一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管制造技术

本发明专利技术公开了一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，为n-i-p结构或p-i-n结构；新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管从顶部至i层上刻蚀有小角度倾斜台面，小角度倾斜台面为上小下大的锥状，小角度倾斜台面的底角小于20°。本发明专利技术新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，克服了现有技术中的偏见，通过降低倾斜台面深度，在不改变倾斜台面倾角的情况下，有效减小了倾斜台面的长度，有效提高了SiC APD器件的填充因子，即在提升SiC APD器件的填充因子的同时，SiC APD台面周围的电场尖峰仍可以得到有效抑制。

【技术实现步骤摘要】
一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管
本专利技术涉及一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，属于半导体光电子器件

技术介绍
以碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体是近年来国内外重点研究和发展的新型第三代半导体材料，具有禁带宽度大、导热性能好、电子饱和漂移速度高以及化学稳定性优等特点，用于耐高温、高效能的高频大功率器件以及工作于紫外波段的光探测器件，具有显著的材料性能优势，其中SiC材料体系中的4H-SiC半导体，其禁带宽度为3.23eV，是制备可见光盲紫外探测器(响应边<400nm)的优选材料。基于宽禁带半导体的光电探测器与传统的硅基紫外探测器和紫外光电倍增管相比具有明显的优势，与硅基紫外探测器相比，宽禁带半导体紫外探测器具有：1.更高的灵敏度；2.可直接实现可见光盲甚至日盲操作、无需加增滤光片；3.可在高温、强辐射等恶劣环境下工作等优势；而紫外光电倍增管由于具有体积大、工作电压高、功耗和成本也非常高等缺点，限制了其在紫外探测和成像系统方面的应用。由于宽禁带半导体紫外探测器具有以上显著的综合优势，这一前沿技术近十年来一直是国际化合物半导体领域竞相研究和开发的热点。在多种被发展的宽禁带半导体紫外探测器中，部分紫外探测器已经趋向成熟，如：光导型、PIN和Schottky型紫外探测器，且市场上已经出现了SiC紫外探测器产品，主要用于工业领域的紫外辐射剂量和日照辐射指数的测量。但是，对于许多核心和新兴应用领域，真正需要实现的是对微弱紫外信号的快速测量，这就意味着所用的半导体紫外探测器必须具有强烈的增益，满足这一要求的理想器件目前唯有基于SiC半导体的紫外雪崩光电探测器(APD)，高性能的APD可具有纳秒量级的响应速度、106以上的增益，甚至可在单光子探测模式下(Geiger模式)工作。可探测微弱紫外信号的SiCAPD具有多方面的潜在核心应用，主要包括：火灾报警、高压电网和高铁供电线路上的电弧检测、水质和大气环境中污染物的类型和浓度的在线监测、化工和生化反应的光谱分析和过程检测、以及天文研究、医学成像、高速流体分析、同步辐射、粒子探测以及闪光照相等。和常规的光电二极管相比，雪崩光电二极管是具有内部光电流增益的半导体光电子器件，它利用光生载流子在二极管耗尽层内的碰撞电离效应而获得光电流的雪崩倍增。雪崩光电二极管一般采用PIN结构，其特征是在P和N半导体材料之间加入一层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层；由于这一低掺杂本征层的存在，二极管在反向偏压时，电压几乎全部降落在深耗尽的I层上。其工作原理是：当二极管被加上足够高的反向偏压时，耗尽层内运动的载流子就可能因碰撞电离效应而获得雪崩倍增；当载流子的雪崩增益非常高时，二极管就进入到雪崩击穿状态，如图1所示。由于碰撞电离效应也可以引起光生载流子的雪崩倍增，因而雪崩光电二极管可具有内部的光电流增益。根据应用需求，雪崩光电二极管既可以工作在略低于雪崩击穿电压的状态(线性模式)，也可以工作在略高于雪崩击穿状态(盖革模式)。由于APD需要工作在电场模式下，因此，可靠的终端结构(termination)的设计与实现是器件能够稳定工作的关键，而这一要求对于基于SiC半导体材料的APD则更为重要，这是因为SiC半导体发生雪崩击穿所需要的临界电场远远高于常规的Si基或GaAs基半导体。但是，由于SiC的器件工艺技术远远落后于Si基器件工艺技术，许多在Si基APD制备过程中较为成熟的终端结构还无法在宽禁带半导体APD结构中实现。例如：常用的保护环和结终端扩展(JTE)结构都依赖于有效的离子注入或扩散技术，而目前扩散掺杂方法还无法在SiC半导体中实现；离子注入掺杂虽然已经在SiC器件工艺中得到应用，但所需的离子注入条件(高温)非常苛刻，且需要极高温度的后退火处理进行杂质的激活。基于以上原因，现有的SiCAPD都是采用一种称为“小角度倾斜台面”(smallanglebeveledmesa)的方法形成终端结构。一个典型的器件结构如图2所示：外延层从上到下分别为p+接触层、p过渡层、i雪崩层和n接触层。由于使用了导电的n型SiC衬底，所以APD器件可以采用n型背电极，即器件为上下电极垂直结构。这一器件结构的突出特点就是需要使用光刻胶回流(reflow)工艺形成倾角很小的台面。制作小倾角台面的目的是抑制台面周围的峰值电场，防止器件在高偏压下发生提前击穿。其大致的作用原理是：随着倾斜台面向边缘延伸，p+接触层和p过渡层的厚度越来越薄，相应的面电阻随之增大；由于串联电阻效应，在台面边缘的pn结两端的实际偏压就要比台面中部区域的pn结两端偏压要低；这样，尽管台面边缘的电场聚集效应仍然存在，但由于台面边缘有效偏压的降低，台面边缘的电场尖峰会被有效削弱。另外，倾斜台面的倾角越小，在台面边缘的p+接触层和p过渡层的厚度变化区域越长，降压越缓慢越不容易出现电场尖峰。小角度倾斜台面虽然可以有效抑制SiCAPD器件台面边缘的峰值电场，但也带来一个严重问题，就是APD器件的有效探测面积浪费严重，填充因子(fillfactor)偏小。如上图所示：具有小角度倾斜台面的APD器件，其倾斜台面上边缘和下边缘之间的大面积倾斜台面区域都是不能发生雪崩离化的区域，即不能有效探测紫外光子的区域；该器件的填充因子约等于图中内圆(倾斜台面上边缘)的面积除以外圆(倾斜台面下边缘)的面积。从简单几何学的角度上看，台面的倾角越小，探测器的填充因子越小。因此，按以上分析，在具有倾斜台面的SiCAPD器件结构设计中，小倾角的实现对台面边缘峰值电场的抑制和对器件填充因子的提升是互相矛盾的。值得指出的是，现有技术中存在一种偏见，认为只有将台面由上至下从p+层跨越i层一直刻蚀到n接触层才能使SiCAPD台面周围的电场尖峰得到有效的抑制，刻蚀深度浅了是达不到抑制效果的，因此，现有的倾斜台面SiCAPD器件都是按传统台面制作方式将台面由上至下从p+层跨越i层一直刻蚀到n接触层，而刻蚀深度越大，小角度倾斜台面所浪费的芯片面积就愈多。
技术实现思路
为了解决现有技术中小角度倾斜台面SiCAPD器件填充因子偏低、芯片面积浪费严重，台面边缘峰值电场的抑制和对器件填充因子的提升互相矛盾的问题，本专利技术提供一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，为n-i-p结构或p-i-n结构；新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管从顶部至i层上刻蚀有小角度倾斜台面，小角度倾斜台面为上小下大的锥状，小角度倾斜台面的底角小于20°。小角度倾斜台面用于器件隔离和消弱台面边缘的电场尖峰，小角度倾斜台面底角定义为小角度倾斜台面的倾斜面与衬底平面之间的夹角，该倾斜角沿台面边缘一周的平均值应小于20°。上述n表示n型碳化硅半导体层，i表示i型碳化硅半导体层，p表示p型碳化硅半导体层。申请人经研究意外发现：从SiCAPD台面边缘的电场分布分析，在倾角固定的情况下，台面无论是延伸到i层还是延伸到下部掺杂层实际对台面边缘场的分布影响区别不大；只要上部掺杂层的边缘具有小倾角，串联电阻效应就可以发生，从而有效削弱台面边缘电场尖峰；申请人分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:为n‑i‑p结构或p‑i‑n结构；新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管从顶部至i层上刻蚀有小角度倾斜台面，小角度倾斜台面为上小下大的锥状，小角度倾斜台面的底角小于20°。

