CN113594275A - 一种新型双台面碳化硅sacm单光子探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型双台面碳化硅SACM单光子探测器及其制备方法，该单光子探测器制备于n型SiC衬底上，采用n+/n‑/n/n‑/p结构或p+/p‑/p/p‑/n结构；所述单光子探测器从顶部至雪崩层的上表面刻蚀有小角度倾斜台面，小角度倾斜台面的底角小于10°，且小角度倾斜台面采用半台面结构；所述小角度倾斜台面的下台面至底部接触层刻蚀有垂直台面，形成深槽隔离；所述垂直台面的直径大于小角度倾斜台面下台面的直径。本发明能够提高器件填充因子和芯片利用率，优化SiC SACMAPD的有效光敏区域；通过垂直台面刻蚀实现相邻器件之间的电学隔离和光学隔离。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件光电探测领域，具体涉及一种新型双台面碳化硅SACM单光子探测器及其制备方法。
背景技术
微弱紫外光探测或单光子探测在火灾预警、电晕检测、导弹尾焰检测、科学研究、深空检测和紫外通讯等领域具有广泛的应用前景。紫外探测和可见光、红外光探测相比存在一个“日盲”波段的优势。240nm-280nm波段的太阳光在穿过大气层时几乎完全被大气臭氧层吸收，地球表面不存在该波段的太阳辐射，我们称该波段为“日盲”波段。对于“日盲”波段，地球表面如同一个天然的暗室，不存在太阳辐射的影响，探测到的任何信号都来源于目标，具有独特的信号识别优势，因此，“日盲”波段紫外探测器在应用中优势显著。与常用的硅(Si)材料相比，碳化硅(SiC)作为一种宽禁带半导体材料，光谱响应峰值在～280nm附近，位于“日盲”波段，不受可见光的影响；另外，SiC材料的临界电场强度在3MV/cm以上，可以承受更高的电压，耐高压特性好，更适用于大功率的电子器件；此外，SiC具有材料缺陷密度相对小和制备工艺相对成熟等优势，是制备“日盲”波段微弱紫外光探测器的优选材料。
随着紫外探测技术的快速发展和应用领域的不断扩展，人们对特殊功能或多种功能紫外探测器实际应用的需求也越来越多样化。现代紫外探测器不仅需要具备高稳定性、高灵敏度、高速和高信噪比等优势以用于国防预警、紫外通讯等领域，还需要实现灵活小巧、工作智能等新型要求以适应基础设施、无人值守等监测条件。目前的单光子探测器主要有光电倍增管(PMT)等真空光电探测器件和雪崩光电二极管(APD)。虽然PMT可以实现对微弱光的探测，但其存在很多不足，例如：体积大、易破损、寿命短；器件的工作电压高，一般在1000V以上；量子效率低，一般小于30％。而APD具有体重小、功耗低、量子效率高、增益高以及便于集成等优势，是紫外单光子探测领域的一个主要发展方向。APD是一种具有内部增益的光电二极管，工作在反向偏压下，当耗尽区电场强度足够大时，光生载流子在耗尽区内获得足够的动能，与晶格发生碰撞，产生新的电子空穴对，因此在耗尽区中会发生链式的载流子碰撞离化过程。目前SiCAPD的增益达到105-106以上，峰值量子效率达到50％以上，是用于微弱紫外光探测的首选器件。
常见的SiCAPD为p-n结结构，通常在p-n结中插入一个低掺杂的i层以增加耗尽区的宽度，提高器件的量子效率并抑制暗电流。通常来讲，基于p-n结的SiCAPD可以分两种：一种外延结构从上向下分别为p型接触层、i雪崩层和n型接触层；另一种外延结构从上向下分别为n型接触层、i雪崩层和p型接触层。在这两种结构中为了保证待测紫外光的有效吸收，倍增层的厚度都比较大，器件的工作电压一般高于200V。降低SiCAPD器件的击穿电压有利于降低器件的功耗。减小倍增层的厚度是降低APD器件击穿电压的一个有效方法，然而倍增层厚度的减小会减弱器件对入射紫外光的吸收，降低器件的量子效率。