一種新型小傾角半臺(tái)面結(jié)構(gòu)的碳化硅雪崩光電二極管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新型小傾角半臺(tái)面結(jié)構(gòu)的碳化硅雪崩光電二極管，屬于半導(dǎo)體光 電子器件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 以碳化硅（SiC)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研宄和發(fā)展的新型 第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、導(dǎo)熱性能好、電子飽和漂移速度高以及化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu) 等特點(diǎn)，用于耐高溫、高效能的高頻大功率器件以及工作于紫外波段的光探測(cè)器件，具有顯 著的材料性能優(yōu)勢(shì)，其中SiC材料體系中的4H-SiC半導(dǎo)體，其禁帶寬度為3. 23eV，是制備可 見(jiàn)光盲紫外探測(cè)器（響應(yīng)邊<400nm)的優(yōu)選材料?；趯捊麕О雽?dǎo)體的光電探測(cè)器與傳統(tǒng) 的硅基紫外探測(cè)器和紫外光電倍增管相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，與硅基紫外探測(cè)器相比，寬禁 帶半導(dǎo)體紫外探測(cè)器具有：1.更高的靈敏度；2.可直接實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光盲甚至日盲操作、無(wú)需 加增濾光片；3.可在高溫、強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)勢(shì)；而紫外光電倍增管由于具有 體積大、工作電壓高、功耗和成本也非常高等缺點(diǎn)，限制了其在紫外探測(cè)和成像系統(tǒng)方面的 應(yīng)用。
[0003] 由于寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測(cè)器具有以上顯著的綜合優(yōu)勢(shì)，這一前沿技術(shù)近十年來(lái) 一直是國(guó)際化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域競(jìng)相研宄和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。在多種被發(fā)展的寬禁帶半導(dǎo)體紫外 探測(cè)器中，部分紫外探測(cè)器已經(jīng)趨向成熟，如：光導(dǎo)型、PIN和Schottky型紫外探測(cè)器，且市 場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了 SiC紫外探測(cè)器產(chǎn)品，主要用于工業(yè)領(lǐng)域的紫外輻射劑量和日照輻射指數(shù) 的測(cè)量。但是，對(duì)于許多核心和新興應(yīng)用領(lǐng)域，真正需要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)微弱紫外信號(hào)的快速測(cè) 量，這就意味著所用的半導(dǎo)體紫外探測(cè)器必須具有強(qiáng)烈的增益，滿足這一要求的理想器件 目前唯有基于SiC半導(dǎo)體的紫外雪崩光電探測(cè)器（APD)，高性能的AH)可具有納秒量級(jí)的響 應(yīng)速度、1〇 6以上的增益，甚至可在單光子探測(cè)模式下（Geiger模式）工作?？商綔y(cè)微弱紫 外信號(hào)的SiC AH)具有多方面的潛在核心應(yīng)用，主要包括：火災(zāi)報(bào)警、高壓電網(wǎng)和高鐵供電 線路上的電弧檢測(cè)、水質(zhì)和大氣環(huán)境中污染物的類型和濃度的在線監(jiān)測(cè)、化工和生化反應(yīng) 的光譜分析和過(guò)程檢測(cè)、以及天文研宄、醫(yī)學(xué)成像、高速流體分析、同步輻射、粒子探測(cè)以及 閃光照相等。