【技术特征摘要】
1.一种新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:为n-i-p结构或p-i-n结构；新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管从顶部至i层上刻蚀有小角度倾斜台面，小角度倾斜台面为上小下大的锥状，小角度倾斜台面的底角小于20°，小角度倾斜台面的深度达到i型SiC雪崩层即可，将刻蚀到i层的台面定义为半台面。2.如权利要求1所述的新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:小角度倾斜台面的底角小于5°。3.如权利要求1或2所述的新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:p-i-n结构为n型导电SiC衬底上依次外延生长n型SiC接触层、i型SiC雪崩层、p型SiC过渡层、和p+型SiC接触层；然后利用光刻胶回流和等离子体干法刻蚀方法由上至下形成小角度倾斜台面；再对器件进行表面钝化，形成钝化层；最后完成器件上、下金属接触电极的制备，其中，上金属接触电极位于p+型SiC接触层的顶部，下金属接触电极位于n型导电SiC衬底的底部；n-i-p结构为：在p型导电SiC衬底上依次外延生长p型SiC接触层、i型SiC雪崩层、n型SiC过渡层、和n+型SiC接触层；然后利用光刻胶回流和等离子体干法刻蚀方法由上至下形成小角度倾斜台面；再对器件进行表面钝化；最后完成器件上、下金属接触电极的制备，其中，上金属接触电极位于n+型SiC接触层的顶部，下金属接触电极位于p型导电SiC衬底的底部。4.如权利要求3所述的新型小倾角半台面结构的碳化硅雪崩光电二极管，其特征在于:p-i-n结构中，n型SiC接触层的平均掺杂浓度介于1×1017-1×1020cm-3之间；i型SiC雪崩层的平均掺杂浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆海，李良辉，杨森，周东，
申请(专利权)人：镇江镓芯光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32