为了解决这个问题，研究人员设计了吸收层-电荷控制层-倍增层分离(SACM)结构SiCAPD，如图1所示。SACM结构从上向下包含n+接触层、n-吸收层、n型电荷控制层和n-雪崩层，以及p型接触层；或者p+接触层、p-吸收层、p型电荷控制层和p-雪崩层，以及n型接触层。SACM结构主要通过增加吸收层的厚度提高入射光吸收，通过控制倍增层的厚度调控击穿电压，通过调节电荷控制层的厚度和掺杂浓度调控电场分布最终实现低暗电流和高量子效率的SiCAPD。为了抑制器件的边缘电场，避免器件在高压下的不可逆击穿，SiCAPD多采用倾斜台面结构，倾斜角度一般控制在10°以内，通过增加台面边缘耗尽区宽度，可以有效减小边缘电场，使APD体内击穿先于边缘击穿。小倾角台面有效抑制了APD器件边缘击穿，但是在SACM结构中，当器件台面刻蚀到底部接触层时，刻蚀深度大，通常大于2μm，台面边缘占据了较大的器件面积，降低了器件的填充因子，严重缩小了器件有效的光敏区域。因此，如何增加SiC SACM APD的填充因子，提高器件的有效面积和芯片利用率，是SiC SACM APD目前面临的关键科学问题之一。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种新型双台面碳化硅SACM单光子探测器及其制备方法，该单光子探测器能够提高器件填充因子和芯片利用率，优化SiC SACM APD的有效光敏区域，通过垂直台面刻蚀实现相邻器件之间的电学隔离和光学隔离。
技术方案：本发明的新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，制备于n型SiC衬底上，采用n+/n-/n/n-/p结构或p+/p-/p/p-/n结构；所述单光子探测器从顶部至雪崩层的上表面刻蚀有小角度倾斜台面，小角度倾斜台面的底角小于10°，且小角度倾斜台面采用半台面结构；所述小角度倾斜台面的下台面至底部接触层刻蚀有垂直台面，形成深槽隔离；所述垂直台面的直径大于小角度倾斜台面下台面的直径。
所述n+/n-/n/n-/p结构的外延结构由上向下包含n+接触层、n-吸收层、n型电荷控制层和n-雪崩层，以及p型接触层；其中，所述n+接触层设有上欧姆接触电极，p型接触层设有下欧姆接触电极。
所述n+接触层的厚度为0.1-0.3μm，n-吸收层的厚度为0.5-2μm，n型电荷控制层的厚度为0.1-0.5μm，n-雪崩层的厚度为0.5-2μm，p型接触层的厚度为1-50μm。
所述n+接触层的掺杂浓度介于1×1018-2×1019cm-3之间，n-吸收层的掺杂浓度介于1×1015-5×1016cm-3之间，n型电荷控制层的掺杂浓度介于2×1017-5×1018cm-3之间，n-雪崩层的掺杂浓度介于1×1015-5×1016cm-3之间，p型接触层的掺杂浓度介于1×1018-2×1019cm-3之间。
所述p+/p-/p/p-/n结构的外延结构由上向下包含p+接触层、p-吸收层、p型电荷控制层和p-雪崩层，以及n型接触层；其中，所述p+接触层设有上欧姆接触电极，n型接触层设有下欧姆接触电极。
所述p+接触层的厚度为0.1-0.3μm，p-吸收层的厚度为0.5-2μm，p型电荷控制层的厚度为0.1-0.5μm，p-雪崩层的厚度为0.5-2μm，n型接触层的厚度为1-50μm。
所述p+接触层的掺杂浓度介于1×1018-2×1019cm-3之间，n-吸收层的掺杂浓度介于1×1015-5×1016cm-3之间，p型电荷控制层的掺杂浓度介于2×1017-5×1018cm-3之间，p-雪崩层的掺杂浓度介于1×1015-5×1016cm-3之间，n型接触层的掺杂浓度介于1×1018-2×1019cm-3之间。
本发明还包括一种新型双台面碳化硅SACM单光子探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)外延层生长；
