專利名稱：一種雪崩光電二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體光電二極管探測(cè)器件，尤其是涉及一種4H-碳化硅亞微米柱紫外雪崩光電二極管。
背景技術(shù)：
紫外波段的光探測(cè)，特別是在日盲波段的紫外探測(cè)，已經(jīng)日益成為光探測(cè)領(lǐng)域的重要研究對(duì)象。紫外光電二極管主要應(yīng)用于太空研究、環(huán)境檢測(cè)、醫(yī)療應(yīng)用和軍事輔助等。現(xiàn)今，外加濾波器的高響應(yīng)度光電倍增管為最廣泛應(yīng)用的紫外光電二極管，然而由于其太過(guò)于笨重、易損壞和昂貴等因素的制約，使得對(duì)紫外光探測(cè)的科學(xué)研究日益轉(zhuǎn)向了小體積、低成本和高穩(wěn)定性的半導(dǎo)體紫外光電二極管。
(ZnO)和碳化硅(SiC)等。Si材料及其器件的制作最為成熟，然而由于其材料固有性質(zhì)的限制，如窄禁帶和高暗電流密度，導(dǎo)致了器件的響應(yīng)度不高以及需要昂貴的光過(guò)濾元件的集成；直接帶隙的AlGaN三元半導(dǎo)體材料，具有寬的直接禁帶和禁帶寬度可調(diào)節(jié)的特性。通過(guò)調(diào)節(jié)AlGaN中Al的摻雜濃度，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的紫外波段日盲探測(cè)。然而，由于其材料生長(zhǎng)以及器件工藝還不夠成熟，導(dǎo)致材料和器件(特別是器件表面)的高缺陷密度。由于直接帶隙半導(dǎo)體的光吸收大多發(fā)生在靠近器件表面附近，而器件表面缺陷對(duì)載流子的復(fù)合將會(huì)大大增強(qiáng)，因此導(dǎo)致了(Al)GaN紫外光電二極管的探測(cè)性能大打折扣，如響應(yīng)度極低。ZnO為新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有生長(zhǎng)成本低和內(nèi)部增益等優(yōu)點(diǎn)，然而由于其材料生長(zhǎng)還不成熟，不適合應(yīng)用于高工作電壓的雪崩光電二極管。而作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的SiC材料，因?yàn)槠渚哂袑捊麕?、高擊穿電?chǎng)強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、高抗輻射性能、成熟的材料制備工藝、高空穴電子離化率比以及高飽和載流子速率等一系列優(yōu)點(diǎn)，使之成為了制作紫外光雪崩二極管的優(yōu)選半導(dǎo)體材料。目前，半導(dǎo)體紫外光電二極管一般有4種金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的光電二極管、PIN結(jié)構(gòu)的光電二極管、光電導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。APD因其具有靈敏度高、增益帶寬大和響應(yīng)速度快而備受人們關(guān)注，其主要應(yīng)用于微弱信號(hào)和單光子信號(hào)的檢測(cè)。微弱信號(hào)的檢測(cè)在生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)和光通訊方面都有非常重要的作用。例如激光誘導(dǎo)熒光性生物報(bào)警系統(tǒng)和非線性光線隱蔽通訊。激光誘導(dǎo)衰變中產(chǎn)生的紫外熒光的光強(qiáng)在PW量級(jí)，相當(dāng)于每秒幾百萬(wàn)個(gè)光子，而非線性光線隱蔽通訊中要求光電二極管的探測(cè)響應(yīng)速率大IMbs。單光子探測(cè)技術(shù)在高分辨率的光譜測(cè)量、非破壞性物質(zhì)分析、高速現(xiàn)象檢測(cè)、精密分析、大氣測(cè)污、生物發(fā)光、放射探測(cè)、高能物理、天文測(cè)光、光時(shí)域反射、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。