一種SiC雪崩光電二極體及其製備方法與流程

2023-06-14 23:12:26 1

本發明涉及一種SiC雪崩光電二極體及其製備方法。

背景技術：

SiC是一種寬禁帶材料，禁帶寬度大於3eV，對應於紫外光譜。SiC雪崩光電二極體因為低暗電流，高的雪崩效應，具有非常高的電流增益，可以被用於探測單光子。因此，SiC雪崩光電二極體是一種非常好的單光子紫外光探測器。同時，APD二極體加低壓偏置的情況下，是一種非常好的紫外光電二極體。SiC雪崩光電的探測波長範圍為280nm附近，處於日盲區，在民用、軍用等多方面具有非常重要的應用價值。

目前，SiC雪崩光電二極體一般都是臺面結構，如圖1所示；利用線性傾斜的臺面作為結終端結構，結構簡單；正斜面的結終端可以有效降低器件邊緣電場集中現象，得到很低的暗電流和非常高的雪崩電流。但是這種結構也存在一些問題，由於刻蝕引起臺面側壁的缺陷較多，以及臺面頂部、底部的電場容易集中，往往容易造成臺面側壁引起的漏電和頂部、底部引起的提前擊穿和雪崩耐量小現象，影響器件的電流增益和探測效率。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在於提供一種SiC雪崩光電二極體，其採用了非線性傾斜的斜面，並通過工藝的優化改善了斜面的表面質量和形貌，最終避免了臺面頂部和斜面處漏電導致的低雪崩耐量現象的發生。本發明的另一目的在於提供一種製備本發明中SiC雪崩光電二極體的方法。

為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：

一種SiC雪崩光電二極體，所述SiC雪崩光電二極體的結終端結構為非線性傾斜的臺面；所述臺面的斜面與襯底平面之間的夾角由臺面的底部至頂部逐漸增大；所述斜面與襯底平面之間的夾角在臺面的底部為30-60°，在臺面的頂部為60-90°。

進一步，所述SiC雪崩光電二極體採用外延結構的pn二極體，所述外延結構為n++/n-/p+/buffer/n+sub或p++/p-/n+/buffer/n+sub；n+sub是指材料最下層的SiC襯底。

進一步，所述臺面的深度為刻蝕掉全部的n-或p-漂移層，過刻蝕進入p+或n+層。

進一步，當所述外延結構為n++/n-/p+/buffer/n+sub時，n++層摻雜濃度為1E19cm-3-1E20cm-3，厚度為100-300nm；n-層摻雜濃度為3E15-3E16cm-3，厚度為1000nm；p+層摻雜濃度為5E18-5E19cm-3，厚度為300-500nm；buffer層摻雜濃度可為1E18cm-3，厚度為1000nm。

一種製備SiC雪崩光電二極體的方法，所述方法包括如下步驟：

1)在SiC雪崩光電二極體的外延結構上澱積介質掩膜；然後對介質掩膜進行光刻、刻蝕，得到帶有一定傾角的掩膜層；

2)使用ICP方法進行刻蝕，先使用選擇比較低的條件進行刻蝕，得到臺面的斜面與襯底平面之間較小的夾角；然後逐漸改變工藝條件，增大選擇比，直至完成臺面的刻蝕；

3)對步驟2)中完成刻蝕的臺面進行高溫退火處理，高溫退火前用碳膜對材料表面進行保護；

4)用氧氣或氮氣等離子體去除步驟3)中的碳膜層，然後再進行犧牲氧化，氧化後用HF或BOE腐蝕去除臺面表面的損傷層；

5)採用熱氧化的方法對臺面進行鈍化，之後在NO或N2O的氣氛中進行退火；

6)澱積厚的鈍化層進行鈍化保護，去除臺面頂部電極窗口、入射窗口和底部電極窗口的介質，然後澱積抗反射層介質；

7)在臺面頂部和底部的電極窗口處分別澱積歐姆接觸金屬，並進行退火形成歐姆接觸；歐姆接觸完成後在窗口上做上互聯金屬。

進一步，步驟2)中臺面的深度需要刻蝕掉全部的n-或p-漂移層，過刻蝕進入p+或n+層。

進一步，步驟2)中所述選擇比的改變次數不小於兩次。

進一步，步驟3)中高溫退火的溫度在1700℃以上，時間為3min-30min；步驟4)中犧牲氧化的氧化厚度在10-50nm之間，氧化的方式可以為幹氧氧化或溼氧氧化。

