CN107104172A - 一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法，其包括以下步骤：S001：将SiC单晶衬底放在反应腔内，将反应腔加热1550℃‑1700℃，同时通入氢气以清洁SiC单晶衬底表面，且同时蚀刻过SiC单晶衬底表面，释放SiC单晶衬底表面的应力；S002：在SiC单晶衬底上生长调制形成具有多层渐变厚度和浓度的缓冲层；S003：在缓冲层上生长具有附带厚度等于或小于100nm的本征层的漂移层；S004：在漂移层上生长P+帽层；S005：退火，降温，取片。本发明采用多层渐变厚度和浓度的缓冲层有利于优化N型SiC单晶衬底与缓冲层之间、缓冲层之间、缓冲层与漂移层之间的电流电压特性，并减少各层表面的应力损伤，从而取得更理想的表面性能和电学性能。具有100nm本征层的漂移层有助于其浓度的精准控制。
Description
技术领域：
本发明涉及半导体材料技术领域，特指一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法。
背景技术：
碳化硅(SiC)是一种优异的宽禁带半导体材料，它具有高的载流子迁移率和击穿电场，化学惰性好，耐高温，抗辐射，在大功率电力电子领域具有巨大的应用潜力。
半导体紫外光电二极管是将紫外光信号转换为电信号的半导体器件。在光电检测系统中，高灵敏度、低噪声的光电二极管可以准确地恢复并再现光源发出的信息。与红外、可见光波段探测相比，半导体紫外光电探测器具有三个主要优点，具体如下：
1)、对可见及红外波段是“可见盲”或“日盲”，这样可以防止太阳光及其它可见光、红外光等自然光源的干扰；
2)、可在室温下工作，无需制冷，不必如红外光电探测器那样必须在液氮(77K)甚至在液氦环境(4.2K)下工作；
3)、结构简单、响应速度快、可靠性高、体积小等。
对于雪崩型光电二极管，其工作原理是利用光生载流子在结区高电场作用下产生雪崩效应，具有较高的内部增益和响应速度。
除了高灵敏度的雪崩管，工作在偏低压下，非雪崩区的普通SiC光电管可以用在一些诸如紫外杀菌强度检测之类的民用工业领域。虽然其它的一些仪器也可以胜任这些普通的应用领域，但是SiC雪崩光电二极管结构简单，不需要滤光系统，可靠性高，体积小，有其成本优势。另外SiC雪崩光电二极管也可以用在更短波长(120-200nm)左右的指控紫外波段，更短的X射线和伽马射线(尤其是极端环境下)的探测。在空间科学，材料，生物物理和等离子物理以及极端环境下的光电探测领域显示广泛的应用前景。
有鉴于此，本发明人提出以下技术方案。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：该SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法包括以下步骤：S001：将SiC单晶衬底放在反应腔内，将反应腔加热1550℃-1700℃，同时通入氢气以清洁SiC单晶衬底表面，且同时蚀刻过SiC单晶衬底表面，释放SiC单晶衬底表面的应力；S002：在SiC单晶衬底之上生长调制形成具有多层渐变厚度和浓度的缓冲层；S003：在缓冲层之上生长具有附带厚度等于或小于100nm的本征层的低掺杂漂移层；S004：在漂移层之上生长P+帽层；S005：退火，降温，取片。
进一步而言，上述技术方案中，于S001中，所述SiC单晶衬底为N型六方相、棱方相或立方相碳化硅单晶体材料，载流子浓度大于或等于2E18cm-3。
进一步而言，上述技术方案中，于S002中，导入氢气作为载气状态下，进一步向反应腔内同时导入作为反应前驱气体的含硅的气体及含碳的气体和作为掺杂气体的氮气或三甲基铝，其中，含硅的气体包括硅烷或者三氯氢硅，含碳的气体包括丙烷或者乙烷，再通过卤化物CVD法，在SiC单晶衬底的表面上生长调制具有多层渐变厚度和浓度的所述的缓冲层，且在每层缓冲层生长之前均会排空反应腔中的生长气体，关闭前驱气体，采用氢气或烷烃气体蚀刻SiC单晶衬底表面，进一步释放SiC单晶衬底表面应力。
