CN106653932A - 一种SiC雪崩光电二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SiC雪崩光电二极管，所述SiC雪崩光电二极管的结终端结构为非线性倾斜的台面；所述台面的斜面与衬底平面之间的夹角由台面的底部至顶部逐渐增大；所述斜面与衬底平面之间的夹角在台面的底部为30‑60°，在台面的顶部为60‑90°；本发明还公开了本发明的SiC雪崩光电二极管的制备方法。本发明的SiC雪崩光电二极管采用多次刻蚀形成非线性倾斜的台面，并通过工艺的优化改善了斜面的表面质量和形貌，可有效避免台面顶部和斜面处漏电导致的低雪崩耐量现象的发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种SiC雪崩光电二极管及其制备方法。
背景技术
SiC是一种宽禁带材料，禁带宽度大于3eV，对应于紫外光谱。SiC雪崩光电二极管因为低暗电流，高的雪崩效应，具有非常高的电流增益，可以被用于探测单光子。因此，SiC雪崩光电二极管是一种非常好的单光子紫外光探测器。同时，APD二极管加低压偏置的情况下，是一种非常好的紫外光电二极管。SiC雪崩光电的探测波长范围为280nm附近，处于日盲区，在民用、军用等多方面具有非常重要的应用价值。
目前，SiC雪崩光电二极管一般都是台面结构，如图1所示；利用线性倾斜的台面作为结终端结构，结构简单；正斜面的结终端可以有效降低器件边缘电场集中现象，得到很低的暗电流和非常高的雪崩电流。但是这种结构也存在一些问题，由于刻蚀引起台面侧壁的缺陷较多，以及台面顶部、底部的电场容易集中，往往容易造成台面侧壁引起的漏电和顶部、底部引起的提前击穿和雪崩耐量小现象，影响器件的电流增益和探测效率。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种SiC雪崩光电二极管，其采用了非线性倾斜的斜面，并通过工艺的优化改善了斜面的表面质量和形貌，最终避免了台面顶部和斜面处漏电导致的低雪崩耐量现象的发生。本发明的另一目的在于提供一种制备本发明中SiC雪崩光电二极管的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种SiC雪崩光电二极管，所述SiC雪崩光电二极管的结终端结构为非线性倾斜的台面；所述台面的斜面与衬底平面之间的夹角由台面的底部至顶部逐渐增大；所述斜面与衬底平面之间的夹角在台面的底部为30-60°，在台面的顶部为60-90°。
进一步，所述SiC雪崩光电二极管采用外延结构的pn二极管，所述外延结构为n++/n-/p+/buffer/n+sub或p++/p-/n+/buffer/n+sub；n+sub是指材料最下层的SiC衬底。
进一步，所述台面的深度为刻蚀掉全部的n-或p-漂移层，过刻蚀进入p+或n+层。
进一步，当所述外延结构为n++/n-/p+/buffer/n+sub时，n++层掺杂浓度为1E19cm-3-1E20cm-3，厚度为100-300nm；n-层掺杂浓度为3E15-3E16cm-3，厚度为1000nm；p+层掺杂浓度为5E18-5E19cm-3，厚度为300-500nm；buffer层掺杂浓度可为1E18cm-3，厚度为1000nm。
一种制备SiC雪崩光电二极管的方法，所述方法包括如下步骤：
1)在SiC雪崩光电二极管的外延结构上淀积介质掩膜；然后对介质掩膜进行光刻、刻蚀，得到带有一定倾角的掩膜层；
2)使用ICP方法进行刻蚀，先使用选择比较低的条件进行刻蚀，得到台面的斜面与衬底平面之间较小的夹角；然后逐渐改变工艺条件，增大选择比，直至完成台面的刻蚀；
