專利名稱：一種雪崩光電二極管的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及半導體光電二極管探測器件，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：
紫外波段的光探測，特別是在日盲波段的紫外探測，已經日益成為光探測領域的重要研究對象。紫外光電二極管主要應用于太空研究、環(huán)境檢測、醫(yī)療應用和軍事輔助等?，F(xiàn)今，外加濾波器的高響應度光電倍增管為最廣泛應用的紫外光電二極管，然而由于其太過于笨重、易損壞和昂貴等因素的制約，使得對紫外光探測的科學研究日益轉向了小體積、低成本和高穩(wěn)定性的半導體紫外光電二極管。
(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的限制，如窄禁帶和高暗電流密度，導致了器件的響應度不高以及需要昂貴的光過濾元件的集成；直接帶隙的AlGaN三元半導體材料，具有寬的直接禁帶和禁帶寬度可調節(jié)的特性。通過調節(jié)AlGaN中Al的摻雜濃度，可以實現(xiàn)真正意義上的紫外波段日盲探測。然而，由于其材料生長以及器件工藝還不夠成熟，導致材料和器件(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，而器件表面缺陷對載流子的復合將會大大增強，因此導致了(Al)GaN紫外光電二極管的探測性能大打折扣，如響應度極低。ZnO為新型的寬禁帶半導體材料，具有生長成本低和內部增益等優(yōu)點，然而由于其材料生長還不成熟，不適合應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體的SiC材料，因為其具有寬禁帶、高擊穿電場強度、高熱導率、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，使之成為了制作紫外光雪崩二極管的優(yōu)選半導體材料。目前，半導體紫外光電二極管一般有4種金屬-半導體-金屬結構的光電二極管、PIN結構的光電二極管、光電導結構的光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。APD因其具有靈敏度高、增益帶寬大和響應速度快而備受人們關注，其主要應用于微弱信號和單光子信號的檢測。微弱信號的檢測在生物技術、醫(yī)學和光通訊方面都有非常重要的作用。例如激光誘導熒光性生物報警系統(tǒng)和非線性光線隱蔽通訊。激光誘導衰變中產生的紫外熒光的光強在PW量級，相當于每秒幾百萬個光子，而非線性光線隱蔽通訊中要求光電二極管的探測響應速率大IMbs。單光子探測技術在高分辨率的光譜測量、非破壞性物質分析、高速現(xiàn)象檢測、精密分析、大氣測污、生物發(fā)光、放射探測、高能物理、天文測光、光時域反射、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等領域有廣泛的應用。由于單光子二極管探測器在高技術領域的重要地位，它已經成為各發(fā)達國家光電子學界重點研究的課題之一。然而，對于傳統(tǒng)的APD，當器件各層摻雜濃度和結構確定后，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際意義的日盲探測需求。此外傳統(tǒng)雪崩吸收分離(SAM)結構的AH)只能依靠復雜的外部電路實現(xiàn)其熄滅功能。因此，具有自動熄滅功能和高紫外可見比特性的新型結構Aro變成為光電學學界的一個研究目標。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于針對目前APD存在的日盲探測上的不足、紫外可見比不高和器件熄滅功能實現(xiàn)的復雜性等問題，提供一種具有超高紫外可見比的光控擊穿電壓亞微米柱紫外雪崩光電二極管(SMAPD)。本實用新型設有高摻雜N+型襯底，在高摻雜N+型襯底上表面設有N—層，在N—層上表面兩側設有高摻雜P+型電場強度調節(jié)層，在N_層的中間部分上表面設有N型雪崩倍增層，在N型雪崩倍增層的上表面設有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分別設有氧化層，在高摻雜N+型襯底的下表面(即器件的背面)設有正電極，在P+型的歐姆接觸層的上表面設有金屬負電極。設于N_層上表面兩側的高摻雜P+型電場強度調節(jié)層之間的寬度最好0. 6 y m，所述高摻雜P+型電場強度調節(jié)層的厚度最好為0. I y m。本實用新型的結構主要由兩大部分組成塊狀大面積的吸收區(qū)域和亞微米柱結構的倍增區(qū)域。吸收區(qū)域的設計如下在高摻雜N+型襯底表面上設計厚度為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)設計厚度為0. I ii m的高摻雜P+層。