进一步而言，上述技术方案中，所述缓冲层总厚度TB介于1-8微米，且满足递增条件：第一层缓冲层厚度TB1<第二层缓冲层厚度TB2<…<第n层缓冲层厚度TBn；；所述缓冲层的掺杂浓度介于1-8E18cm-3，且满足递减条件：第一层缓冲层掺杂浓度DB1>第二层缓冲层掺杂浓度DB2>…>第n层缓冲层掺杂浓度DBn；每层缓冲层的生长速率满足递增条件：GRB1<GRB2<…<GRBn；每层缓冲层的碳硅比满足递增条件：CSRB1<CSRB2<…<CSRBn。
进一步而言，上述技术方案中，于S003中，在生长漂移层之前，排空反应腔中所有的掺杂气体，然后在缓冲层之上制造一层厚度小于100nm的所述的本征层，该本征层的掺杂浓度介于1-2E14cm-3，其中，掺杂气体为氮气或三甲基铝。
进一步而言，上述技术方案中，于S003中，在生长漂移层之前，排空反应腔中所有的掺杂气体，再在本征层之上制造一层厚度为0.5-2微米的所述的漂移层，该漂移层的掺杂浓度介于1-2E14cm-3。
进一步而言，上述技术方案中，于S004中，在生长所述P+帽层之前会排空反应腔中的生长气体，关闭前驱气体，采用氢气或烷烃气体蚀刻晶片表面，进一步释放晶片表面应力。
进一步而言，上述技术方案中，所述P+帽层的厚度小于或等于2微米，其P型载流子浓度大于或等于1E19cm-3数量级。
进一步而言，上述技术方案中，于S005中，退火降温至900摄氏度，排空反应腔中的生长气体，通入纯化过的氩气，将反应腔恢复至1个大气压，再取出晶片。
进一步而言，上述技术方案中，于S001中，将SiC单晶衬底放在反应腔内，在将反应腔加热1550℃-1700℃之前，反应腔内为真空环境，并通过化学气相沉积法在SiC单晶衬底上生成SiC外延层，然后进行真空排气直到反应腔内的真空度为1×10-3Pa或以下。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：本发明SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法采用调制的多层渐变厚度和浓度的缓冲层和漂移层，其中，渐变厚度和浓度的缓冲层有利于优化N型SiC单晶衬底与缓冲层之间、缓冲层之间、缓冲层与漂移层之间的电流电压特性，同时尽量减少各层表面的应力损伤，从而取得更理想的表面性能和电学性能，另外，等于或小于100nm的本征层的漂移层有助于其浓度的精准控制，且制成的SiC雪崩光电二极管器件外延材料具有极低的缺陷密度和层错密度。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明进一步说明。
本发明为一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S001：将SiC单晶衬底放在反应腔内，将反应腔加热1550℃-1700℃，同时通入氢气以清洁SiC单晶衬底表面，且同时蚀刻过SiC单晶衬底表面，释放SiC单晶衬底表面的应力；
S002：在SiC单晶衬底之上生长调制形成具有多层渐变厚度和浓度的缓冲层；
S003：在缓冲层之上生长具有附带厚度等于或小于100nm的本征层的低掺杂漂移层；
S004：在漂移层之上生长P+帽层；
S005：退火，降温，取片。
本发明SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法采用调制的多层渐变厚度和浓度的缓冲层和漂移层，其中，渐变厚度和浓度的缓冲层有利于优化N型SiC单晶衬底与缓冲层之间、缓冲层之间、缓冲层与漂移层之间的电流电压特性，同时尽量减少各层表面的应力损伤，从而取得更理想的表面性能和电学性能，另外，等于或小于100nm的本征层的漂移层有助于其浓度的精准控制，且制成的SiC雪崩光电二极管器件外延材料具有极低的缺陷密度和层错密度。
具体而言，于S001中，所述SiC单晶衬底为N型六方相、棱方相或立方相碳化硅单晶体材料，载流子浓度大于或等于2E18cm-3。另外，于S001中，将SiC单晶衬底放在反应腔内，在将反应腔加热1550℃-1700℃之前，反应腔内为真空环境，并通过化学气相沉积法在SiC单晶衬底上生成SiC外延层，然后进行真空排气直到反应腔内的真空度为1×10-3Pa或以下，再通过氢气纯化器向反应腔内导入纯化的高纯的氢气，将反应腔内的真空环境置换为氢气环境，再对反应腔进行加热至1550℃-1700℃，以清洁衬底表面，同时蚀刻衬底表面，从而清洁SiC单晶衬底的表面并释放衬底表面的部分应力。