3)对步骤2)中完成刻蚀的台面进行高温退火处理，高温退火前用碳膜对材料表面进行保护；
4)用氧气或氮气等离子体去除步骤3)中的碳膜层，然后再进行牺牲氧化，氧化后用HF或BOE腐蚀去除台面表面的损伤层；
5)采用热氧化的方法对台面进行钝化，之后在NO或N2O的气氛中进行退火；
6)淀积厚的钝化层进行钝化保护，去除台面顶部电极窗口、入射窗口和底部电极窗口的介质，然后淀积抗反射层介质；
7)在台面顶部和底部的电极窗口处分别淀积欧姆接触金属，并进行退火形成欧姆接触；欧姆接触完成后在窗口上做上互联金属。
进一步，步骤2)中台面的深度需要刻蚀掉全部的n-或p-漂移层，过刻蚀进入p+或n+层。
进一步，步骤2)中所述选择比的改变次数不小于两次。
进一步，步骤3)中高温退火的温度在1700℃以上，时间为3min-30min；步骤4)中牺牲氧化的氧化厚度在10-50nm之间，氧化的方式可以为干氧氧化或湿氧氧化。
进一步，步骤5)中热氧化的氧化温度在1200℃-1500℃之间，采用干氧氧化。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明的SiC雪崩光电二极采用了非线性倾斜的斜面，并通过工艺的优化改善了斜面的表面质量和形貌，最终避免了台面顶部和斜面处漏电导致的低雪崩耐量现象的发生。
附图说明
图1为现有技术中SiC雪崩光电二极管结构的结构示意图；
图2为本发明的SiC雪崩光电二极管结构的结构示意图；
图3为本发明实施例的SiC雪崩光电二极管的外延结构的结构示意图；
图4为本发明实施例的SiC雪崩光电二极管制备过程中得到掩膜层后的结构示意图；
图5为本发明实施例的SiC雪崩光电二极管制备过程中刻蚀、高温退火处理后的结构示意图；
图6为本发明实施例的SiC雪崩光电二极管制备过程中热氧化后的结构示意图；
图7为本发明实施例的SiC雪崩光电二极管制备过程中开窗后的结构示意图；
图8为本发明实施例的SiC雪崩光电二极管制备完成后的结构示意图。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
如图2所示，本发明提供了一种SiC雪崩光电二极管，该SiC雪崩光电二极管的结终端结构为非线性倾斜的台面；台面的斜面与衬底平面之间的夹角由台面的底部至顶部逐渐增大；斜面与衬底平面之间的夹角在台面的底部为30-60°，在台面的顶部为60-90°。
SiC雪崩光电二极管采用外延结构的pn二极管，外延结构为n++/n-/p+/buffer/n+sub或p++/p-/n+/buffer/n+sub；n+sub是指材料最下层的SiC衬底。一般选用导电型衬底，质量高，费用低。
台面的深度为刻蚀掉全部的n-或p-漂移层，过刻蚀进入p+或n+层。
当所述外延结构为n++/n-/p+/buffer/n+sub时，n++层掺杂浓度为1E19cm-3-1E20cm-3，厚度为100-300nm；n-层掺杂浓度为3E15-3E16cm-3，厚度为1000nm；p+层掺杂浓度为5E18-5E19cm-3，厚度为300-500nm；buffer层掺杂浓度可为1E18cm-3，厚度为1000nm。其中p+层浓度可以是非均匀的，如在靠近表面欧姆接触的区域浓度可以比其他区域更高，利于形成更好的欧姆接触
本发明还提供了一种制备SiC雪崩光电二极管的方法，该方法包括：
1)在SiC雪崩光电二极管的外延结构上淀积介质掩膜；然后对介质掩膜进行光刻、刻蚀，得到带有一定倾角的掩膜层；
2)使用ICP方法进行刻蚀，先使用选择比较低的条件进行刻蚀，得到台面的斜面与衬底平面之间较小的夹角；然后逐渐改变工艺条件，增大选择比，直至完成台面的刻蚀；
