一种新型双台面碳化硅SACM单光子探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型双台面碳化硅SACM单光子探测器及其制备方法，该单光子探测器制备于n型SiC衬底上，采用n+/n

【技术实现步骤摘要】
一种新型双台面碳化硅SACM单光子探测器及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体器件光电探测领域，具体涉及一种新型双台面碳化硅SACM单光子探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]微弱紫外光探测或单光子探测在火灾预警、电晕检测、导弹尾焰检测、科学研究、深空检测和紫外通讯等领域具有广泛的应用前景。紫外探测和可见光、红外光探测相比存在一个“日盲”波段的优势。240nm
‑
280nm波段的太阳光在穿过大气层时几乎完全被大气臭氧层吸收，地球表面不存在该波段的太阳辐射，我们称该波段为“日盲”波段。对于“日盲”波段，地球表面如同一个天然的暗室，不存在太阳辐射的影响，探测到的任何信号都来源于目标，具有独特的信号识别优势，因此，“日盲”波段紫外探测器在应用中优势显著。与常用的硅(Si)材料相比，碳化硅(SiC)作为一种宽禁带半导体材料，光谱响应峰值在～280nm附近，位于“日盲”波段，不受可见光的影响；另外，SiC材料的临界电场强度在3MV/cm以上，可以承受更高的电压，耐高压特性好，更适用于大功率的电子器件；此外，SiC具有材料缺陷密度相对小和制备工艺相对成熟等优势，是制备“日盲”波段微弱紫外光探测器的优选材料。
[0003]随着紫外探测技术的快速发展和应用领域的不断扩展，人们对特殊功能或多种功能紫外探测器实际应用的需求也越来越多样化。现代紫外探测器不仅需要具备高稳定性、高灵敏度、高速和高信噪比等优势以用于国防预警、紫外通讯等领域，还需要实现灵活小巧、工作智能等新型要求以适应基础设施、无人值守等监测条件。目前的单光子探测器主要有光电倍增管(PMT)等真空光电探测器件和雪崩光电二极管(APD)。虽然PMT可以实现对微弱光的探测，但其存在很多不足，例如：体积大、易破损、寿命短；器件的工作电压高，一般在1000V以上；量子效率低，一般小于30％。而APD具有体重小、功耗低、量子效率高、增益高以及便于集成等优势，是紫外单光子探测领域的一个主要发展方向。APD是一种具有内部增益的光电二极管，工作在反向偏压下，当耗尽区电场强度足够大时，光生载流子在耗尽区内获得足够的动能，与晶格发生碰撞，产生新的电子空穴对，因此在耗尽区中会发生链式的载流子碰撞离化过程。目前SiCAPD的增益达到105‑
106以上，峰值量子效率达到50％以上，是用于微弱紫外光探测的首选器件。
[0004]常见的SiCAPD为p
‑
n结结构，通常在p
‑
n结中插入一个低掺杂的i层以增加耗尽区的宽度，提高器件的量子效率并抑制暗电流。通常来讲，基于p
‑
n结的SiCAPD可以分两种：一种外延结构从上向下分别为p型接触层、i雪崩层和n型接触层；另一种外延结构从上向下分别为n型接触层、i雪崩层和p型接触层。在这两种结构中为了保证待测紫外光的有效吸收，倍增层的厚度都比较大，器件的工作电压一般高于200V。降低SiCAPD器件的击穿电压有利于降低器件的功耗。减小倍增层的厚度是降低APD器件击穿电压的一个有效方法，然而倍增层厚度的减小会减弱器件对入射紫外光的吸收，降低器件的量子效率。为了解决这个问题，研究人员设计了吸收层
‑
电荷控制层
‑
倍增层分离(SACM)结构SiCAPD，如图1所示。SACM结构从上向下包含n+接触层、n
‑
吸收层、n型电荷控制层和n
‑
雪崩层，以及p型接触层；或者p+接
触层、p
‑
吸收层、p型电荷控制层和p
‑
雪崩层，以及n型接触层。SACM结构主要通过增加吸收层的厚度提高入射光吸收，通过控制倍增层的厚度调控击穿电压，通过调节电荷控制层的厚度和掺杂浓度调控电场分布最终实现低暗电流和高量子效率的SiCAPD。为了抑制器件的边缘电场，避免器件在高压下的不可逆击穿，SiCAPD多采用倾斜台面结构，倾斜角度一般控制在10
°
以内，通过增加台面边缘耗尽区宽度，可以有效减小边缘电场，使APD体内击穿先于边缘击穿。小倾角台面有效抑制了APD器件边缘击穿，但是在SACM结构中，当器件台面刻蚀到底部接触层时，刻蚀深度大，通常大于2μm，台面边缘占据了较大的器件面积，降低了器件的填充因子，严重缩小了器件有效的光敏区域。因此，如何增加SiC SACM APD的填充因子，提高器件的有效面积和芯片利用率，是SiC SACM APD目前面临的关键科学问题之一。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种新型双台面碳化硅SACM单光子探测器及其制备方法，该单光子探测器能够提高器件填充因子和芯片利用率，优化SiC SACM APD的有效光敏区域，通过垂直台面刻蚀实现相邻器件之间的电学隔离和光学隔离。
[0006]技术方案：本专利技术的新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，制备于n型SiC衬底上，采用n+/n
