一种新型离子注入弧形钝化介质终端的4H-SiC雪崩光电探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种新型离子注入弧形钝化介质终端的4H

【技术实现步骤摘要】
一种新型离子注入弧形钝化介质终端的4H
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SiC雪崩光电探测器


[0001]本专利技术涉及一种新型离子注入弧形钝化介质终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，属于半导体光电子器件


技术介绍

[0002]紫外探测在国防、工业、通讯、科学研究、民用等领域具有重要应用，目前市面上常见的光子紫外探测器可分为两类：以PMT为代表的真空光电器件和以Si、GaN、SiC为代表的固态紫外探测器。其中，真空光电器件具有灵敏度高、技术成熟度高的优势，但其尺寸大、工作电压高、易碎等缺点制约了该类型器件的进一步应用，而固态紫外探测器具有体积小、量子效率高、可靠性高、易于集成等优点，在环境监控、紫外消毒、紫外固化等诸多应用领取取得了广泛应用。在这些应用场景中，紫外辐射强度较强，一般在mW/cm2以上，甚至达到几十W/cm2，紫外探测器多为无增益半导体紫外探测器。在许多核心和新兴应用领域，如电晕检测、生物检测、火灾报警，需实现微弱紫外光探测，甚至单光子探测，需要紫外探测器具有具有较高的增益，甚至单光子探测的能力，高性能的紫外雪崩光电二极管可具有纳秒量级的响应速度、105以上的增益，甚至可在单光子探测模式下(Geiger模式)工作，是实现微弱紫外信号测量的理想探测器。
[0003]目前，常用于制备紫外探测的半导体材料是第一代半导体材料Si和第三代半导体材料GaN和SiC。其中，Si的禁带宽度为1.12eV，波段响应范围覆盖近红外
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可见
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紫外范围，对可见光具有强烈的响应，在用于紫外探测时，需使用价格昂贵、面积大的紫外滤光片，而且，Si材料对紫外具有强烈的吸收效果，导致Si探测器在紫外波段的量子效率极低，在制备紫外探测器时，需进行特殊的紫外增强型结构设计以及特殊工艺流程设计和改进。作为第三代半导体代表材料的GaN和SiC材料具有大禁带宽度、高电子漂移速度、高临界击穿场强、高热导率、化学稳定性优、对可见光无响应等优点，是制备紫外探测器的理想材料。与Si基紫外探测器相比，GaN和SiC基紫外探测器具有：1、更高的灵敏度；2、无需加装紫外滤光片，直接实现可见光盲特性，对可见光无响应；3、可在高温、强辐射等恶劣环境下工作。
[0004]碳化硅(SiC)作为一种新型的第三代半导体材料，具有大禁带宽度、高电子漂移速度、高临界击穿场强、高热导率以及化学稳定性优良等特性。SiC材料在高温、大功率、光电子及抗辐射等方面具有极大的应用潜力。
[0005]4H
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SiC半导体材料的禁带宽度为3.26eV，对应的光波长为380nm。根据半导体光电探测器的原理，只有光的能量大于半导体材料的禁带宽度时，半导体光电探测器才会对光产生响应，因此，只有光的能量大于3.26eV时，4H
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SiC才会有响应，即4H
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SiC只对波长小于380nm的光有响应，对可见光无响应，此外，4H
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SiC材料具有大的禁带宽度以及高的临界位移能等特点，使得4H
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SiC在具有更好的抗辐照能力，在高功率密度光强下拥有更好的长期稳定性，目前，4H
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SiC材料生长技术成熟，晶体缺陷较少，是制备高性能雪崩紫外探测器的理想材料。
[0006]常见的4H
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SiC APD结构主要为pn(pin)结构APD(雪崩光电探测器)，该类型器件需工作在高电场模式下，因此，可靠的终端结构是实现器件稳定工作的关键。由于外延、扩散、离子注入等SiC工艺的制约，无法在SiC APD器件结构中实现有效的保护环和结终端扩展(JTE)结构，现有的SiC APD都是采用一种称为“小角度倾斜台面”(small angle beveled mesa)的方法形成终端结构。这类器件结构使用光刻胶回流(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。小角度倾斜台面虽然可以有效抑制SiC APD器件台面边缘的峰值电场，但亦存在诸多问题：(1)制备工艺窗口小，器件尺寸无法自由变换，无法实现高性能超大或超小像素的高性能SiC APD；(2)器件制备工艺复杂，需经过刻蚀、损伤修复等工艺，且在倾斜台面的沉积钝化层/SiC界面处存在缺陷态多、可靠性差的缺点。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种新型离子注入弧形钝化介质终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，目的是解决SiC APD现有技术中，小角度倾斜台面的填充因子低、制备工艺窗口小、可靠性差的缺点，同时有效抑制SiC APD边缘电场聚集效应，提升器件雪崩均匀性，并扩大了SiC APD芯片制备窗口。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0009]一种新型离子注入弧形钝化介质终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，为PN结(PIN)结构，抑制雪崩光电探测器件边缘电场强度的终端结构为弧形钝化介质终端。
[0010]弧形钝化介质终端设在SiC有源区的外围。
[0011]上述4H
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SiC雪崩光电探测器，无需制作“小角度倾斜台面”，显著扩大了SiCAPD芯片制备窗口。
[0012]为了简化制备工艺，上述弧形钝化介质终端基于离子注入方法与高温氧化方法制得。