所述缓冲层、漂移层、P+帽层均于SiC外延层上生长形成。
于S002中，导入氢气作为载气状态下，进一步向反应腔内同时导入作为反应前驱气体的含硅的气体及含碳的气体和作为掺杂气体的氮气或三甲基铝，其中，含硅的气体包括硅烷或者三氯氢硅，含碳的气体包括丙烷或者乙烷，再通过卤化物CVD法，在SiC单晶衬底的表面上生长调制具有多层渐变厚度和浓度的所述的缓冲层，且在每层缓冲层生长之前均会排空反应腔中的生长气体，关闭前驱气体，采用氢气或烷烃气体蚀刻SiC单晶衬底表面，进一步释放SiC单晶衬底表面应力。所述生长气体包括载气、前驱气体、掺杂气体。其中，所述缓冲层总厚度TB介于1-8微米，且满足递增条件：第一层缓冲层厚度TB1<第二层缓冲层厚度TB2<…<第n层缓冲层厚度TBn；所述缓冲层的掺杂浓度介于1-8E18cm-3，且满足递减条件：第一层缓冲层掺杂浓度DB1>第二层缓冲层掺杂浓度DB2>…>第n层缓冲层掺杂浓度DBn；每层缓冲层的生长速率满足递增条件：GRB1<GRB2<…<GRBn；每层缓冲层的碳硅比满足递增条件：CSRB1<CSRB2<…<CSRBn。上述B1、B2、…Bn表示为第一层缓冲层、第二层缓冲层、…第n层缓冲层。
于S002中，可以按照SiC单晶衬底类型和表面情况依据器件参数要求依此规律类推，多次递进的缓冲层叠置直至预定的缓冲层总厚度。
于S003中，在生长漂移层之前，排空反应腔中所有的掺杂气体，然后在缓冲层之上制造一层厚度小于100nm的所述的本征层，该本征层的掺杂浓度介于1-2E14cm-3，其中，掺杂气体为氮气或三甲基铝。另外，于S003中，在生长漂移层之前，排空反应腔中所有的掺杂气体，再在本征层之上制造一层厚度为0.5-2微米的所述的漂移层，该漂移层的掺杂浓度介于1-2E14cm-3。
于S004中，在生长所述P+帽层之前会排空反应腔中的生长气体，关闭前驱气体，采用氢气或烷烃气体蚀刻晶片表面，进一步释放晶片表面应力。所述P+帽层的厚度小于或等于2微米，其P型载流子浓度大于或等于1E19cm-3数量级。
于S005中，退火降温至900摄氏度，排空反应腔中的生长气体，通入纯化过的氩气，将反应腔恢复至1个大气压，再取出晶片。
综上所述，本发明SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法采用调制的多层渐变厚度和浓度的缓冲层和漂移层，其中，渐变厚度和浓度的缓冲层有利于优化N型SiC单晶衬底与缓冲层之间、缓冲层之间、缓冲层与漂移层之间的电流电压特性，同时尽量减少各层表面的应力损伤，从而取得更理想的表面性能和电学性能，另外，等于或小于100nm的本征层的漂移层有助于其浓度的精准控制，且制成的SiC雪崩光电二极管器件外延材料具有极低的缺陷密度和层错密度。
当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (10)
1.一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
S001：将SiC单晶衬底放在反应腔内，将反应腔加热1550℃-1700℃，同时通入氢气以清洁SiC单晶衬底表面，且同时蚀刻过SiC单晶衬底表面，释放SiC单晶衬底表面的应力；
S002：在SiC单晶衬底之上生长调制形成具有多层渐变厚度和浓度的缓冲层；
S003：在缓冲层之上生长具有附带厚度等于或小于100nm的本征层的低掺杂漂移层；
S004：在漂移层之上生长P+帽层；
S005：退火，降温，取片。
2.根据权利要求1所述的一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法，其特征在于：于S001中，所述SiC单晶衬底为N型六方相、棱方相或立方相碳化硅单晶体材料，载流子浓度大于或等于2E18cm-3。