[0004] 和常規(guī)的光電二極管相比，雪崩光電二極管是具有內(nèi)部光電流增益的半導(dǎo)體光電 子器件，它利用光生載流子在二極管耗盡層內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得光電流的雪崩倍增。 雪崩光電二極管一般采用PIN結(jié)構(gòu)，其特征是在P和N半導(dǎo)體材料之間加入一層低摻雜的 本征（Intrinsic)半導(dǎo)體層；由于這一低摻雜本征層的存在，二極管在反向偏壓時(shí)，電壓幾 乎全部降落在深耗盡的I層上。其工作原理是：當(dāng)二極管被加上足夠高的反向偏壓時(shí)，耗 盡層內(nèi)運(yùn)動(dòng)的載流子就可能因碰撞電離效應(yīng)而獲得雪崩倍增；當(dāng)載流子的雪崩增益非常高 時(shí)，二極管就進(jìn)入到雪崩擊穿狀態(tài)，如圖1所示。由于碰撞電離效應(yīng)也可以引起光生載流子 的雪崩倍增，因而雪崩光電二極管可具有內(nèi)部的光電流增益。根據(jù)應(yīng)用需求，雪崩光電二極 管既可以工作在略低于雪崩擊穿電壓的狀態(tài)（線性模式），也可以工作在略高于雪崩擊穿 狀態(tài)（蓋革模式）。
[0005] 由于APD需要工作在電場(chǎng)模式下，因此，可靠的終端結(jié)構(gòu)（termination)的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn)是器件能夠穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，而這一要求對(duì)于基于SiC半導(dǎo)體材料的AH)則更為重要， 這是因?yàn)镾iC半導(dǎo)體發(fā)生雪崩擊穿所需要的臨界電場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的Si基或GaAs基半導(dǎo) 體。但是，由于SiC的器件工藝技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于Si基器件工藝技術(shù)，許多在Si基AH)制備 過(guò)程中較為成熟的終端結(jié)構(gòu)還無(wú)法在寬禁帶半導(dǎo)體Aro結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。例如：常用的保護(hù)環(huán) 和結(jié)終端擴(kuò)展（JTE)結(jié)構(gòu)都依賴于有效的離子注入或擴(kuò)散技術(shù)，而目前擴(kuò)散摻雜方法還無(wú) 法在SiC半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)；離子注入摻雜雖然已經(jīng)在SiC器件工藝中得到應(yīng)用，但所需的離子 注入條件（高溫）非常苛刻，且需要極高溫度的后退火處理進(jìn)行雜質(zhì)的激活。
[0006] 基于以上原因，現(xiàn)有的SiC APD都是采用一種稱為"小角度傾斜臺(tái)面"（small angle beveled mesa)的方法形成終端結(jié)構(gòu)。一個(gè)典型的器件結(jié)構(gòu)如圖2所示：外延層從上 到下分別為P+接觸層、P過(guò)渡層、i雪崩層和n接觸層。由于使用了導(dǎo)電的n型SiC襯底， 所以AH)器件可以采用n型背電極，即器件為上下電極垂直結(jié)構(gòu)。這一器件結(jié)構(gòu)的突出特 點(diǎn)就是需要使用光刻膠回流（reflow)工藝形成傾角很小的臺(tái)面。制作小傾角臺(tái)面的目的 是抑制臺(tái)面周圍的峰值電場(chǎng)，防止器件在高偏壓下發(fā)生提前擊穿。其大致的作用原理是：隨 著傾斜臺(tái)面向邊緣延伸，P+接觸層和P過(guò)渡層的厚度越來(lái)越薄，相應(yīng)的面電阻隨之增大；由 于串聯(lián)電阻效應(yīng)，在臺(tái)面邊緣的pn結(jié)兩端的實(shí)際偏壓就要比臺(tái)面中部區(qū)域的pn結(jié)兩端偏 壓要低；這樣，盡管臺(tái)面邊緣的電場(chǎng)聚集效應(yīng)仍然存在，但由于臺(tái)面邊緣有效偏壓的降低， 臺(tái)面邊緣的電場(chǎng)尖峰會(huì)被有效削弱。另外，傾斜臺(tái)面的傾角越小，在臺(tái)面邊緣的P+接觸層 和P過(guò)渡層的厚度變化區(qū)域越長(zhǎng)，降壓越緩慢越不容易出現(xiàn)電場(chǎng)尖峰。
[0007] 小角度傾斜臺(tái)面雖然可以有效抑制SiC AH)器件臺(tái)面邊緣的峰值電場(chǎng)，但也帶來(lái) 一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，就是APD器件的有效探測(cè)面積浪費(fèi)嚴(yán)重，填充因子（fill factor)偏小。如 上圖所示：具有小角度傾斜臺(tái)面的AH)器件，其傾斜臺(tái)面上邊緣和下邊緣之間的大面積傾 斜臺(tái)面區(qū)域都是不能發(fā)生雪崩離化的區(qū)域，即不能有效探測(cè)紫外光子的區(qū)域；該器件的填 充因子約等于圖中內(nèi)圓（傾斜臺(tái)面上邊緣）的面積除以外圓（傾斜臺(tái)面下邊緣）的面積。 從簡(jiǎn)單幾何學(xué)的角度上看，臺(tái)面的傾角越小，探測(cè)器的填充因子越小。