由于單光子二極管探測(cè)器在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，它已經(jīng)成為各發(fā)達(dá)國(guó)家光電子學(xué)界重點(diǎn)研究的課題之一。然而，對(duì)于傳統(tǒng)的APD，當(dāng)器件各層摻雜濃度和結(jié)構(gòu)確定后，其擊穿電壓(Vbr)和紫外可見比都是為定值，紫外可見比也不能滿足實(shí)際意義的日盲探測(cè)需求。此外傳統(tǒng)雪崩吸收分離(SAM)結(jié)構(gòu)的AH)只能依靠復(fù)雜的外部電路實(shí)現(xiàn)其熄滅功能。因此，具有自動(dòng)熄滅功能和高紫外可見比特性的新型結(jié)構(gòu)Aro變成為光電學(xué)學(xué)界的一個(gè)研究目標(biāo)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)目前APD存在的日盲探測(cè)上的不足、紫外可見比不高和器件熄滅功能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性等問(wèn)題，提供一種具有超高紫外可見比的光控?fù)舸╇妷簛單⒚字贤庋┍拦怆姸O管(SMAPD)。本實(shí)用新型設(shè)有高摻雜N+型襯底，在高摻雜N+型襯底上表面設(shè)有N—層，在N—層上表面兩側(cè)設(shè)有高摻雜P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)層，在N_層的中間部分上表面設(shè)有N型雪崩倍增層，在N型雪崩倍增層的上表面設(shè)有P+型的歐姆接觸層，在N型雪崩倍增層和P+型的歐姆接觸層的兩側(cè)分別設(shè)有氧化層，在高摻雜N+型襯底的下表面(即器件的背面)設(shè)有正電極，在P+型的歐姆接觸層的上表面設(shè)有金屬負(fù)電極。設(shè)于N_層上表面兩側(cè)的高摻雜P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)層之間的寬度最好0. 6 y m，所述高摻雜P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)層的厚度最好為0. I y m。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)主要由兩大部分組成塊狀大面積的吸收區(qū)域和亞微米柱結(jié)構(gòu)的倍增區(qū)域。吸收區(qū)域的設(shè)計(jì)如下在高摻雜N+型襯底表面上設(shè)計(jì)厚度為9. 0 y m的低摻雜N—層，然后在N—層表面(中間寬度為0.6 iim的范圍除外)設(shè)計(jì)厚度為0. I ii m的高摻雜P+層。P+層不僅可以為吸收層提供PN結(jié)耗盡區(qū)，提高入射光子的吸收，還起到調(diào)節(jié)亞微米柱倍增區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度的作用，因此稱為P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)層。亞微米柱結(jié)構(gòu)的倍增區(qū)域設(shè)計(jì)在N—層中間0. 2 ii m的表面上，由0. 15 ii m厚高摻雜P+型的歐姆接觸層和0. 6 y m的N型雪崩倍增層組成。在器件表面，除了電極部分外，設(shè)計(jì)0. 75 u m厚的二氧化硅層為鈍化層。隨后，正負(fù)電極分別設(shè)計(jì)在N+襯底底部和亞微米柱P+區(qū)域表面。4H-SiC SMAPD其主要工作原理為入射光在吸收區(qū)域中被吸收，產(chǎn)生受激載流子。受激載流子在吸收區(qū)耗盡區(qū)電場(chǎng)的作用下以橫向運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)入高電場(chǎng)的納米柱結(jié)構(gòu)中，在高電場(chǎng)的加速作用下納米柱中載流子和晶格中原子價(jià)鍵相互作用產(chǎn)生碰撞電離，從而產(chǎn)生雪崩擊穿，以達(dá)到對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)作用。