[0013]上述新型离子注入弧形钝化介质终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，采用选区离子注入SiC形成区域非晶SiC，利用高温下非晶SiC氧化速率大于单晶SiC的特性，在高温环境下，对SiC进行氧化，在离子注入SiC区域形成弧形钝化介质终端，该弧形钝化介质终端可有效扩展APD台面边缘雪崩层的耗尽层宽度，有效抑制SiC APD雪崩层边缘电场集聚，这样可有效克服现有小角度倾斜台面存在的各种问题。
[0014]上述离子注入SiC元素包括：H、Ar、Al、N和/或O元素。
[0015]为了进一步确保器件性能，离子注入SiC的深度为：0.2
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5mm，优选为0.5
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1.5μm；离子注入宽度为：0.05
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500mm，优选为1
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3mm。离子注入SiC的能量为：10
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100keV；离子注入SiC的剂量为：1
×
10
12
/cm2～1
×
10
14
/cm2。
[0016]上述离子注入后，高温氧化离子注入SiC区域，形成的弧形钝化介质终端厚度为0.1
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1mm，优选为0.3
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0.9mm，前述厚度指弧形钝化介质终端的最大厚度(沿纵向，也即与离子注入的深度方向一致)。
[0017]为了提高器件可靠性，上述高温氧化离子注入SiC区域，形成的弧形钝化介质终端的温度为1000℃
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1500℃，时间大于0.5h。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型离子注入弧形钝化介质终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，为PN结结构，其特征在于：抑制雪崩光电探测器件边缘电场强度的终端结构为弧形钝化介质终端。2.如权利要求1所述的离子注入弧形钝化介质终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，其特征在于：弧形钝化介质终端为基于离子注入方法和高温氧化方法制得。3.如权利要求1或2所述的离子注入弧形钝化介质终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，其特征在于：离子注入的元素包括：H、Ar、Al、N和/或O元素。4.如权利要求1或2所述的离子注入弧形钝化介质终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，其特征在于：离子注入的深度为：0.2
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5μm；离子注入的宽度为：0.05
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500m；离子注入SiC的能量为：10
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100keV；离子注入SiC的剂量为：1
×
10
12
/cm2～1
×
10
14
/cm2。5.如权利要求1或2所述的离子注入弧形钝化介质终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，其特征在于：离子注入后，高温氧化离子注入区域，形成厚度为0.1
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1μm的弧形钝化介质终端。6.如权利要求1或2所述的离子注入弧形钝化介质终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，其特征在于：高温氧化的温度为1000℃
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1500℃，时间大于0.5h；高温氧化时的气氛氛围为干氧、湿氧、或两种气氛氛围的交互使用。7.如权利要求1或2所述的离子注入弧形钝化介质终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，其特征在于：从上到下依次包括：上电极4H
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SiC欧姆接触层、4H
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SiC过渡层、i型4H
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SiC雪崩层、下电极4H
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SiC欧姆接触层、4H
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SiC衬底和下金属接触电极，上电极4H
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SiC欧姆接触层上设有上金属接触电极和弧形钝化介质终端，上电极4H
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SiC欧姆接触层上除上金属接触电极的区域均设有钝化层，弧形钝化介质终端由上电极4H
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SiC欧姆接触层至少延伸至i型4H
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SiC雪崩层。8.如权利要求7所述的离子注入弧形钝化介质终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，其特征在于：其制备为：在4H
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SiC衬底上依次沉积下电极4H
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SiC欧姆接触层、i型4H
...

【专利技术属性】
技术研发人员：周东，陆海，徐尉宗，任芳芳，周峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：