因此，按以上分析，在 具有傾斜臺(tái)面的SiC AH)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，小傾角的實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)面邊緣峰值電場(chǎng)的抑制和對(duì) 器件填充因子的提升是互相矛盾的。值得指出的是，現(xiàn)有技術(shù)中存在一種偏見(jiàn)，認(rèn)為只有將 臺(tái)面由上至下從P+層跨越i層一直刻蝕到n接觸層才能使SiC APD臺(tái)面周圍的電場(chǎng)尖峰 得到有效的抑制，刻蝕深度淺了是達(dá)不到抑制效果的，因此，現(xiàn)有的傾斜臺(tái)面SiC AH)器件 都是按傳統(tǒng)臺(tái)面制作方式將臺(tái)面由上至下從P+層跨越i層一直刻蝕到n接觸層，而刻蝕深 度越大，小角度傾斜臺(tái)面所浪費(fèi)的芯片面積就愈多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中小角度傾斜臺(tái)面SiC AH)器件填充因子偏低、芯片面積浪費(fèi) 嚴(yán)重，臺(tái)面邊緣峰值電場(chǎng)的抑制和對(duì)器件填充因子的提升互相矛盾的問(wèn)題，本發(fā)明提供一 種新型小傾角半臺(tái)面結(jié)構(gòu)的碳化硅雪崩光電二極管。
[0009] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0010] -種新型小傾角半臺(tái)面結(jié)構(gòu)的碳化娃雪崩光電二極管，為n-i-p結(jié)構(gòu)或p-i-n結(jié) 構(gòu)；新型小傾角半臺(tái)面結(jié)構(gòu)的碳化硅雪崩光電二極管從頂部至i層上刻蝕有小角度傾斜臺(tái) 面，小角度傾斜臺(tái)面為上小下大的錐狀，小角度傾斜臺(tái)面的底角小于20°。
[0011] 小角度傾斜臺(tái)面用于器件隔離和消弱臺(tái)面邊緣的電場(chǎng)尖峰，小角度傾斜臺(tái)面底角 定義為小角度傾斜臺(tái)面的傾斜面與襯底平面之間的夾角，該傾斜角沿臺(tái)面邊緣一周的平均 值應(yīng)小于20°。上述n表示n型碳化娃半導(dǎo)體層，i表示i型碳化娃半導(dǎo)體層，p表示p型 碳化娃半導(dǎo)體層。
[0012] 申請(qǐng)人經(jīng)研宄意外發(fā)現(xiàn)：從SiC APD臺(tái)面邊緣的電場(chǎng)分布分析，在傾角固定的情 況下，臺(tái)面無(wú)論是延伸到i層還是延伸到下部摻雜層實(shí)際對(duì)臺(tái)面邊緣場(chǎng)的分布影響區(qū)別不 大；只要上部摻雜層的邊緣具有小傾角，串聯(lián)電阻效應(yīng)就可以發(fā)生，從而有效削弱臺(tái)面邊緣 電場(chǎng)尖峰；申請(qǐng)人分析，即使臺(tái)面深度延伸到下部摻雜層，即臺(tái)面將跨越很長(zhǎng)的i層，由于 傾斜臺(tái)面的i層部分上端本來(lái)就沒(méi)有導(dǎo)電摻雜層，相應(yīng)的擴(kuò)展電場(chǎng)本來(lái)就很低，所以這種 很深的臺(tái)面對(duì)臺(tái)面邊緣電場(chǎng)峰值的抑制作用很小。
[0013] 申請(qǐng)人通過(guò)上述改進(jìn)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中"認(rèn)為只有將臺(tái)面由上至下從P+層跨越 i層一直刻蝕到n接觸層才能使SiC APD臺(tái)面周圍的電場(chǎng)尖峰得到有效的抑制"的偏見(jiàn)，增 大了芯片有效面積，提高了小角度傾斜臺(tái)面SiC AH)器件的填充因子。
[0014] 本申請(qǐng)將現(xiàn)有技術(shù)刻蝕到n接觸層的臺(tái)面定義為全臺(tái)面，將本申請(qǐng)刻蝕到i層的 臺(tái)面定義為半臺(tái)面。
[0015] 為了進(jìn)一步減免電場(chǎng)尖峰的出現(xiàn)，小角度傾斜臺(tái)面的底角小于5°。由于現(xiàn)有技術(shù) 中誤認(rèn)為臺(tái)面必須刻蝕到n接觸層，因此，為了平衡臺(tái)面邊緣峰值電場(chǎng)的抑制和填充因子， 通常傾斜臺(tái)面的底角是大于5°的。
[0016] p-i-n結(jié)構(gòu)為：在n型導(dǎo)電SiC襯底上依次外延生長(zhǎng)n型SiC接觸層、i型SiC雪 崩層、P型SiC過(guò)渡層、和p+型SiC接觸層；然后利用光刻膠回流和等離子體干法刻蝕方法 由上至下形成小角度傾斜臺(tái)面，小角度傾斜臺(tái)面的深度達(dá)到i型SiC雪崩層即可；再對(duì)器件 進(jìn)行表面鈍化，形成鈍化層；最