CN114242828A - 雪崩光电二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种雪崩光电二极管及其制备方法，其中雪崩光电二极管包括SiC衬底及设置于SiC衬底上的外延结构，外延结构自上而下依次包括n+接触层、p+接触层、p型过渡层、i倍增层和n+型过渡层。其中n+接触层的正面设有正面欧姆接触电极，SiC衬底的背面设有背面欧姆接触电极。根据上述技术方案的雪崩光电二极管，通过在传统p+接触层的上面再设置一层n+接触层，从而将器件的上电极和下电极均变为n型欧姆接触，在不增加器件制备工艺难度的前提下，改善低导电率引起的耗尽区电场非均匀分布，优化器件的探测性能。
Description
技术领域
本发明属于光电探测半导体器件领域，特别涉及一种雪崩光电二极管及其制备方法。
背景技术
雪崩光电二极管(APD)作为一种常见的微弱光探测器件，具有内部增益大、体重小、功耗低、量子效率高和便于集成等优势，是单光子探测的主要发展方向。SiC作为一种典型的宽禁带半导体材料，禁带宽度为3.26eV，同时具有临界电场强、抗辐射性能好、缺陷密度小和器件制备工艺成熟等特点，是制备紫外APD的优选材料。
SiCAPD采用最多的外延结构为p+/p/i/n+结构，即器件存在一个p型欧姆接触电极和一个n型欧姆接触电极。目前p型SiC欧姆接触的质量相对n型SiC欧姆接触质量较差，低导电率的p型SiC欧姆接触会导致较大的横向电阻，使得电场无法在耗尽区内均匀扩展，非均匀的耗尽区电场分布将导致器件产生非均匀的雪崩倍增过程，严重限制了SiC p+/p/i/n+APD性能的进一步提升。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出一种雪崩光电二极管，上下电极均为n型欧姆接触，改善低导电率引起的耗尽区电场非均匀分布，提升器件的探测性能。
本发明的另一目的是提出一种用于制备上述雪崩光电二极管的制备方法，在不增加工艺难度的前提下，提升器件的探测性能。
技术方案：本发明所述的雪崩光电二极管，包括SiC衬底及设置于所述SiC衬底上的外延结构，所述外延结构自上而下依次包括p+接触层、p型过渡层、i倍增层和n+型过渡层，所述p+接触层上还设有n+接触层，所述n+接触层的正面设有正面欧姆接触电极，所述SiC衬底的背面设有背面欧姆接触电极。
进一步的，器件设有从所述n+接触层延伸至所述n+型过渡层的倾斜台面。
进一步的，所述倾斜台面的倾角小于等于10°。
进一步的，所述n+接触层的厚度范围为0.1-0.3μm，所述p+接触层的厚度范围为0.1-0.3μm，所述p型过渡层的厚度范围为0.1-0.3μm，所述i倍增层的厚度范围为0.5-2μm，所述n+型过渡层的厚度范围为1-5μm。
进一步的，所述n+接触层的掺杂浓度范围为1×1018-2×1019cm-3，所述p+接触层的掺杂浓度范围为1×1018-2×1019cm-3，所述p型过渡层的掺杂浓度范围为1×1018-3×1018cm-3，所述i倍增层的掺杂浓度范围为1×1015-5×1016cm-3，所述n+型过渡层的掺杂浓度范围为1×1018-2×1019cm-3。
进一步的，上表面设有钝化层。
进一步的，所述钝化层由SiOx、SixNy、Al2O3和AlN之中的至少一种制成。
进一步的，所述正面欧姆接触电极为圆环结构，所述圆环结构的环宽范围为5-10μm。
本发明所述的雪崩二极管的制备方法，包括如下步骤：
外延层生长：在SiC衬底自下而上依次生长n+型过渡层、i倍增层、p型过渡层、p+接触层和n+接触层；
倾斜台面制备：采用光刻胶回流技术和等离子体刻蚀技术制备倾斜台面，倾斜台面底部延伸至n+型过渡层的上表面；
欧姆接触电极制备：利用物理气相沉积的方式分别在n+接触层的上面和SiC衬底的底面沉积n型欧姆电极，再进行高温退火，形成欧姆接触电极。
进一步的，所述步骤倾斜台面制备和欧姆接触电极制备之间还包括：
钝化层制备：在器件表面沉积钝化层，并进行高温致密化；
欧姆接触电极窗口制备：在钝化层上旋涂光刻胶，并进行光刻和显影定义光学窗口，利用湿法或干法腐蚀的方法去除光学窗口下的钝化层，定义上表面的欧姆接触窗口。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：通过在传统p+接触层的上面再设置一层n+接触层，从而将器件的上电极和下电极均变为n型欧姆接触，在不增加器件制备工艺难度的前提下，改善低导电率引起的耗尽区电场非均匀分布，优化器件的探测性能。
附图说明
