CN216719964U - 紫外单光子探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紫外单光子探测器即雪崩光电二极管，包括SiC衬底及设置在SiC衬底上的外延结构。外延结构自上而下包括接触层、第一过渡层、i雪崩倍增层和第二过渡层，接触层及SiC衬底的表面均设有欧姆接触电极，i雪崩倍增层的厚度范围在1.5‑3μm。根据上述技术方案的紫外单光子探测器，通过增加i雪崩倍增层的厚度到1.5μm以上，增加光生载流子的加速和碰撞离化距离，改善光生载流子的雪崩倍增几率，提高器件的单光子探测性能。

Description

紫外单光子探测器

技术领域

本实用新型属于光电探测半导体器件领域，特别涉及一种紫外单光子探测器即雪崩光电二极管。

背景技术

微弱紫外光探测在电晕检测、导弹尾焰检测、紫外通讯、太空探测和科学研究等领域均具有重要应用前景。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，是用于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。现有的SiCAPD器件，单光子探测效率较低，限制其应用。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的是提出一种紫外单光子探测器，对微弱紫外光具有更佳的检测性能。

技术方案：本实用新型所述的紫外单光子探测器，包括SiC衬底及设置在SiC衬底上的外延结构，所述外延结构自上而下包括接触层、第一过渡层、i雪崩倍增层和第二过渡层，所述接触层及所述SiC衬底的表面均设有欧姆接触电极，所述i雪崩倍增层的厚度范围在1.5-3μm。

进一步的，所述接触层为p+接触层，所述第一过渡层为p型过渡层，所述第二过渡层为n+过渡层。

进一步的，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n+过渡层的厚度为1-5μm。

进一步的，所述接触层为n+接触层，所述第一过渡层为n型过渡层，所述第二过渡层为p+过渡层。

进一步的，所述n+接触层的厚度范围为0.1-0.3μm，所述n型过渡层的厚度范围为0.1-0.3μm，所述p+过渡层的厚度范围为1-5μm。

进一步的，所述欧姆接触电极的厚度范围为100-300nm，所述欧姆接触电极由镍制成。

进一步的，器件蚀刻有倾斜台面。

进一步的，所述倾斜台面的角度小于等于10°。

进一步的，上表面还设有钝化层。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：通过增加i雪崩倍增层的厚度到1.5μm以上，增加光生载流子的加速和碰撞离化距离，改善光生载流子的雪崩倍增几率，提高器件的单光子探测性能。

附图说明

图1为本实用新型实施例的紫外单光子探测器的剖面图；

图2为本实用新型实施例的紫外单光子探测器的电流-电压曲线图；

图3为本实用新型实施例的紫外单光子探测器的光响应度曲线图；

图4为本实用新型实施例的紫外单光子探测器的探测效率-暗计数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。

参照图1，根据本实用新型实施例的紫外单光子探测器即一种雪崩光电二极管，包括SiC衬底106和设置在衬底上的外延结构，外延结构自上而下包括接触层102、第一过渡层103、i雪崩倍增层104和第二过渡层105，其中i雪崩倍增层104的厚度范围为1.5至3μm。

根据上述技术方案的紫外单光子探测器，增大了i雪崩倍增层104的厚度，提高了对入射光的吸收，增加了光生载流子在强电场下的加速和碰撞离化距离，使得雪崩倍增的几率增加，提升了器件的单光子探测能力。

实际中，SiC衬底106为n+衬底，外延结构可以为p+/p/i/n+结构或者n+/n/i/p+结构。当外延结构为p+/p/i/n+结构时，接触层102为p+接触层，第一过渡层103为p型过渡层，第二过渡层105为n+过渡层。其中p+接触层的厚度范围为0.1-0.3μm，掺杂浓度范围介于1×10¹⁸-2×10¹⁹cm^-3之间；p型过渡层的厚度范围为0.1-0.3μm，掺杂浓度范围介于1×10¹⁸-3×10¹⁸cm^-3之间；n+过渡层的厚度为1-5μm，掺杂浓度范围介于1×10¹⁸-2×10¹⁹cm^-3之间。