P+層不僅可以為吸收層提供PN結耗盡區(qū)，提高入射光子的吸收，還起到調節(jié)亞微米柱倍增區(qū)域電場強度的作用，因此稱為P+型電場強度調節(jié)層。亞微米柱結構的倍增區(qū)域設計在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，設計0. 75 u m厚的二氧化硅層為鈍化層。隨后，正負電極分別設計在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，產生受激載流子。受激載流子在吸收區(qū)耗盡區(qū)電場的作用下以橫向運動的方式進入高電場的納米柱結構中，在高電場的加速作用下納米柱中載流子和晶格中原子價鍵相互作用產生碰撞電離，從而產生雪崩擊穿，以達到對微弱信號的檢測作用。此外，P+型電場強度調節(jié)層的設計使得納米柱內的電場分布會隨著光照的條件而明顯變化，實現(xiàn)了器件的光控雪崩功能。本實用新型通過半導體器件計算機輔助設計(CAD)模擬軟件模擬出上述結構的SMAPD的光電學特性。模擬結果表示，SMAPD的雪崩擊穿電壓(Vbr)會隨著光照條件的變化而改變，并且在光譜響應最強烈的時候Vbr最小，即當入射光功率密度越大，入射光吸收越強烈Vbr越小，Vbr越小。通過SMAPD在特定偏壓下的電場分布模擬分析，可以得知上述現(xiàn)象是由于器件亞微米柱底部的空穴勢阱造成的，此空穴勢阱是由P+型電場強度調節(jié)層形成的，其高低會影響到擊穿電壓的大小。而此空穴勢阱會隨著光照條件的改變而改變，導致SMAPD的擊穿電壓隨著光照條件的改變而變化?？昭▌葳迳疃入S著光照條件變化的原因是因為光照在吸收區(qū)開路的P+N_結耗盡層中產生光生電場，光生電場方向和吸收區(qū)中P+N_結內建電場方向相反，亞微米柱下方P+^結的總電場變小。光吸收越強，光照強度越大，對應的光生電場也越強，導致了亞微米柱下方P+N_結的總電場和空穴勢阱變化也越強烈，器件雪崩效應變化也越明顯。此外，本實用新型還在上述SMAPD的光控雪崩電壓特性基礎上，提出并且模擬出了器件光譜響應的超高紫外可見比。其原理如下假設入射光功率不變，SMAPD的偏壓為產生最大光生電場的入射光波長(對于4H-SiC，此波長大概為280 290nm)對應下的擊穿電壓，當入射光波長為280nm時，器件產生雪崩擊穿，光生電流非常大。而當入射光波長改變后(例如380nm)，SMAPD的Vbr變大，此時SMAPD的偏壓不足使器件產生雪崩擊穿，光生電流劇減。因此，器件光譜響應的紫外可見比將會大大的提高。同時，在4H_SiC SMAPD光控雪崩電壓特性的基礎上可以得知光照時器件的擊穿電壓是小于無光照時器件的擊穿電壓。本實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，設置器件工作電壓為此時的雪崩擊穿電壓，此時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，器件的雪崩擊穿狀態(tài)也將會隨著開關。從而便實現(xiàn)了 SMAro雪崩擊穿的自熄滅特性。本實用新型的結構適用于半導體材料硅(Si)，鋁鎵氮(AlGaN)，氧化鋅(ZnO)以及 碳化硅(SiC)。本實用新型采用4H-SiC材料進行實驗分析。

圖I為4H_SiC SMAPD器件結構示意圖。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，橫坐標為入射光功率密度(W/cm2)，縱坐標為雪崩擊穿電壓(V);入射光波長為280nm。圖3為4H_SiC SMAPD擊穿電壓隨入射光波長的變化曲線。在圖3中，橫坐標為入射光波長(nm)，縱坐標為雪崩擊穿電壓(V);入射光功率密度為1.0X10_4W/cm2。圖4為4H_SiC SMAH)和bulk ATO在各個入射光功率密度條件下光譜響應模擬圖。在圖5中，橫坐標為入射光波長(nm)，縱坐標為光響應(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，橫坐標為反向偏壓Vr (V)，縱坐標為反向電流(A/ u m);入射光波長和功率密度分別為280nm和I. 0 X 10_4W/cm2。
具體實施方式