3.根据权利要求1所述的一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法，其特征在于：于S002中，导入氢气作为载气状态下，进一步向反应腔内同时导入作为反应前驱气体的含硅的气体及含碳的气体和作为掺杂气体的氮气或三甲基铝，其中，含硅的气体包括硅烷或者三氯氢硅，含碳的气体包括丙烷或者乙烷，再通过卤化物CVD法，在SiC单晶衬底的表面上生长调制具有多层渐变厚度和浓度的所述的缓冲层，且在每层缓冲层生长之前均会排空反应腔中的生长气体，关闭前驱气体，采用氢气或烷烃气体蚀刻SiC单晶衬底表面，进一步释放SiC单晶衬底表面应力。
4.根据权利要求3所述的一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法，其特征在于：所述缓冲层总厚度TB介于1-8微米，且满足递增条件：第一层缓冲层厚度TB1<第二层缓冲层厚度TB2<…<第n层缓冲层厚度TBn；；所述缓冲层的掺杂浓度介于1-8E18cm-3，且满足递减条件：第一层缓冲层掺杂浓度DB1>第二层缓冲层掺杂浓度DB2>…>第n层缓冲层掺杂浓度DBn；每层缓冲层的生长速率满足递增条件：GRB1<GRB2<…<GRBn；每层缓冲层的碳硅比满足递增条件：CSRB1<CSRB2<…<CSRBn。
5.根据权利要求1所述的一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法，其特征在于：于S003中，在生长漂移层之前，排空反应腔中所有的掺杂气体，然后在缓冲层之上制造一层厚度小于100nm的所述的本征层，该本征层的掺杂浓度介于1-2E14cm-3，其中，掺杂气体为氮气或三甲基铝。
6.根据权利要求5所述的一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法，其特征在于：于S003中，在生长漂移层之前，排空反应腔中所有的掺杂气体，再在本征层之上制造一层厚度为0.5-2微米的所述的漂移层，该漂移层的掺杂浓度介于1-2E14cm-3。
7.根据权利要求1所述的一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法，其特征在于：于S004中，在生长所述P+帽层之前会排空反应腔中的生长气体，关闭前驱气体，采用氢气或烷烃气体蚀刻晶片表面，进一步释放晶片表面应力。
8.根据权利要求1所述的一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法，其特征在于：所述P+帽层的厚度小于或等于2微米，其P型载流子浓度大于或等于1E19cm-3数量级。
9.根据权利要求1所述的一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法，其特征在于：于S005中，退火降温至900摄氏度，排空反应腔中的生长气体，通入纯化过的氩气，将反应腔恢复至1个大气压，再取出晶片。
10.根据权利要求1所述的一种SiC雪崩光电二极管器件外延材料的制备方法，其特征在于：于S001中，将SiC单晶衬底放在反应腔内，在将反应腔加热1550℃-1700℃之前，反应腔内为真空环境，并通过化学气相沉积法在SiC单晶衬底上生成SiC外延层，然后进行真空排气直到反应腔内的真空度为1×10-3Pa或以下。
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Denomination of invention: A Preparation Method for Epitaxial Materials of SiC Avalanche Photodiode Devices Effective date of registration: 20230512 Granted publication date: 20190920 Pledgee: China Co. truction Bank Corp Dongguan branch Pledgor: Guangdong Tianyu Semiconductor Co.,Ltd. Registration number: Y2023980040499 |
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