(2)制备小倾角半台面结构：采用光刻胶回流技术和等离子体刻蚀制备小倾角台面，台面刻蚀到雪崩层上表面；
(3)制备垂直台面：利用金属掩膜和等离子体刻蚀技术制备垂直台面，垂直台面刻蚀到底部接触层形成深槽隔离，垂直台面的直径大于倾斜台面下台面的直径；
(4)钝化层制备：在器件表面沉积钝化层，随后进行高温致密化；
(5)欧姆接触电极窗口：在钝化层上旋涂光刻胶，然后进行光刻、显影定义光学窗口，利用湿法或干法腐蚀的方法去除光学窗口下的钝化层，由此定于n型和p型欧姆接触窗口；
(6)欧姆接触电极制备：利用物理气相沉积的方式沉积n型和p型欧姆电极，然后进行高温退火，形成欧姆接触。
步骤(2)中，所述利用光刻胶回流技术和等离子体刻蚀制备小倾角台面具体为：旋涂光刻胶并光刻；对光刻胶进行高温烘烤形成台面的刻蚀掩膜；利用感应耦合等离子体刻蚀系统，在CF4/O2的氛围下对外延片进行刻蚀，获得倾斜台面，倾斜台面的底角小于10°，刻蚀深度为倍增层上表面。
步骤(3)中，所述利用金属掩膜和等离子体刻蚀技术制备垂直台面具体为：利用电子束蒸发系统蒸镀Ni金属作为垂直台面刻蚀掩膜，经过剥离后获得垂直台面掩膜区域；利用感应耦合等离子体刻蚀系统，在CF4/O2的氛围下对外延片进行刻蚀，获得垂直台面。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)克服了现有SiC SACMAPD填充因子低的问题，通过双台面结构，提高了SiC SACM APD的填充因子和光敏感区域，提高了芯片利用率；(2)双台面结构在降低相邻器件光学串扰和电学串扰方面同样具有明显优势，垂直台面在相邻APD像素间形成深槽隔离，这不仅可以有效阻断载流子扩散，还能有效抑制光子在SiC/钝化层界面的反射，从而减小相邻像素对器件发射光子的吸收，降低串扰可能性；(3)可以用于紫外成像焦平面探测阵列制备，当利用SiC SACM APD线性阵列进行微弱紫外光成像时，由于高填充因子，新型双台面SiC SACM APD能够呈现更完整的图像信息；(4)模拟仿真结果证明新型双台面SiC SACM APD的边缘电场抑制效果与传统SiCSACM APD效果相同，能够有效避免边缘击穿。
附图说明
图1为本发明背景技术所述常规SiC SACM APD的剖面结构示意图；
图2为本发明所述新型双台面SiC SACM APD的剖面结构示意图；
图3为本发明所述新型双台面SiC SACM APD在雪崩状态下的电场分布图；
图4为图3中黑线处的二维电场分布图；
图5为本发明所述新型双台面SiC SACM APD的电流-电压和增益曲线图；
图6为本发明所述新型双台面SiC SACM APD的量子效率曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细介绍。
如图2所示，本发明的新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，制备于n型SiC衬底107上，具有n+/n-/n/n-/p结构或者p+/p-/p/p-/n结构。双台面结构包含一个小倾角半台面和一个垂直台面。为了抑制器件边缘尖峰电场，采用小角度倾斜台面结构，倾斜角度控制在10°以内，传统倾斜台面SiC SACM APD倾斜台面刻蚀到底部接触层；不同于传统倾斜台面SiC SACM APD，新型双台面SiC SACM APD倾斜台面采用半台面结构，即刻蚀到雪崩层的上表面，以此有效提高器件的填充因子。为了实现相邻器件之间的电学隔离和光学隔离，从倾斜台面的下台面继续将器件垂直刻蚀到底部接触层进行深槽隔离，由此形成新型双台面SiC SACM APD中的垂直台面，垂直台面的直径大于倾斜台面下台面的直径。
