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大面積碳化硅紫外可見(jiàn)盲雪崩光電二極管

發(fā)布時(shí)間:2018-11-01 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】河北半導(dǎo)體研究所報(bào)道了一種大面積800μm直徑的4H-多型碳化硅(SiC)紫外(UV)雪崩光電二極管(APD),其具有高增益(106),高量子效率(81.5%)和低暗電流強(qiáng)度,紫外/可見(jiàn)光抑制比高達(dá)103。在本研究中,第一次使用可變溫度光致抗蝕劑回流技術(shù)來(lái)產(chǎn)生平滑的斜面?zhèn)缺?,其抑制漏電流并避免過(guò)早的邊緣擊穿。
 
紫外檢測(cè)在天文學(xué),通信和生化分析上都有廣泛的應(yīng)用;在熒光實(shí)驗(yàn)和火焰中也會(huì)發(fā)射出UV線;軍事警告和制導(dǎo)系統(tǒng)可以使用可見(jiàn)盲的紫外線感應(yīng)來(lái)引導(dǎo)或跟蹤導(dǎo)彈羽流。
 
在現(xiàn)有的SiC UV APD中,當(dāng)其在較大的反向偏壓下存在大的暗電流和過(guò)早擊穿的問(wèn)題。這使得目前典型的SiC UV APD直徑限制在250μm以下,降低了檢測(cè)靈敏度。研究人員將其研究出的這種大面積SiC UV APD設(shè)備視為笨重,脆弱且昂貴的光電倍增管的潛在替代品。
 
如圖1,外延結(jié)構(gòu)由3μm重?fù)诫sp型(p+),0.5μm輕摻雜n型倍增(n-),0.2μm n電荷,0.5μm n-吸附和0.3μm n+接觸層組成。
 
大面積碳化硅紫外可見(jiàn)盲雪崩光電二極管
圖1:(a)4H-SiC APD的示意性橫截面結(jié)構(gòu);(b)光刻膠回流技術(shù)的溫度變化和800μm直徑4H-SiC APD的斜面臺(tái)面和(插圖)頂視圖照片。
 
其制造開(kāi)始于電感耦合等離子體(ICP)臺(tái)面蝕刻。 其間,臺(tái)面傾斜以避免邊緣擊穿效應(yīng);用于臺(tái)面蝕刻的厚光刻膠經(jīng)回流工藝,其中晶片以5℃/分鐘的速率從90℃升溫至145℃。
 
可變化的溫度提供一個(gè)平滑的斜面,這不同于145°C的固定溫度回流30秒,那樣會(huì)導(dǎo)致鋸齒形表面。而鋸齒表面會(huì)增加暗電流,導(dǎo)致過(guò)早擊穿。其原因研究人員提出,固定溫度回流會(huì)產(chǎn)生不均勻的熱場(chǎng),光致抗蝕劑的表面張力和回流速度會(huì)發(fā)生空間變化,從而產(chǎn)生觀察到的表面粗糙度。通過(guò)測(cè)量,可變溫度回流生產(chǎn)的APD可在156V附近保持一致的高擊穿值,但使用固定溫度回流產(chǎn)生的APD的測(cè)量值在100-150V范圍內(nèi)變化很大。
 
進(jìn)一步的生產(chǎn)環(huán)節(jié)包括應(yīng)用200nm熱氧化物和100nm等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)氮化硅鈍化,ICP和濕化學(xué)接觸蝕刻,鎳/鈦/鋁/金金屬觸點(diǎn)的電子束蒸發(fā),以及850° C中金屬接觸在氮?dú)庵型嘶鹑昼?。此時(shí)完成的裝置直徑為800μm,臺(tái)面斜角小于8°。
 
通過(guò)140V和150V反向偏壓的暗電流測(cè)量,研究人員發(fā)現(xiàn)電流是二次取決于直徑,表明通過(guò)邊緣狀態(tài)的體泄漏而不是表面泄漏。 對(duì)于800μm直徑器件,對(duì)于低反向偏壓,暗電流為1pA(0.2nA/cm2)。
 
圖2所示,對(duì)于365nm紫外線,成倍增益因子超過(guò)106,超過(guò)了10V反向偏壓下的“單位增益”值。在氙燈下,在274nm波長(zhǎng)下,具有140V反向偏壓(4.2增益)的響應(yīng)峰值為0.18A/W,相應(yīng)的外量子效率計(jì)算為81.5%。在274nm和400nm處的響應(yīng)比,UV /可見(jiàn)光抑制比大于103。
 
大面積碳化硅紫外可見(jiàn)盲雪崩光電二極管
圖2:800μm直徑4H-SiC APD的紫外檢測(cè)性能:(a)電流 - 電壓測(cè)量和計(jì)算的成倍增益; (b)對(duì)應(yīng)于140V反向電壓下的單位增益的光譜響應(yīng)。
 
直徑為800μm的器件的增益,量子效率和暗電流性能與小于300μm的APD相當(dāng)。
 
 
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