图1为本发明实施例的雪崩光电二极管的剖面示意图；
图2为本发明实施例的雪崩光电二极管在不同尺寸条件下电容的测量值和理论值；
图3为传统雪崩光电二极管的剖面示意图；
图4为传统雪崩光电二极管在不同尺寸条件下的电容的测量值和理论值；
图5为本发明实施例的雪崩光电二极管的电流-电压和增益曲线图；
图6为本发明实施例的雪崩光电二极管的光响应度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参照图1，根据本发明实施例的雪崩光电二极管，在如图3所示的传统p+/p/i/n+结构的SiC雪崩光电二极管基础上，在p+接触层103上添加了一层n+接触层102，即本发明实施例的雪崩光电二极管的外延结构自上而下依次包括n+接触层102、p+接触层103、p型过渡层104、i倍增层105和n+型过渡层106。
根据上述技术方案的雪崩光电二极管，通过在p+接触层103上增加一层n+接触层102，使器件的上电极由p型欧姆接触转化成n型欧姆接触，即器件的上、下电极均变为n型欧姆接触，规避了现阶段SiC p型欧姆接触电阻率高的问题，解决p型欧姆接触的低导电率引起的耗尽区电场非均匀分布的问题，在不改变工艺难度的情况下改善了p+/p/i/n+结构的雪崩光电二极管的探测性能。
参照图1，实际中，为避免雪崩光电二极管的边缘击穿，雪崩光电二极管采用小倾角的倾斜台面，倾斜台面从n+接触层102延伸过n+型过渡层106的上表面，倾斜台面的倾角优选小于等于10°。同时为了提高器件的稳定性，雪崩光电二极管的正面表面还生长有钝化层108，钝化层108可以选择SiOx、SixNy、Al2O3和AlN等材料中的一种或者几种以任意配比混合形成的混合材料。
设置于n+接触层102上的正面欧姆接触电极101宜采用环形结构，环宽优选在5-10μm之间，SiC衬底107的背面设有背面欧姆接触电极109。n+接触层102的优选厚度为0.1-0.3μm，p+接触层103的优选厚度为0.1-0.3μm，p型过渡层104的优选厚度为0.1-0.3μm，i倍增层105的优选厚度为0.5-2μm，n+型过渡层106的优选厚度为1-5μm；n+接触层102的掺杂浓度介于1×1018-2×1019cm-3之间，p+接触层103的掺杂浓度介于1×1018-2×1019cm-3之间，p型过渡层104的掺杂浓度介于1×1018-3×1018cm-3之间，i倍增层105的掺杂浓度介于1×1015-5×1016cm-3之间，n+型过渡层106的掺杂浓度介于1×1018-2×1019cm-3之间。
本发明实施例的雪崩光电二极管可以通过如下方法制成，包括如下步骤：
外延层生长：在SiC衬底107自下而上依次生长n+型过渡层106、i倍增层105、p型过渡层104、p+接触层103和n+接触层102；
倾斜台面制备：采用光刻胶回流技术和等离子体刻蚀技术制备倾斜台面，倾斜台面底部延伸过n+型过渡层106的上表面；
钝化层制备：在器件表面沉积钝化层108，并进行高温致密化；
欧姆接触电极窗口制备：在钝化层108上旋涂光刻胶，并进行光刻和显影定义光学窗口，利用湿法或干法腐蚀的方法去除光学窗口下的钝化层108，定义上表面的欧姆接触窗口；
欧姆接触电极制备：利用物理气相沉积的方式分别在n+接触层102的上面和SiC衬底107的底面沉积n型欧姆电极，再进行高温退火，形成欧姆接触电极。
在本实施例中，具体的制备流程如下：
步骤1，如图1所示在n型衬底上从下向上依次外延生长2μm的n+型过渡层106，掺杂浓度为3×1018cm-3；0.65μm的i倍增层105，掺杂浓度为1×1015cm-3；0.2μm的p型过渡层104，掺杂浓度为2×1018cm-3；0.1μm的p+接触层103，掺杂浓度为2×1019cm-3；0.15μm的n+接触层102，掺杂浓度为1×1019cm-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～6°，台面刻蚀到n+型过渡层106上表面；最后，利用清洗工艺去除材料表面的光刻胶。
步骤3，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的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4，在外延片正面旋涂光刻胶并光刻，获得顶部n型欧姆接触图形；然后，通过氢氟酸溶液湿法腐蚀SiO2钝化层108的方法形成顶部n型电极窗口；利用电子束蒸发系统分别在器件正面和背面蒸镀n型电极。