n+/n-/n/n-/p结构：器件制备于n型SiC衬底107上，外延结构由上向下包含n+接触层102、n-吸收层103、n型电荷控制层104、n-雪崩层105和p型接触层106，108为钝化层，101为n型欧姆接触，109为p型欧姆接触；利用光刻胶回流技术和等离子体刻蚀形成小角度倾斜台面，倾斜台面刻蚀到n-雪崩层105的上表面；然后利用金属掩膜和等离子体刻蚀形成垂直台面，实现相邻器件之间的电学隔离和光学隔离，垂直台面的上表面为半台面的下台面，垂直台面刻蚀到底部p型接触层106。上欧姆接触电极位于n+接触层102，下欧姆接触电极位于p型接触层106，电极采用环宽为5-10μm的圆环。n+接触层102的优选厚度为0.1-0.3μm，n-吸收层103的优选厚度为0.5-2μm，n型电荷控制层104的优选厚度为0.1-0.5μm，n-雪崩层105的优选厚度为0.5-2μm，p型接触层106的优选厚度为1-50μm。n+接触层102的优选掺杂浓度为1×1018-2×1019cm-3，n-吸收层103的优选掺杂浓度为1×1015-5×1016cm-3，n型电荷控制层104的优选掺杂浓度为2×1017-5×1018cm-3，n-雪崩层105的优选掺杂浓度为1×1015-5×1016cm-3，p型接触层106的优选掺杂浓度为1×1018-2×1019cm-3。
p+/p-/p/p-/n结构：外延结构由上向下包含p+接触层、p-吸收层、p型电荷控制层和p-雪崩层，以及n型接触层；利用光刻胶回流技术和等离子体刻蚀形成小角度倾斜台面，倾斜台面刻蚀到p-雪崩层的上表面；然后利用金属掩膜和等离子体刻蚀形成垂直台面，实现相邻器件之间的电学隔离和光学隔离，垂直台面的上表面为半台面的下台面，垂直台面刻蚀到底部n型接触层。上欧姆接触电极位于p+接触层，下欧姆接触电极位于n型接触层，电极优选采用环宽为5-10μm的圆环。p+接触层的优选厚度为0.1-0.3μm，p-吸收层的优选厚度为0.5-2μm，p型电荷控制层的优选厚度为0.1-0.5μm，p-雪崩层的优选厚度为0.5-2μm，n型接触层的优选厚度为1-50μm。p+接触层的优选掺杂浓度为1×1018-2×1019cm-3，n-吸收层的优选掺杂浓度为1×1015-5×1016cm-3，p型电荷控制层的优选掺杂浓度为2×1017-5×1018cm-3，p-雪崩层的优选掺杂浓度为1×1015-5×1016cm-3，n型接触层的优选掺杂浓度为1×1018-2×1019cm-3。n型和p型欧姆接触电极可采用相同金属或不同金属，电极可采用单一金属或多层复合金属。
为了提高器件的稳定性，器件表面需要生长一层钝化层，钝化层材料可以选择SiOx、SixNy、Al2O3、AlN等材料中一种或两种以上任意配比的混合物。
本发明还公开了一种新型双台面碳化硅SACM单光子探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)外延层生长；
(2)制备小倾角半台面结构：采用光刻胶回流技术和等离子体刻蚀制备小倾角台面，台面刻蚀到雪崩层上表面；
(3)制备垂直台面：利用金属掩膜和等离子体刻蚀技术制备垂直台面，垂直台面刻蚀到底部接触层形成深槽隔离，垂直台面的直径大于倾斜台面下台面的直径；
(4)钝化层制备：在器件表面沉积钝化层，随后进行高温致密化；
(5)欧姆接触电极窗口：在钝化层上旋涂光刻胶，然后进行光刻、显影定义光学窗口，利用湿法或干法腐蚀的方法去除光学窗口下的钝化层，由此定于n型和p型欧姆接触窗口；
(6)欧姆接触电极制备：利用物理气相沉积的方式沉积n型和p型欧姆电极，然后进行高温退火，形成欧姆接触。
实施例1
本发明的新型双台面SiC SACM APD的制备流程如下：
