BECK ETAL: "Edge Breakdown in 4H-SiC Avalanche Photodiodes", 《IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS》 * |
| HO-YOUNG CHA: "Structural Optimization of Silicon carbide PIN Avalanche Photodiodes for UV detection", 《JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY》 * |
Cited By (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107910360A (zh) * | 2017-12-06 | 2018-04-13 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构及其制备方法 |
| CN110311008A (zh) * | 2018-03-20 | 2019-10-08 | 株式会社东芝 | 光检测装置及光检测测距装置 |
| CN110323302A (zh) * | 2018-03-30 | 2019-10-11 | 国家研究委员会 | 碳化硅紫外光光电检测器及其制造方法 |
| CN110323302B (zh) * | 2018-03-30 | 2023-04-11 | 意法半导体股份有限公司 | 碳化硅紫外光光电检测器及其制造方法 |
| CN108400197A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-08-14 | 厦门大学 | 具有球冠结构的4H-SiC紫外光电探测器及制备方法 |
| CN108630778A (zh) * | 2018-05-04 | 2018-10-09 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 倾斜台面的制备方法及探测器的制备方法 |
| US11349043B2 (en) | 2018-05-04 | 2022-05-31 | The 13Th Research Institute Of China Electronics Technology Group Corporation | Method for manufacturing tilted mesa and method for manufacturing detector |
| CN108630778B (zh) * | 2018-05-04 | 2020-07-07 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 倾斜台面的制备方法及探测器的制备方法 |
| WO2019210647A1 (zh) * | 2018-05-04 | 2019-11-07 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 雪崩光电二极管的制备方法 |
| WO2019210658A1 (zh) * | 2018-05-04 | 2019-11-07 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 倾斜台面的制备方法及探测器的制备方法 |
| US11342474B2 (en) | 2018-05-04 | 2022-05-24 | The 13Th Research Institute Of China Electronics Technology Group Corporation | Method for preparing avalanche photodiode |
| CN108538923A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-09-14 | 南京大学 | 一种复合终端结构的氮化镓二极管 |
| CN108875193A (zh) * | 2018-06-12 | 2018-11-23 | 温州大学 | 评估SiC同质异构结IMPATT二极管性能的方法 |
| CN109244175A (zh) * | 2018-08-09 | 2019-01-18 | 镇江镓芯光电科技有限公司 | 一种注Al离子雪崩光电二极管及其制备方法 |
| JP2020098877A (ja) * | 2018-12-19 | 2020-06-25 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェフォトダイオードおよびその製造方法 |
| JP7044048B2 (ja) | 2018-12-19 | 2022-03-30 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェフォトダイオードおよびその製造方法 |
| CN109801979A (zh) * | 2018-12-31 | 2019-05-24 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种大尺寸台面结构的碳化硅PiN二极管及其制备方法 |
| CN110021617A (zh) * | 2019-03-29 | 2019-07-16 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种InGaAs雪崩焦平面探测器的串扰抑制结构 |
| CN110676340B (zh) * | 2019-09-29 | 2021-05-04 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 一种紫外探测器 |
| CN110676340A (zh) * | 2019-09-29 | 2020-01-10 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 一种紫外探测器 |
| CN115188855A (zh) * | 2020-02-26 | 2022-10-14 | 光丰科技(浙江)有限公司 | 光电探测器、集成光电探测器及其制作方法 |
| CN112530795A (zh) * | 2020-08-21 | 2021-03-19 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 基于小角度深刻蚀工艺的碳化硅功率器件终端及制作方法 |
| CN115132573A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-30 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种SiC材料的极小角度倾斜刻蚀工艺方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |