一种全平面离子注入倾斜高阻终端结构的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全平面离子注入倾斜高阻终端的4H

【技术实现步骤摘要】
一种全平面离子注入倾斜高阻终端结构的4H
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SiC雪崩光电探测器


[0001]本专利技术属于半导体光电子器件
，具体涉及一种全平面离子注入倾斜高阻终端结构的4H
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SiC雪崩光电探测器。
技术背景
[0002]以GaN和SiC为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子漂移速率高、化学稳定性优、抗辐射能力强等优势，在高频、高功率、抗辐射、耐高温的电力电子、微波射频器件、固态光源和紫外探测器等领域有着广泛的应用前景。
[0003]紫外光探测在军事、民用、工业及科学研究等多个领域具有重要应用，包括环境监测、生化监测、深空探测、火焰检测等诸多领域。其中，紫外探测器是紫外光探测系统中必不可少的核心元件。
[0004]目前，常见的紫外光电探测器可分为两类：固态紫外探测器和真空光电器件。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，已逐渐成为紫外光电探测领域的重要研究内容，并在实际应用取得诸多重大突破。
[0005]半导体紫外光电探测器结构主要包括金属
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半导体
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金属(MSM)结构、肖特基(Schottky)结构、PN/PIN结构、光电导结构、雪崩光电探测器(APD)结构。其中，MSM、Schottky结构的光电探测器器件结构简单，制备工艺简单，但是器件有效利用面积低，高温工作稳定性差，且无增益，响应度低，不适合弱光探测；PN/PIN结构的光电探测器具有暗电流低、量子效率高、高温工作稳定性优等优点，但是器件结构复杂，器件无增益，无法实现弱光信号的快速探测；光电导结构的光电探测器器件结构简单，具有增益，响应度高，但是光电导结构的光电探测器漏电高，响应速度慢，而且稳定性差。在某些国防或新兴科学研究领域，如紫外保密通讯、电晕检测、生化检测、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单光子探测的能力，同时，具有高可靠性、快速时间响应。雪崩光电探测器(APD)具有增益高，响应速度快的优势，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，但需要在高电场强度下工作，器件的增益对器件的内部电场极敏感，需对APD两端的电压进行精确控制。
[0006]当前市场上已商业化的紫外探测器包括Si紫外探测器和GaN、SiC基紫外探测器。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；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，需进行特殊的紫外增强型结构设计，该结构无法实现高性能的紫外单光子探测器，因此，目前商用化的Si基雪崩光电二极管无法在紫外波段实现有效的单光子探测。GaN、SiC作为第三代半导体材料，禁带宽度大，对可见光不吸收，在制备高性能紫外探测器方面具有天然的材料优势。其中，SiC材料生长外延技术快速发展，材料晶体质量高，缺陷密度低，是制
备低噪声紫外探测器的优选材料，SiC紫外探测器已实现PIN结构和Schottky结构的商业化，具有单光子探测能力的SiC基雪崩光电探测器依然处于学术研究和技术攻关阶段，其中，高可靠性的终端结构是抑制APD边缘电场，实现高性能SiC基APD的关键技术之一。
[0007]常见的4H
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SiC APD结构主要为pn(pin)结构，该类型器件需工作在高电场模式下，利用高电场对光生电子空穴对加速，使其获得足够的能量，光生电子空穴通过碰撞S电离产生新的电子空穴对，实现光生电子空穴对的雪崩倍增。由于SiC材料物性以及制备工艺的制约，目前4H
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SiC APD的终端结构多采用“小角度倾斜台面”(small angle beveled mesa)，该结构通过使用光刻胶回流(reflow)工艺，采用刻蚀技术，将光刻胶倾斜边缘图形化转移至4H
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SiC材料上，在4H
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SiC APD外延结构终端形成小角度倾斜台面终端，抑制台面周围的峰值电场，防止高偏压下器件发生提前击穿。虽然光刻胶回流工艺制备小角度倾斜台面终端结构已相对成熟，但该结构亦存在诸多问题：(1)器件制备工艺复杂，4H
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SiC材料经过刻蚀后，会在刻蚀表面形成大量的刻蚀损伤，产生严重的漏电通道，严重影响4H
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SiC APD的性能，因此，需经过高温氧化、损伤修复等技术；(2)传统小角度倾斜台面4H