步骤1，在n型SiC衬底上依次外延生长10μm p型接触层，掺杂浓度为3×1018cm-3；0.9μm n-雪崩层，掺杂浓度为1.5×1016cm-3；0.15μm n型电荷控制层，掺杂浓度为7×1017cm-3；0.6μm n-吸收层，掺杂浓度为2×1016cm-3和0.2μm n+接触层，掺杂浓度为2×1018cm-3。
步骤2，在外延片上旋涂AZ4620光刻胶并光刻，通过曝光、显影定义倾斜台面的图形区域；对图形光刻胶进行高温烘烤，利用光刻胶回流形成台面的刻蚀掩膜；利用感应耦合等离子体刻蚀系统，在CF4/O2的氛围下对外延片进行刻蚀，实现倾斜角度的转移，最终获得正倾角器件台面，台面倾斜角度为～5°，台面刻蚀到雪崩层的上表面；最后，利用清洗工艺去除材料表面的光刻胶。
步骤3，在外延片上旋涂光刻胶并光刻，通过曝光、显影定义垂直台面的图形区域；利用电子束蒸发系统蒸镀Ni金属作为垂直台面刻蚀掩膜，经过剥离后获得垂直台面掩膜区域；利用感应耦合等离子体刻蚀系统，在CF4/O2的氛围下对外延片进行刻蚀，获得垂直台面，台面刻蚀到底部接触层；最后，利用清洗工艺去除材料表面的金属。
步骤4，将外延片在高温管式炉中氧化1h，然后利用氢氟酸溶液腐蚀掉氧化层，即进行牺牲氧化层处理；随后，将外延片放置于高温管式炉中氧化3h；然后，利用PECVD在350℃温度条件下生长1μm SiO2；最后，利用高温管式炉在氮气氛围、900℃温度条件下高温致密化1h。
步骤5，在外延片正面旋涂光刻胶并光刻，获得n型和p型欧姆接触图形；然后，通过氢氟酸溶液湿法腐蚀SiO2钝化层的方法形成n型和p型电极窗口；利用电子束蒸发系统蒸镀n型和p型电极，电极金属层依次为35/50/100/100nm的Ni/Ti/Al/Au。
步骤6，利用快速热退火系统，将外延片在850℃氮气氛围下退火三分钟，形成欧姆接触。
上述实施例提供的新型双台面SiC SACM APD的填充因子为～68％，而相同外延结构的传统SiC SACM APD填充因子仅为～48％。新型双台面SiC SACM APD结构显著提高了器件的填充因子和光敏区域，同时可以有效规避相邻器件间的光学串扰和电学串扰；有利于提高芯片利用率，可以用于紫外成像焦平面探测器阵列制备。
图3和图4所示，新型双台面SiC SACM APD在雪崩状态下的电场分布，可见器件体内电场大于边缘电场，说明该结构可以有效抑制器件边缘尖峰电场，可以保证在强电场条件下的稳定工作。
如图5所示，为新型双台面SiC SACM APD的电流-电压和增益曲线，器件在雪崩前的暗电流保持在0.1pA量级，增益能够达到105以上。
如图6所示，为新型双台面SiC SACM APD的量子效率曲线，器件峰值量子效率位于285nm处，对应最大量子效率为56.4％。
Claims (10)
1.一种新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，其特征在于：制备于n型SiC衬底上，采用n+/n-/n/n-/p结构或p+/p-/p/p-/n结构；所述单光子探测器从顶部至雪崩层的上表面刻蚀有小角度倾斜台面，小角度倾斜台面的底角小于10°，且小角度倾斜台面采用半台面结构；所述小角度倾斜台面的下台面至底部接触层刻蚀有垂直台面，形成深槽隔离；所述垂直台面的直径大于小角度倾斜台面下台面的直径。
2.根据权利要求1所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，其特征在于：所述n+/n-/n/n-/p结构的外延结构由上向下包含n+接触层、n-吸收层、n型电荷控制层和n-雪崩层，以及p型接触层；其中，所述n+接触层设有上欧姆接触电极，p型接触层设有下欧姆接触电极。
3.根据权利要求2所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，其特征在于：所述n+接触层的厚度为0.1-0.3μm，n-吸收层的厚度为0.5-2μm，n型电荷控制层的厚度为0.1-0.5μm，n-雪崩层的厚度为0.5-2μm，p型接触层的厚度为1-50μm。