当外延结构为n+/n/i/p+结构时，接触层102为n+接触层，第一过渡层103为n型过渡层，第二过渡层105为p+过渡层。其中n+接触层的厚度范围为0.1-0.3μm，掺杂浓度范围介于1×10¹⁸-2×10¹⁹cm^-3之间；n型过渡层的厚度范围为0.1-0.3μm，掺杂浓度范围介于1×10¹⁸-3×10¹⁸cm^-3之间；p+过渡层的厚度为1-5μm，掺杂浓度范围介于1×10¹⁸-2×10¹⁹cm^-3之间。

接触层102的正面和SiC衬底106的背面分别设有正面欧姆接触电极101和背面欧姆接触电极108，欧姆接触电极由镍制成，厚度宜在100-300nm之间，其中正面欧姆接触电极101采用环宽为5-10μm的圆环。

参照图1，在本实施例中，为了抑制紫外单光子探测器的边缘击穿，紫外单光子探测器制备有倾斜台面的终端结构，采用光刻胶回流技术和等离子体刻蚀制备倾斜台面，倾斜台面的底部延伸到i雪崩倍增层104以下，延伸至第二过渡层105，倾斜台面的倾角小于等于10°。

参照图1，在本实施例中，为了提高器件的稳定性，紫外单光子探测器的正面表面还生长有钝化层107，钝化层107可以选择SiO_x、Si_xN_y、Al₂O₃、AlN等材料中一种或两种以上任意配比的混合物。

本实用新型实施例的p+/p/i/n+紫外单光子探测器由以下制备流程制备：

步骤1，如图1所示在n+型衬底上从下向上依次外延生长5μm n+过渡层，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3；1.5μm i雪崩倍增层，掺杂浓度为3×10¹⁵cm^-3；0.2μmp型过渡层，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3；0.15μmp+接触层102，掺杂浓度为2×10¹⁹cm-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～10°，台面刻蚀到下层n+过渡层上表面；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 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钝化层的方法形成顶部p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p型和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。

本实用新型实施例的紫外单光子探测器，由图2所示的电流-电压曲线图可知，击穿电压为-367V。由图3所示的光响应度曲线图可知，峰值光响应度位于280nm处，对应最大量子效率为64.7％，高于现有薄雪崩倍增层SiC紫外单光子探测器的量子效率，说明增加雪崩倍增层的厚度有利于提高器件对入射紫外光的吸收。由图4所示的单光子探测效率-暗计数曲线可知，当暗计数为～10Hz/μm²时，单光子探测效率为～11％，优于现有的薄雪崩倍增层SiC紫外单光子探测器。

Claims (9)

1.一种紫外单光子探测器，包括SiC衬底及设置在SiC衬底上的外延结构，所述外延结构自上而下包括接触层、第一过渡层、i雪崩倍增层和第二过渡层，所述接触层及所述SiC衬底的表面均设有欧姆接触电极，其特征在于，所述i雪崩倍增层的厚度范围在1.5-3μm。

2.根据权利要求1所述的紫外单光子探测器，其特征在于，所述接触层为p+接触层，所述第一过渡层为p型过渡层，所述第二过渡层为n+过渡层。

3.根据权利要求2所述的紫外单光子探测器，其特征在于，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n+过渡层的厚度为1-5μm。

4.根据权利要求1所述的紫外单光子探测器，其特征在于，所述接触层为n+接触层，所述第一过渡层为n型过渡层，所述第二过渡层为p+过渡层。

5.根据权利要求4所述的紫外单光子探测器，其特征在于，所述n+接触层的厚度范围为0.1-0.3μm，所述n型过渡层的厚度范围为0.1-0.3μm，所述p+过渡层的厚度范围为1-5μm。

6.根据权利要求1所述的紫外单光子探测器，其特征在于，所述欧姆接触电极的厚度范围为100-300nm，所述欧姆接触电极由镍制成。

7.根据权利要求1所述的紫外单光子探测器，其特征在于，器件蚀刻有倾斜台面。

8.根据权利要求7所述的紫外单光子探测器，其特征在于，所述倾斜台面的角度小于等于10°。

9.根据权利要求1所述的紫外单光子探测器，其特征在于，上表面还设有钝化层。

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