此外，P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)層的設(shè)計(jì)使得納米柱內(nèi)的電場(chǎng)分布會(huì)隨著光照的條件而明顯變化，實(shí)現(xiàn)了器件的光控雪崩功能。本實(shí)用新型通過(guò)半導(dǎo)體器件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模擬軟件模擬出上述結(jié)構(gòu)的SMAPD的光電學(xué)特性。模擬結(jié)果表示，SMAPD的雪崩擊穿電壓(Vbr)會(huì)隨著光照條件的變化而改變，并且在光譜響應(yīng)最強(qiáng)烈的時(shí)候Vbr最小，即當(dāng)入射光功率密度越大，入射光吸收越強(qiáng)烈Vbr越小，Vbr越小。通過(guò)SMAPD在特定偏壓下的電場(chǎng)分布模擬分析，可以得知上述現(xiàn)象是由于器件亞微米柱底部的空穴勢(shì)阱造成的，此空穴勢(shì)阱是由P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)層形成的，其高低會(huì)影響到擊穿電壓的大小。而此空穴勢(shì)阱會(huì)隨著光照條件的改變而改變，導(dǎo)致SMAPD的擊穿電壓隨著光照條件的改變而變化?？昭▌?shì)阱深度隨著光照條件變化的原因是因?yàn)楣庹赵谖諈^(qū)開路的P+N_結(jié)耗盡層中產(chǎn)生光生電場(chǎng)，光生電場(chǎng)方向和吸收區(qū)中P+N_結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，亞微米柱下方P+^結(jié)的總電場(chǎng)變小。光吸收越強(qiáng)，光照強(qiáng)度越大，對(duì)應(yīng)的光生電場(chǎng)也越強(qiáng)，導(dǎo)致了亞微米柱下方P+N_結(jié)的總電場(chǎng)和空穴勢(shì)阱變化也越強(qiáng)烈，器件雪崩效應(yīng)變化也越明顯。此外，本實(shí)用新型還在上述SMAPD的光控雪崩電壓特性基礎(chǔ)上，提出并且模擬出了器件光譜響應(yīng)的超高紫外可見比。其原理如下假設(shè)入射光功率不變，SMAPD的偏壓為產(chǎn)生最大光生電場(chǎng)的入射光波長(zhǎng)(對(duì)于4H-SiC，此波長(zhǎng)大概為280 290nm)對(duì)應(yīng)下的擊穿電壓，當(dāng)入射光波長(zhǎng)為280nm時(shí)，器件產(chǎn)生雪崩擊穿，光生電流非常大。而當(dāng)入射光波長(zhǎng)改變后(例如380nm)，SMAPD的Vbr變大，此時(shí)SMAPD的偏壓不足使器件產(chǎn)生雪崩擊穿，光生電流劇減。因此，器件光譜響應(yīng)的紫外可見比將會(huì)大大的提高。同時(shí)，在4H_SiC SMAPD光控雪崩電壓特性的基礎(chǔ)上可以得知光照時(shí)器件的擊穿電壓是小于無(wú)光照時(shí)器件的擊穿電壓。本實(shí)用新型因此提出并模擬出了 SMAro雪崩擊穿的自熄滅特性。具體原理如下光照時(shí)，設(shè)置器件工作電壓為此時(shí)的雪崩擊穿電壓，此時(shí)器件處于雪崩擊穿狀態(tài)。而后，去除光照后，器件雪崩擊穿電壓變大，工作電壓小于此時(shí)的雪崩擊穿電壓，器件不處于雪崩擊穿狀態(tài)。只要工作電壓和光照條件不變，隨著光照的有無(wú)，器件的雪崩擊穿狀態(tài)也將會(huì)隨著開關(guān)。從而便實(shí)現(xiàn)了 SMAro雪崩擊穿的自熄滅特性。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)適用于半導(dǎo)體材料硅(Si)，鋁鎵氮(AlGaN)，氧化鋅(ZnO)以及 碳化硅(SiC)。本實(shí)用新型采用4H-SiC材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