4.根据权利要求2所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，其特征在于：所述n+接触层的掺杂浓度介于1×1018-2×1019cm-3之间，n-吸收层的掺杂浓度介于1×1015-5×1016cm-3之间，n型电荷控制层的掺杂浓度介于2×1017-5×1018cm-3之间，n-雪崩层的掺杂浓度介于1×1015-5×1016cm-3之间，p型接触层的掺杂浓度介于1×1018-2×1019cm-3之间。
5.根据权利要求1所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，其特征在于：所述p+/p-/p/p-/n结构的外延结构由上向下包含p+接触层、p-吸收层、p型电荷控制层和p-雪崩层，以及n型接触层；其中，所述p+接触层设有上欧姆接触电极，n型接触层设有下欧姆接触电极。
6.根据权利要求5所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，其特征在于：所述p+接触层的厚度为0.1-0.3μm，p-吸收层的厚度为0.5-2μm，p型电荷控制层的厚度为0.1-0.5μm，p-雪崩层的厚度为0.5-2μm，n型接触层的厚度为1-50μm。
7.根据权利要求5所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，其特征在于：所述p+接触层的掺杂浓度介于1×1018-2×1019cm-3之间，n-吸收层的掺杂浓度介于1×1015-5×1016cm-3之间，p型电荷控制层的掺杂浓度介于2×1017-5×1018cm-3之间，p-雪崩层的掺杂浓度介于1×1015-5×1016cm-3之间，n型接触层的掺杂浓度介于1×1018-2×1019cm-3之间。
8.一种关于权利要求1所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)外延层生长；
(2)制备小倾角半台面结构：采用光刻胶回流技术和等离子体刻蚀制备小倾角台面，台面刻蚀到雪崩层上表面；
(3)制备垂直台面：利用金属掩膜和等离子体刻蚀技术制备垂直台面，垂直台面刻蚀到底部接触层形成深槽隔离，垂直台面的直径大于倾斜台面下台面的直径；
(4)钝化层制备：在器件表面沉积钝化层，随后进行高温致密化；
(5)欧姆接触电极窗口：在钝化层上旋涂光刻胶，然后进行光刻、显影定义光学窗口，利用湿法或干法腐蚀的方法去除光学窗口下的钝化层，由此定于n型和p型欧姆接触窗口；
(6)欧姆接触电极制备：利用物理气相沉积的方式沉积n型和p型欧姆电极，然后进行高温退火，形成欧姆接触。
9.根据权利要求8所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述利用光刻胶回流技术和等离子体刻蚀制备小倾角台面具体为：旋涂光刻胶并光刻；对光刻胶进行高温烘烤形成台面的刻蚀掩膜；利用感应耦合等离子体刻蚀系统，在CF4/O2的氛围下对外延片进行刻蚀，获得倾斜台面，倾斜台面的底角小于10°，刻蚀深度为倍增层上表面。
10.根据权利要求8所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述利用金属掩膜和等离子体刻蚀技术制备垂直台面具体为：利用电子束蒸发系统蒸镀Ni金属作为垂直台面刻蚀掩膜，经过剥离后获得垂直台面掩膜区域；利用感应耦合等离子体刻蚀系统，在CF4/O2的氛围下对外延片进行刻蚀，获得垂直台面。
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