3)对步骤2)中完成刻蚀的台面进行高温退火处理，高温退火前用碳膜对材料表面进行保护；高温退火处理可以使刻蚀引起的斜面或底部的粗糙部分变得平滑，消除刻蚀产生的各种缺陷和表面的粗糙。
4)用氧气或氮气等离子体去除步骤3)中的碳膜层，然后再进行牺牲氧化，氧化后用HF或BOE腐蚀去除台面表面的损伤层；
5)采用热氧化的方法对台面进行钝化，之后在NO或N2O的气氛中进行退火；热氧化层可以很好的对表面进行钝化保护，特别是对刻蚀形成的台面侧壁，减少由于表面过多的界面陷阱引起的漏电流。
6)淀积厚的钝化层进行钝化保护，去除台面顶部电极窗口、入射窗口和底部电极窗口的介质，然后淀积抗反射层介质；在台面顶部的入射光窗口的抗反射层，可以利用入射反射光在介质表面的干涉相消现象，减少入射光的反射，提高探测效率。
7)在台面顶部和底部的电极窗口处分别淀积欧姆接触金属，并进行退火形成欧姆接触；欧姆接触完成后在窗口上做上互联金属。顶部和底部的电极窗口处淀积的欧姆接触金属可以是相同的也可以是不同的，可以一次退火也可以分成两次退火。
其中，步骤2)中台面的深度需要刻蚀掉全部的n-或p-漂移层，过刻蚀进入p+或n+层。步骤2)中所述选择比的改变次数不小于两次。步骤2)中选择比与台面倾角之间的计算公式为：
tan(β)＝k*tan(α)
式中：k为选择比，即刻蚀SiC的速率与SiO2的速率比；α为掩膜的倾角，β即为台面的倾角；所述选择比的值根据工艺条件不同在0.1-6之间。
步骤3)中高温退火的温度在1700℃以上，时间为3min-30min；步骤4)中牺牲氧化的氧化厚度在10-50nm之间，氧化的方式可以为干氧氧化或湿氧氧化。步骤5)中热氧化的氧化温度在1200℃-1500℃之间，采用干氧氧化。
下面结合实施例对本发明的制备SiC雪崩光电二极管的方法作进一步说明：
本实施例中选用n++/n-/p+/buffer/n+sub(衬底)的外延结构，其他的外延结构具有相同的道理。
如图3所示，n++/n-/p+/buffer/n+sub外延结构的浓度与厚度可以是：n+层掺杂浓度为5E19cm-3，厚度为150nm；n-层掺杂浓度为1E16cm-3，厚度为1000nm；p+层掺杂浓度为1E19cm-3，厚度为400nm；buffer层掺杂浓度可为1E18cm-3，厚度为1000nm。
如图4所示，淀积介质掩膜，介质掩膜可以是SiO2，厚度约为1.5μm。对介质掩膜进行光刻、刻蚀，得到带有一定倾角的掩膜层。
如图5所示，采用ICP方法刻蚀SiC，先用选择比比较低(即SiC的刻蚀速率比SiO2的刻蚀速率较小)的条件进行刻蚀，得到比较小的倾角，大概在30°-60°之间，然后再逐渐改变工艺条件，用选择比比较高的条件，得到倾角比较大的台面。中间过程可进行2次及以上的工艺条件改变。台面刻蚀完成后，为改善刻蚀产生的各种缺陷和表面的粗糙，包括改善犹豫改变工艺条件产生的表面的折角，进行高温退火处理，高温退火前用碳膜对材料表面进行保护，高温退火的温度在1700℃以上，时间约10min。
如图6所示，高温退火后，用氧气或氮气等离子体去除碳膜层，然后再进行牺牲氧化。氧化厚度在约20nm，方式为湿氧氧化，氧化后用HF或BOE腐蚀去除。牺牲氧化可以去除表面的损伤层。然后热氧化进行钝化。氧化温度约1350℃，采用干氧氧化，氧化后在NO或N2O气氛中进行退火。热氧化层可以很好的对表面进行钝化保护，特别是对刻蚀形成的台面侧壁。
如图7所示，淀积厚的钝化层进行钝化保护，去除台面顶部电极和入射窗口的介质和台面底部电极窗口处的介质，淀积抗反射层介质。抗反射介质层的厚度跟据光波长的相消干涉计算得到。去除台面顶部和台面底部电极窗口处的介质。