圖I為4H_SiC SMAPD器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為4H-SiC SMAPD擊穿電壓隨入射光功率密度的變化曲線。在圖2中，橫坐標(biāo)為入射光功率密度(W/cm2)，縱坐標(biāo)為雪崩擊穿電壓(V);入射光波長(zhǎng)為280nm。圖3為4H_SiC SMAPD擊穿電壓隨入射光波長(zhǎng)的變化曲線。在圖3中，橫坐標(biāo)為入射光波長(zhǎng)(nm)，縱坐標(biāo)為雪崩擊穿電壓(V);入射光功率密度為1.0X10_4W/cm2。圖4為4H_SiC SMAH)和bulk ATO在各個(gè)入射光功率密度條件下光譜響應(yīng)模擬圖。在圖5中，橫坐標(biāo)為入射光波長(zhǎng)(nm)，縱坐標(biāo)為光響應(yīng)(a. u.);其中P為入射光功率密度，bulk AH)為傳統(tǒng)紫外雪崩光電二極管在入射功率密度為I. OX 10_2W/Cm2的條件下的光譜響應(yīng)模擬曲線。圖5為4H-SiC SMAPD的自熄滅特性分析圖。在圖5中，橫坐標(biāo)為反向偏壓Vr (V)，縱坐標(biāo)為反向電流(A/ u m);入射光波長(zhǎng)和功率密度分別為280nm和I. 0 X 10_4W/cm2。
具體實(shí)施方式
參見圖1，本實(shí)用新型實(shí)施例設(shè)有高摻雜N+型襯底2，在高摻雜N+型襯底2上表面設(shè)有N—層3，在N—層3上表面兩側(cè)設(shè)有高摻雜P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)層4，在N—層3的中間部分上表面設(shè)有N型雪崩倍增層5，在N型雪崩倍增層5的上表面設(shè)有P+型的歐姆接觸層7，在N型雪崩倍增層5和P+型的歐姆接觸層7的兩側(cè)(即器件的兩肩)分別設(shè)有氧化層6，在高摻雜N+型襯底2的下表面(即器件的背面)設(shè)有正電極1，在P+型的歐姆接觸層7的上表面設(shè)有金屬負(fù)電極8。設(shè)于f層3上表面兩側(cè)的高摻雜P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)層4之間的寬度最好0. 6 ii m，所述高摻雜P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)層4的厚度最好為0. I y m。4H-SiC SMAH)的結(jié)構(gòu)主要由兩大部分組成塊狀大面積的吸收區(qū)域和亞微米柱結(jié)構(gòu)的倍增區(qū)域。吸收區(qū)域的設(shè)計(jì)如下在高摻雜N+型襯底2層上設(shè)計(jì)厚度為9. 0 y m的非刻意摻雜N_層，再通過(guò)離子注入方法，在N_層3內(nèi)表面(中間寬度為0. 6 y m的范圍除外)形成厚度為0. I y m高摻雜P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)層4。亞微米柱結(jié)構(gòu)的倍增區(qū)域設(shè)計(jì)在N—層中間0. 2 i! m的表面上，由0. 15 i! m厚P+型的歐姆接觸層7和0. 6 y m的N型雪崩倍增層5組成，然后在N-層兩肩設(shè)計(jì)一層厚度為0. 75 y m的氧化層6起到鈍化保護(hù)作用。最后，在亞微米柱表面和器件背面設(shè)計(jì)金屬負(fù)電極8和正電極I。設(shè)計(jì)P+、N、K和N+層的摻雜濃度分別為 3. OX 1019/cm3,4X 1017/cm3,3. OX 1015/cm3 和 I. 0X 1019/cm3。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，便通過(guò)半導(dǎo)體器件CAD模擬軟件模擬出4H-SiC SMAPD其光電特性。如圖2所示，通過(guò)半導(dǎo)體器件CAD模擬軟件模擬出入射光波長(zhǎng)為280nm條件下，4H-SiCSMAPD擊穿電壓隨入射光功率密度的變化曲線。可以看出，在固定入射光波長(zhǎng)的條件，器件雪崩擊穿電壓隨著光照功率密度的增大而減小。如圖3所示，通過(guò)半導(dǎo)體器件CAD模擬軟件模擬出入射光功率密度為I. OX 10_4W/cm2條件下，4H-SiC SMAPD擊穿電壓隨入射光波長(zhǎng)的變化曲線。可以看出，在固定光照功率密度的條件，器件雪崩擊穿電壓隨著入射光波長(zhǎng)的改變大而明顯變化。