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/n/n
‑
/p结构或p+/p
‑
/p/p
‑
/n结构；所述单光子探测器从顶部至雪崩层的上表面刻蚀有小角度倾斜台面，小角度倾斜台面的底角小于10
°
，且小角度倾斜台面采用半台面结构；所述小角度倾斜台面的下台面至底部接触层刻蚀有垂直台面，形成深槽隔离；所述垂直台面的直径大于小角度倾斜台面下台面的直径。
[0007]所述n+/n
‑
/n/n
‑
/p结构的外延结构由上向下包含n+接触层、n
‑
吸收层、n型电荷控制层和n
‑
雪崩层，以及p型接触层；其中，所述n+接触层设有上欧姆接触电极，p型接触层设有下欧姆接触电极。
[0008]所述n+接触层的厚度为0.1
‑
0.3μm，n
‑
吸收层的厚度为0.5
‑
2μm，n型电荷控制层的厚度为0.1
‑
0.5μm，n
‑
雪崩层的厚度为0.5
‑
2μm，p型接触层的厚度为1
‑
50μm。
[0009]所述n+接触层的掺杂浓度介于1
×
10
18
‑2×
10
19
cm
‑3之间，n
‑
吸收层的掺杂浓度介于1
×
10
15
‑5×
10
16
cm
‑3之间，n型电荷控制层的掺杂浓度介于2
×
10
17
‑5×
10
18
cm
‑3之间，n
‑
雪崩层的掺杂浓度介于1
×
10
15
‑5×
10
16
cm
‑3之间，p型接触层的掺杂浓度介于1
×
10
18
‑2×
10
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，其特征在于：制备于n型SiC衬底上，采用n+/n
‑
/n/n
‑
/p结构或p+/p
‑
/p/p
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/n结构；所述单光子探测器从顶部至雪崩层的上表面刻蚀有小角度倾斜台面，小角度倾斜台面的底角小于10
°
，且小角度倾斜台面采用半台面结构；所述小角度倾斜台面的下台面至底部接触层刻蚀有垂直台面，形成深槽隔离；所述垂直台面的直径大于小角度倾斜台面下台面的直径。2.根据权利要求1所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，其特征在于：所述n+/n
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/n/n
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/p结构的外延结构由上向下包含n+接触层、n
‑
吸收层、n型电荷控制层和n
‑
雪崩层，以及p型接触层；其中，所述n+接触层设有上欧姆接触电极，p型接触层设有下欧姆接触电极。3.根据权利要求2所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，其特征在于：所述n+接触层的厚度为0.1
‑
0.3μm，n
‑
吸收层的厚度为0.5
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2μm，n型电荷控制层的厚度为0.1
‑
0.5μm，n
‑
雪崩层的厚度为0.5
‑
2μm，p型接触层的厚度为1
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50μm。4.根据权利要求2所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，其特征在于：所述n+接触层的掺杂浓度介于1
×
10
18
‑2×
10
19
cm
‑3之间，n
‑
吸收层的掺杂浓度介于1
×
10
15
‑5×
10
16
cm
‑3之间，n型电荷控制层的掺杂浓度介于2
×
10
17
‑5×
10
18
cm
‑3之间，n
‑
雪崩层的掺杂浓度介于1
×
10
15
‑5×
10
16
cm
‑3之间，p型接触层的掺杂浓度介于1
×
10
18
‑2×
10
19
cm
‑3之间。5.根据权利要求1所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，其特征在于：所述p+/p
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/p/p
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/n结构的外延结构由上向下包含p+接触层、p
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吸收层、p型电荷控制层和p
‑
雪崩层，以及n型接触层；其中，所述p+接触层设有上欧姆接触电极，n型接触层设有下欧姆接触电极。6.根据权利要求5所述新型双台面碳化硅SACM单光子探测器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏琳琳，杨成东，赵东，李晖，郭业才，
申请(专利权)人：南京信息工程大学滨江学院，
类型：发明
国别省市：