如图8所示，在台面顶部和底部的p+层和n+层电极窗口处分别淀积欧姆接触金属，并进行退火形成欧姆接触。p+层和n+层的欧姆接触金属可以是相同的也可以是不同的，这里选择用Ni/Ti/Al，淀积完后一次退火同时形成欧姆接触。欧姆接触完成后在窗口上做上互联金属。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种SiC雪崩光电二极管，其特征在于，所述SiC雪崩光电二极管的结终端结构为非线性倾斜的台面；所述台面的斜面与衬底平面之间的夹角由台面的底部至顶部逐渐增大；所述斜面与衬底平面之间的夹角在台面的底部为30-60°，在台面的顶部为60-90°。
2.根据权利要求1所述的SiC雪崩光电二极管，其特征在于，所述SiC雪崩光电二极管采用外延结构的pn二极管，所述外延结构为n++/n-/p+/buffer/n+sub或p++/p-/n+/buffer/n+sub；n+sub是指材料最下层的SiC衬底。
3.根据权利要求1所述的SiC雪崩光电二极管，其特征在于，所述台面的深度为刻蚀掉全部的n-或p-漂移层，过刻蚀进入p+或n+层。
4.根据权利要求1所述的SiC雪崩光电二极管，其特征在于，当所述外延结构为n++/n-/p+/buffer/n+sub时，n++层掺杂浓度为1E19cm-3-1E20cm-3，厚度为100-300nm；n-层掺杂浓度为3E15-3E16cm-3，厚度为1000nm；p+层掺杂浓度为5E18-5E19cm-3，厚度为300-500nm；buffer层掺杂浓度可为1E18cm-3，厚度为1000nm。
5.一种制备权利要求1-4任一所述的SiC雪崩光电二极管的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)在SiC雪崩光电二极管的外延结构上淀积介质掩膜；然后对介质掩膜进行光刻、刻蚀，得到带有一定倾角的掩膜层；
2)使用ICP方法进行刻蚀，先使用选择比较低的条件进行刻蚀，得到台面的斜面与衬底平面之间较小的夹角；然后逐渐改变工艺条件，增大选择比，直至完成台面的刻蚀；
3)对步骤2)中完成刻蚀的台面进行高温退火处理，高温退火前用碳膜对材料表面进行保护；
4)用氧气或氮气等离子体去除步骤3)中的碳膜层，然后再进行牺牲氧化，氧化后用HF或BOE腐蚀去除台面表面的损伤层；
5)采用热氧化的方法对台面进行钝化，之后在NO或N2O的气氛中进行退火；
6)淀积厚的钝化层进行钝化保护，去除台面顶部电极窗口、入射窗口和底部电极窗口的介质，然后淀积抗反射层介质；
7)在台面顶部和底部的电极窗口处分别淀积欧姆接触金属，并进行退火形成欧姆接触；欧姆接触完成后在窗口上做上互联金属。
6.根据权利要求5所述的制备SiC雪崩光电二极管的方法，其特征在于，步骤2)中台面的深度需要刻蚀掉全部的n-或p-漂移层，过刻蚀进入p+或n+层。
7.根据权利要求5所述的制备SiC雪崩光电二极管的方法，其特征在于，步骤2)中所述选择比的改变次数不小于两次。
8.根据权利要求5所述的制备SiC雪崩光电二极管的方法，其特征在于，步骤3)中高温退火的温度在1700℃以上，时间为3min-30min；步骤4)中牺牲氧化的氧化厚度在10-50nm之间，氧化的方式可以为干氧氧化或湿氧氧化。
9.根据权利要求5所述的制备SiC雪崩光电二极管的方法，其特征在于，步骤5)中热氧化的氧化温度在1200℃-1500℃之间，采用干氧氧化。
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