參見圖1，本實用新型實施例設有高摻雜N+型襯底2，在高摻雜N+型襯底2上表面設有N—層3，在N—層3上表面兩側設有高摻雜P+型電場強度調節(jié)層4，在N—層3的中間部分上表面設有N型雪崩倍增層5，在N型雪崩倍增層5的上表面設有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(即器件的兩肩)分別設有氧化層6，在高摻雜N+型襯底2的下表面(即器件的背面)設有正電極1，在P+型的歐姆接觸層7的上表面設有金屬負電極8。設于f層3上表面兩側的高摻雜P+型電場強度調節(jié)層4之間的寬度最好0. 6 ii m，所述高摻雜P+型電場強度調節(jié)層4的厚度最好為0. I y m。4H-SiC SMAH)的結構主要由兩大部分組成塊狀大面積的吸收區(qū)域和亞微米柱結構的倍增區(qū)域。吸收區(qū)域的設計如下在高摻雜N+型襯底2層上設計厚度為9. 0 y m的非刻意摻雜N_層，再通過離子注入方法，在N_層3內表面(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+型電場強度調節(jié)層4。亞微米柱結構的倍增區(qū)域設計在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-層兩肩設計一層厚度為0. 75 y m的氧化層6起到鈍化保護作用。最后，在亞微米柱表面和器件背面設計金屬負電極8和正電極I。設計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。結構設計完成后，便通過半導體器件CAD模擬軟件模擬出4H-SiC SMAPD其光電特性。如圖2所示，通過半導體器件CAD模擬軟件模擬出入射光波長為280nm條件下，4H-SiCSMAPD擊穿電壓隨入射光功率密度的變化曲線?？梢钥闯?，在固定入射光波長的條件，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，通過半導體器件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的變化曲線?？梢钥闯?，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的改變大而明顯變化。其中在光譜響應最 大值對應下的波長光照(約290nm)，Vbr呈現(xiàn)最小值。這個結果現(xiàn)象為本實用新型中4H-SiCSMAPD特有的性質。如圖4所示，通過半導體器件CAD模擬軟件模擬出4H_SiC SMAPD在各個入射光功率密度條件下和傳統(tǒng)4H-SiC Aro的光譜響應模擬圖。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個數量級。這個結果現(xiàn)象為本實用新型中4H-SiC SMAH)特有的性質。如圖5所示，通過半導體器件CAD模擬軟件模擬出4H_SiC SMAPD的自熄滅特性分析圖。從圖5可以分析假設器件在有入射光照時的器件雪崩擊穿電壓Vbrl，假設無光照時候的器件雪崩擊穿電壓為Vbr2，此時Vbrl<Vbr2。設置器件的工作電壓為Vbrl，無光照時，Vbrl小于無光照時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??；當光照后，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；當光照停止后，器件的雪崩擊穿電壓又重新增大，恢復到之前的Vbr2，器件不處于擊穿狀態(tài)，反向電流大幅度減小，器件實現(xiàn)雪崩擊穿的自熄滅。這個結果現(xiàn)象為本實用新型中4H-SiC SMAPD特有的性質。
權利要求1.一種雪崩光電二極管,其特征在于設有高摻雜N+型襯底,在高摻雜N+型襯底上表面設有N-層，在N-層上表面兩側設有高摻雜P+型電場強度調節(jié)層，在N-層的中間部分上表面設有N型雪崩倍增層，在N型雪崩倍增層的上表面設有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分別設有氧化層，在高摻雜N+型襯底的下表面設有正電極，在P+型的歐姆接觸層的上表面設有金屬負電極。
2.如權利要求I所述的一種雪崩光電二極管，其特征在于設于N-層上表面兩側的高摻雜P+型電場強度調T1層之間的覽度0. 6 U m。
3.如權利要求I所述的一種雪崩光電二極管，其特征在于所述高摻雜P+型電場強度調節(jié)層的厚度為0. liim。
專利摘要一種雪崩光電二極管，涉及半導體光電二極管探測器件。提供一種具有超高紫外可見比的光控擊穿電壓亞微米柱紫外雪崩光電二極管。設有高摻雜N+型襯底，在高摻雜N+型襯底上表面設有N-層，在N-層上表面兩側設有高摻雜P+型電場強度調節(jié)層，在N-層的中間部分上表面設有N型雪崩倍增層，在N型雪崩倍增層的上表面設有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分別設有氧化層，在高摻雜N+型襯底的下表面設有正電極，在P+型的歐姆接觸層的上表面設有金屬負電極。
文檔編號H01L31/0352GK202487594SQ20122011223
公開日2012年10月10日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權日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 申請人:廈門大學