進一步，步驟5)中熱氧化的氧化溫度在1200℃-1500℃之間，採用幹氧氧化。

本發明具有以下有益技術效果：

本發明的SiC雪崩光電二極採用了非線性傾斜的斜面，並通過工藝的優化改善了斜面的表面質量和形貌，最終避免了臺面頂部和斜面處漏電導致的低雪崩耐量現象的發生。

附圖說明

圖1為現有技術中SiC雪崩光電二極體結構的結構示意圖；

圖2為本發明的SiC雪崩光電二極體結構的結構示意圖；

圖3為本發明實施例的SiC雪崩光電二極體的外延結構的結構示意圖；

圖4為本發明實施例的SiC雪崩光電二極體製備過程中得到掩膜層後的結構示意圖；

圖5為本發明實施例的SiC雪崩光電二極體製備過程中刻蝕、高溫退火處理後的結構示意圖；

圖6為本發明實施例的SiC雪崩光電二極體製備過程中熱氧化後的結構示意圖；

圖7為本發明實施例的SiC雪崩光電二極體製備過程中開窗後的結構示意圖；

圖8為本發明實施例的SiC雪崩光電二極體製備完成後的結構示意圖。

具體實施方式

下面，參考附圖，對本發明進行更全面的說明，附圖中示出了本發明的示例性實施例。然而，本發明可以體現為多種不同形式，並不應理解為局限於這裡敘述的示例性實施例。而是，提供這些實施例，從而使本發明全面和完整，並將本發明的範圍完全地傳達給本領域的普通技術人員。

如圖2所示，本發明提供了一種SiC雪崩光電二極體，該SiC雪崩光電二極體的結終端結構為非線性傾斜的臺面；臺面的斜面與襯底平面之間的夾角由臺面的底部至頂部逐漸增大；斜面與襯底平面之間的夾角在臺面的底部為30-60°，在臺面的頂部為60-90°。

SiC雪崩光電二極體採用外延結構的pn二極體，外延結構為n++/n-/p+/buffer/n+sub或p++/p-/n+/buffer/n+sub；n+sub是指材料最下層的SiC襯底。一般選用導電型襯底，質量高，費用低。

臺面的深度為刻蝕掉全部的n-或p-漂移層，過刻蝕進入p+或n+層。

當所述外延結構為n++/n-/p+/buffer/n+sub時，n++層摻雜濃度為1E19cm-3-1E20cm-3，厚度為100-300nm；n-層摻雜濃度為3E15-3E16cm-3，厚度為1000nm；p+層摻雜濃度為5E18-5E19cm-3，厚度為300-500nm；buffer層摻雜濃度可為1E18cm-3，厚度為1000nm。其中p+層濃度可以是非均勻的，如在靠近表面歐姆接觸的區域濃度可以比其他區域更高，利於形成更好的歐姆接觸

本發明還提供了一種製備SiC雪崩光電二極體的方法，該方法包括：

1)在SiC雪崩光電二極體的外延結構上澱積介質掩膜；然後對介質掩膜進行光刻、刻蝕，得到帶有一定傾角的掩膜層；

2)使用ICP方法進行刻蝕，先使用選擇比較低的條件進行刻蝕，得到臺面的斜面與襯底平面之間較小的夾角；然後逐漸改變工藝條件，增大選擇比，直至完成臺面的刻蝕；

3)對步驟2)中完成刻蝕的臺面進行高溫退火處理，高溫退火前用碳膜對材料表面進行保護；高溫退火處理可以使刻蝕引起的斜面或底部的粗糙部分變得平滑，消除刻蝕產生的各種缺陷和表面的粗糙。

4)用氧氣或氮氣等離子體去除步驟3)中的碳膜層，然後再進行犧牲氧化，氧化後用HF或BOE腐蝕去除臺面表面的損傷層；

5)採用熱氧化的方法對臺面進行鈍化，之後在NO或N2O的氣氛中進行退火；熱氧化層可以很好的對表面進行鈍化保護，特別是對刻蝕形成的臺面側壁，減少由於表面過多的界面陷阱引起的漏電流。