其中在光譜響應(yīng)最 大值對(duì)應(yīng)下的波長(zhǎng)光照(約290nm)，Vbr呈現(xiàn)最小值。這個(gè)結(jié)果現(xiàn)象為本實(shí)用新型中4H-SiCSMAPD特有的性質(zhì)。如圖4所示，通過(guò)半導(dǎo)體器件CAD模擬軟件模擬出4H_SiC SMAPD在各個(gè)入射光功率密度條件下和傳統(tǒng)4H-SiC Aro的光譜響應(yīng)模擬圖。從圖4可以得知，基于其光控雪崩擊穿電壓特性，4H-SiC SMAPD在入射光功率密度范圍為I X l(T6W/cm2 I X l(T2W/cm2，SMAPD紫外可見比約為2. 4X 103 2. OX 105，比傳統(tǒng)的4H-SiC APD(約6X102)高I 3個(gè)數(shù)量級(jí)。這個(gè)結(jié)果現(xiàn)象為本實(shí)用新型中4H-SiC SMAH)特有的性質(zhì)。如圖5所示，通過(guò)半導(dǎo)體器件CAD模擬軟件模擬出4H_SiC SMAPD的自熄滅特性分析圖。從圖5可以分析假設(shè)器件在有入射光照時(shí)的器件雪崩擊穿電壓Vbrl，假設(shè)無(wú)光照時(shí)候的器件雪崩擊穿電壓為Vbr2，此時(shí)Vbrl<Vbr2。設(shè)置器件的工作電壓為Vbrl，無(wú)光照時(shí)，Vbrl小于無(wú)光照時(shí)的器件雪崩擊穿電壓Vbr2，器件不處于擊穿狀態(tài)，反向暗電流非常小；當(dāng)光照后，器件的雪崩擊穿電壓減小至Vbrl，器件處于擊穿狀態(tài)，反向電流劇增；當(dāng)光照停止后，器件的雪崩擊穿電壓又重新增大，恢復(fù)到之前的Vbr2，器件不處于擊穿狀態(tài)，反向電流大幅度減小，器件實(shí)現(xiàn)雪崩擊穿的自熄滅。這個(gè)結(jié)果現(xiàn)象為本實(shí)用新型中4H-SiC SMAPD特有的性質(zhì)。
權(quán)利要求1.一種雪崩光電二極管,其特征在于設(shè)有高摻雜N+型襯底,在高摻雜N+型襯底上表面設(shè)有N-層，在N-層上表面兩側(cè)設(shè)有高摻雜P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)層，在N-層的中間部分上表面設(shè)有N型雪崩倍增層，在N型雪崩倍增層的上表面設(shè)有P+型的歐姆接觸層，在N型雪崩倍增層和P+型的歐姆接觸層的兩側(cè)分別設(shè)有氧化層，在高摻雜N+型襯底的下表面設(shè)有正電極，在P+型的歐姆接觸層的上表面設(shè)有金屬負(fù)電極。
2.如權(quán)利要求I所述的一種雪崩光電二極管，其特征在于設(shè)于N-層上表面兩側(cè)的高摻雜P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)T1層之間的覽度0. 6 U m。
3.如權(quán)利要求I所述的一種雪崩光電二極管，其特征在于所述高摻雜P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)層的厚度為0. liim。
專利摘要一種雪崩光電二極管，涉及半導(dǎo)體光電二極管探測(cè)器件。提供一種具有超高紫外可見比的光控?fù)舸╇妷簛單⒚字贤庋┍拦怆姸O管。設(shè)有高摻雜N+型襯底，在高摻雜N+型襯底上表面設(shè)有N-層，在N-層上表面兩側(cè)設(shè)有高摻雜P+型電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)層，在N-層的中間部分上表面設(shè)有N型雪崩倍增層，在N型雪崩倍增層的上表面設(shè)有P+型的歐姆接觸層，在N型雪崩倍增層和P+型的歐姆接觸層的兩側(cè)分別設(shè)有氧化層，在高摻雜N+型襯底的下表面設(shè)有正電極，在P+型的歐姆接觸層的上表面設(shè)有金屬負(fù)電極。
文檔編號(hào)H01L31/0352GK202487594SQ20122011223
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者吳正云, 洪榮墩, 蔡加法, 陳主榮, 陳廈平 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)