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SiC APD钝化通常采用热氧化与沉积钝化层技术，在SiC APD表面形成钝化，在钝化层/SiC界面处存在大量的O空位、C簇等缺陷态，而倾斜台面会横贯APD的雪崩区(高场区)，因此，钝化层/SiC界面处的缺陷态会严重影响SiC APD的可靠性。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供一种全平面离子注入倾斜高阻终端结构的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，小角度倾斜台面制备工艺复杂、可靠性差的缺点，有效抑制SiC APD边缘电场聚集效应，提升器件的稳定性。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0010]一种全平面离子注入倾斜高阻终端结构的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离子注入倾斜高阻终端结构。
[0011]作为其中一种具体的实现方案，离子注入倾斜高阻4H
‑
SiC终端的横截面为环形，纵截面为两个对称的梯形；离子注入倾斜高阻4H
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SiC终端的内侧面的直径从上到下逐渐增大、形成小于45
°
的内倾角。内倾角指离子注入倾斜高阻4H
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SiC终端的内侧面与水平面(上电极4H
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SiC欧姆接触层表面)之间的夹角。进一步优选，内倾角小于15
°
。
[0012]上述离子注入倾斜高阻终端结构，基于高温光刻胶回流技术与离子注入技术制得。
[0013]离子注入倾斜高阻终端结构制备时，采用高温光刻胶回流技术，基于光刻技术，在4H
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SiC外延片表面形成有源区掩膜，经过高温烘烤光刻胶，利用光刻胶的回流特性，使有源区掩膜边缘形成下宽上窄的倾斜边缘，边缘倾角小于75
°
，将该角度通过离子注入的方式转移到SiC中。
[0014]上述新型离子注入高阻倾斜终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，采用离子注入技术，利用离子元素在下宽上窄的有源区掩膜边缘注入至SiC中的深度下深上浅，以及离子注入SiC区域形成非晶高阻SiC特性，在4H
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SiC有源区周围形成倾斜高阻4H
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全平面离子注入倾斜高阻终端的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边缘电场强度的终端结构为离子注入倾斜高阻4H
‑
SiC终端。2.如权利要求1所述的全平面离子注入倾斜高阻终端的4H
‑
SiC雪崩光电探测器，其特征在于：离子注入倾斜高阻4H
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SiC终端的横截面为环形，纵截面为两个对称的梯形；离子注入倾斜高阻4H
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SiC终端内侧面的直径从上到下逐渐增大、形成小于45
°
的内倾角。3.如权利要求1或2所述的全平面离子注入倾斜高阻终端的4H
‑
SiC雪崩光电探测器，其特征在于：离子注入倾斜高阻4H
‑
SiC终端为基于高温光刻胶回流和离子注入方法制得。4.如权利要求3所述的全平面离子注入倾斜高阻终端的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；离子注入的深度为：0.15
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5μm；离子注入的宽度为：0.05
‑
500μm；离子注入SiC的能量为：10
‑
200keV；离子注入SiC的剂量为：1
×
10
12
/cm2～2
×
10
15
/cm2。5.如权利要求3所述的全平面离子注入倾斜高阻终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，其特征在于：光刻胶掩模的形状为下宽上窄，边缘倾角小于75
°
，光刻胶掩模的厚度不小于1μm。6.如权利要求1或2所述的全平面离子注入倾斜高阻终端的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离子注入倾斜高阻4H
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SiC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，离子注入倾斜高阻终端由上电极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。7.如权利要求6所述的全平面离子注入倾斜高阻终端的4H
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SiC雪崩光电探测器，其特征在于：其制备为：在4H
‑...

【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：