一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器及其制备方法

本发明涉及紫外光电探测器，尤其涉及一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器及其制备方法。

背景技术：

1、随着紫外线在国防领域、工业制造、光刻技术、医疗卫生消毒、环境监测等方面都得到了越来越广泛的应用，紫外光波段信号的探测技术逐渐成为光电器件领域的研究热点，不同类型与工作原理的紫外光电探测器逐渐被研制，其中具有低电压、体积小、寿命长等优良特性的半导体材料紫外光电探测器成为了研究重点。

2、目前，主流的紫外波段信号的半导体探测技术主要采取硅基探测器，但是在高能量光子辐射、高温等恶劣工作环境中，硅基探测器的性能会大幅度降低，并且可能出现探测器损坏的情况。此外，单晶硅禁带宽度小，硅基探测器工作时会受到可见光的影响，需要采用滤波片过滤其它波段的信号，增加探测器的成本和体积。宽禁带半导体光电探测器则可以准确检测到紫外信号，碳化硅作为第三代宽禁带半导体的主要材料，具有宽带隙、高击穿电场、高载流子饱和速率，高热导率等优良特性，因此碳化硅基的紫外光电探测器具有高量子效率、可见盲、抗辐射、抗高温等优良性质。碳化硅基的紫外光电探测器一般有肖特基、msm、p-i-n和apd四种结构，其中apd结构的紫外光电探测器具有高增益、响应度高、量子效率高等优点。然而，由于传统sacm结构apd中电荷层掺杂浓度高，对光生载流子的漂移会起到一定的阻挡作用，导致探测器容易提前击穿，很难实现高光谱响应度和量子效率的雪崩倍增光电探测。因此，如何优化传统sacm结构apd的器件结构，使得探测器的光谱响应度和量子效率得到提升成为碳化硅紫外雪崩光电探测器研究新的方向。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提出一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器及其制备方法，探测器的光谱响应度和外量子效率相比传统碳化硅sacm紫外雪崩光电探测器可有效提升，同时探测器的暗电流相比传统碳化硅sacm紫外雪崩光电探测器有所降低。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器，包括碳化硅高掺杂n+型衬底，在碳化硅高掺杂n+型衬底的中心向上设圆柱状碳化硅低掺杂n-型吸收层，在圆柱状碳化硅低掺杂n-型吸收层中设大面积的圆柱管状碳化硅高掺杂p+型电场强度调节层，形成p+/n-的pn结，提供具有内建电场的空间耗尽区，用于光生载流子的产生和分离；在圆柱状碳化硅低掺杂n-型吸收层的中心向上设小面积的圆柱状碳化硅n型电荷层用于对雪崩电场的调制；在圆柱状碳化硅n型电荷层上设碳化硅低掺杂p-型倍增层用于光生载流子的倍增；在碳化硅低掺杂p-型倍增层上设碳化硅高掺杂p+型欧姆接触层用于光生载流子的收集；圆柱状碳化硅n型电荷层、碳化硅低掺杂p-型倍增层和碳化硅高掺杂p+型欧姆接触层构成微米柱结构，在微米柱结构侧面及圆柱状碳化硅低掺杂n-型吸收层上表面设有宽禁带钝化隔离层，在碳化硅高掺杂p+型欧姆接触层上表面设有p+型欧姆接触电极，圆柱管状碳化硅高掺杂p+型电场强度调节层部分上表面设有p+型环形欧姆接触电极，碳化硅高掺杂n+型衬底的背面设有n+型欧姆接触电极。

4、所述具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器的纵截面宽度可为100μm～200μm；所述n+型衬底可采用商业型的n+导电衬底，衬底的掺杂浓度量级可为1018/cm3～1019/cm3，厚度可为50μm～800μm；所述n-型吸收层、n型电荷层、p-型倍增层、p+型欧姆接触层和p+型电场调节层的掺杂浓度量级可分别为1014/cm3～1016/cm3、1017/cm3～1018/cm3、1015/cm3～1016/cm3、1018/cm3～1019/cm3和1018/cm3～1019/cm3，厚度可分别为1μm～3μm、100nm～200nm、300nm～800nm、200nm～500nm和100nm～200nm。

5、所述微米柱结构侧面及n-型吸收层上表面的钝化隔离层可为二氧化硅或氧化铪等宽禁带钝化隔离介电材料，厚度可为10nm～2μm。

6、本发明整个器件具有p+型欧姆接触电极和p+型环形欧姆接触电极，一个设于p+型欧姆接触层上实现雪崩光电二极管的两极穿通，一个设于p+型电场调节层上用于提高p+/n-结的内建电场，加速光生载流子的漂移。

7、所述具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

8、1)对碳化硅高掺杂n+型衬底进行rca标准清洗；

9、2)在碳化硅高掺杂n+型衬底上外延生长碳化硅低掺杂n-型吸收层；

10、3)在碳化硅低掺杂n-型吸收层上外延生长碳化硅n型电荷层；

11、4)在碳化硅n型电荷层上外延生长碳化硅低掺杂p-型倍增层；

12、5)在碳化硅低掺杂p-型倍增层上外延生长碳化硅高掺杂p+型欧姆接触层；

13、6)对微米柱结构以外的外延层进行刻蚀，刻蚀到碳化硅低掺杂n-型吸收层停止；

14、7)采用沉积、光刻、刻蚀、离子注入与高温退火技术在n-型吸收层中形成大面积的圆柱管状碳化硅高掺杂p+型电场强度调节层；

15、8)采用热氧化和pecvd技术在微米柱结构侧面及n-型吸收层上表面形成二氧化硅或氧化铪等宽禁带钝化隔离层；

16、9)采用光刻、磁控溅射和退火技术在高掺杂p+型欧姆接触层表面、p+型电场强度调节层和n+型衬底底部分别制备p+型欧姆接触电极、p+型环形欧姆接触电极和n+型欧姆接触电极。