步骤5，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，形成欧姆接触电极。
如图2和图4所示，本发明实施例的雪崩光电二极管在不同尺寸条件下，电容的测量值和理论值相对于传统的雪崩光电二极管吻合度更高，耗尽区电场不会聚集在电极附近，可以更好地扩展到整个器件，具有更高的电导率。
如图5所示，本实施例的雪崩光电二极管在雪崩前的暗电流位于pA量级，增益能够达到104以上。如图6所示，本实施例的雪崩光电二极管的峰值光响应度位于285nm处，对应最大量子效率为52.6％。
Claims (10)
1.一种雪崩光电二极管，包括SiC衬底及设置于所述SiC衬底上的外延结构，所述外延结构自上而下依次包括p+接触层、p型过渡层、i倍增层和n+型过渡层，其特征在于，所述p+接触层上还设有n+接触层，所述n+接触层的正面设有正面欧姆接触电极，所述SiC衬底的背面设有背面欧姆接触电极。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，器件设有从所述n+接触层延伸至所述n+型过渡层的倾斜台面。
3.根据权利要求2所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述倾斜台面的倾角小于等于10°。
4.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述n+接触层的厚度范围为0.1-0.3μm，所述p+接触层的厚度范围为0.1-0.3μm，所述p型过渡层的厚度范围为0.1-0.3μm，所述i倍增层的厚度范围为0.5-2μm，所述n+型过渡层的厚度范围为1-5μm。
5.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述n+接触层的掺杂浓度范围为1×1018-2×1019cm-3，所述p+接触层的掺杂浓度范围为1×1018-2×1019cm-3，所述p型过渡层的掺杂浓度范围为1×1018-3×1018cm-3，所述i倍增层的掺杂浓度范围为1×1015-5×1016cm-3，所述n+型过渡层的掺杂浓度范围为1×1018-2×1019cm-3。
6.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，上表面设有钝化层。
7.根据权利要求6所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述钝化层由SiOx、SixNy、Al2O3和AlN之中的至少一种制成。
8.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述正面欧姆接触电极为圆环结构，所述圆环结构的环宽范围为5-10μm。
9.一种雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
外延层生长：在SiC衬底自下而上依次生长n+型过渡层、i倍增层、p型过渡层、p+接触层和n+接触层；
倾斜台面制备：采用光刻胶回流技术和等离子体刻蚀技术制备倾斜台面，倾斜台面底部延伸至n+型过渡层的上表面；
欧姆接触电极制备：利用物理气相沉积的方式分别在n+接触层的上面和SiC衬底的底面沉积n型欧姆电极，再进行高温退火，形成欧姆接触电极。
10.根据权利要求9所述的雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤倾斜台面制备和欧姆接触电极制备之间还包括：
钝化层制备：在器件表面沉积钝化层，并进行高温致密化；
欧姆接触电极窗口制备：在钝化层上旋涂光刻胶，并进行光刻和显影定义光学窗口，利用湿法或干法腐蚀的方法去除光学窗口下的钝化层，定义上表面的欧姆接触窗口。
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|---|---|---|---|---|
| CN115117205A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-09-27 | 中国电子科技集团公司第五十八研究所 | 一种硅基雪崩光电二极管的抗辐照加固方法 |
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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