6)澱積厚的鈍化層進行鈍化保護，去除臺面頂部電極窗口、入射窗口和底部電極窗口的介質，然後澱積抗反射層介質；在臺面頂部的入射光窗口的抗反射層，可以利用入射反射光在介質表面的幹涉相消現象，減少入射光的反射，提高探測效率。

7)在臺面頂部和底部的電極窗口處分別澱積歐姆接觸金屬，並進行退火形成歐姆接觸；歐姆接觸完成後在窗口上做上互聯金屬。頂部和底部的電極窗口處澱積的歐姆接觸金屬可以是相同的也可以是不同的，可以一次退火也可以分成兩次退火。

其中，步驟2)中臺面的深度需要刻蝕掉全部的n-或p-漂移層，過刻蝕進入p+或n+層。步驟2)中所述選擇比的改變次數不小於兩次。步驟2)中選擇比與臺面傾角之間的計算公式為：

tan(β)＝k*tan(α)

式中：k為選擇比，即刻蝕SiC的速率與SiO2的速率比；α為掩膜的傾角，β即為臺面的傾角；所述選擇比的值根據工藝條件不同在0.1-6之間。

步驟3)中高溫退火的溫度在1700℃以上，時間為3min-30min；步驟4)中犧牲氧化的氧化厚度在10-50nm之間，氧化的方式可以為幹氧氧化或溼氧氧化。步驟5)中熱氧化的氧化溫度在1200℃-1500℃之間，採用幹氧氧化。

下面結合實施例對本發明的製備SiC雪崩光電二極體的方法作進一步說明：

本實施例中選用n++/n-/p+/buffer/n+sub(襯底)的外延結構，其他的外延結構具有相同的道理。

如圖3所示，n++/n-/p+/buffer/n+sub外延結構的濃度與厚度可以是：n+層摻雜濃度為5E19cm-3，厚度為150nm；n-層摻雜濃度為1E16cm-3，厚度為1000nm；p+層摻雜濃度為1E19cm-3，厚度為400nm；buffer層摻雜濃度可為1E18cm-3，厚度為1000nm。

如圖4所示，澱積介質掩膜，介質掩膜可以是SiO2，厚度約為1.5μm。對介質掩膜進行光刻、刻蝕，得到帶有一定傾角的掩膜層。

如圖5所示，採用ICP方法刻蝕SiC，先用選擇比比較低(即SiC的刻蝕速率比SiO2的刻蝕速率較小)的條件進行刻蝕，得到比較小的傾角，大概在30°-60°之間，然後再逐漸改變工藝條件，用選擇比比較高的條件，得到傾角比較大的臺面。中間過程可進行2次及以上的工藝條件改變。臺面刻蝕完成後，為改善刻蝕產生的各種缺陷和表面的粗糙，包括改善猶豫改變工藝條件產生的表面的折角，進行高溫退火處理，高溫退火前用碳膜對材料表面進行保護，高溫退火的溫度在1700℃以上，時間約10min。

如圖6所示，高溫退火後，用氧氣或氮氣等離子體去除碳膜層，然後再進行犧牲氧化。氧化厚度在約20nm，方式為溼氧氧化，氧化後用HF或BOE腐蝕去除。犧牲氧化可以去除表面的損傷層。然後熱氧化進行鈍化。氧化溫度約1350℃，採用幹氧氧化，氧化後在NO或N2O氣氛中進行退火。熱氧化層可以很好的對表面進行鈍化保護，特別是對刻蝕形成的臺面側壁。

如圖7所示，澱積厚的鈍化層進行鈍化保護，去除臺面頂部電極和入射窗口的介質和臺面底部電極窗口處的介質，澱積抗反射層介質。抗反射介質層的厚度跟據光波長的相消幹涉計算得到。去除臺面頂部和臺面底部電極窗口處的介質。

如圖8所示，在臺面頂部和底部的p+層和n+層電極窗口處分別澱積歐姆接觸金屬，並進行退火形成歐姆接觸。p+層和n+層的歐姆接觸金屬可以是相同的也可以是不同的，這裡選擇用Ni/Ti/Al，澱積完後一次退火同時形成歐姆接觸。歐姆接觸完成後在窗口上做上互聯金屬。

上面所述只是為了說明本發明，應該理解為本發明並不局限於以上實施例，符合本發明思想的各種變通形式均在本發明的保護範圍之內。