17、现有技术的常规垂直sacm结构碳化硅紫外雪崩光电探测器，虽然可以实现低雪崩电压的紫外探测，但由于n型电荷层掺杂浓度高，对光生载流子的漂移会起到一定的阻挡作用，导致探测器容易提前击穿，很难实现高光谱响应度和量子效率的雪崩倍增光电探测。

18、与现技术相比，本发明技术方案取得的有益效果是：

19、本发明设计的具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器由肩部两个大面积的p-i-n结构和中间一个小面积的sacm微米柱结构组成，sacm微米柱结构和p-i-n结构的电场相互连接和耦合，p-i-n内产生的光生载流子可被横向电场加速漂移至sacm微米柱结构中，在高电场的加速作用下，微米柱中的载流子和晶格中原子价键相互作用产生碰撞电离，从而产生雪崩击穿，实现了对微弱紫外信号的倍增探测，避免光生载流子复合问题，提高光生载流子收集效率；同时，由于本发明所设计的探测器具有大面积的吸收区域和小面积的雪崩区域，所以探测器的暗电流相比于传统sacm结构雪崩光电探测器会有所降低。上述探测器可以有效提高传统碳化硅sacm雪崩光电探测器的光谱响应度和量子效率，降低传统碳化硅sacm雪崩光电探测器的暗电流，并且可以有效抑制传统雪崩光电探测器提前击穿的问题。

技术特征：

1.一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器，其特征在于：包括碳化硅高掺杂n+型衬底，在碳化硅高掺杂n+型衬底的中心向上设圆柱状碳化硅低掺杂n-型吸收层，在圆柱状碳化硅低掺杂n-型吸收层中设大面积的圆柱管状碳化硅高掺杂p+型电场强度调节层，形成p+/n-的pn结，提供具有内建电场的空间耗尽区，用于光生载流子的产生和分离；在圆柱状碳化硅低掺杂n-型吸收层的中心向上设小面积的圆柱状碳化硅n型电荷层用于对雪崩电场的调制；在圆柱状碳化硅n型电荷层上设碳化硅低掺杂p-型倍增层用于光生载流子的倍增；在碳化硅低掺杂p-型倍增层上设碳化硅高掺杂p+型欧姆接触层用于光生载流子的收集；圆柱状碳化硅n型电荷层、碳化硅低掺杂p-型倍增层和碳化硅高掺杂p+型欧姆接触层构成微米柱结构，在微米柱结构侧面及圆柱状碳化硅低掺杂n-型吸收层上表面设有宽禁带钝化隔离层，在碳化硅高掺杂p+型欧姆接触层上表面设有p+型欧姆接触电极，圆柱管状碳化硅高掺杂p+型电场强度调节层部分上表面设有p+型环形欧姆接触电极，碳化硅高掺杂n+型衬底的背面设有n+型欧姆接触电极。

2.如权利要求1所述一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器，其特征在于：整个器件由肩部两个大面积的p-i-n结构和中间一个小面积的微米柱结构组成，微米柱结构和p-i-n结构的电场相互连接和耦合，p-i-n内产生的光生载流子被横向电场加速漂移至微米柱结构中，在高电场的加速作用下，微米柱中的载流子和晶格中原子价键相互作用产生碰撞电离，从而产生雪崩击穿，实现对微弱紫外信号的倍增探测，避免光生载流子复合，提高光生载流子收集效率。

3.如权利要求1所述一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述碳化硅高掺杂p+型欧姆接触层的宽度为10μm～20μm，厚度为200nm～500nm，掺杂浓度量级为1018/cm3～1019/cm3。

4.如权利要求1所述一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述碳化硅低掺杂p-型倍增层的宽度为10μm～20μm，厚度为300nm～800nm，掺杂浓度量级为1015/cm3～1016/cm3。

5.如权利要求1所述一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述圆柱状碳化硅n型电荷层的宽度为10μm～20μm，厚度为100nm～200nm，掺杂浓度量级为1017/cm3～1018/cm3。

6.如权利要求1所述一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述圆柱管状碳化硅高掺杂p+型电场强度调节层的宽度为40μm～80μm，厚度为100nm～200nm，掺杂浓度量级为1018/cm3～1019/cm3。

7.如权利要求1所述一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述圆柱状碳化硅低掺杂n-型吸收层的宽度为100μm～200μm，厚度为1μm～3μm，掺杂浓度量级为1014/cm3～1016/cm3。

8.如权利要求1所述一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述碳化硅高掺杂n+型衬底的宽度为100μm～200μm，厚度为50μm～800μm，掺杂浓度量级为1018/cm3～1019/cm3。

9.如权利要求1所述一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述宽禁带钝化隔离层的厚度为10nm～2μm。

10.权利要求1～9任一项所述一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

技术总结
一种具有微米柱结构的碳化硅紫外雪崩光电探测器及其制备方法，在碳化硅高掺杂n+型衬底中心向上设圆柱状碳化硅低掺杂n‑型吸收层，在n‑型吸收层中设大面积圆柱管状碳化硅高掺杂p+型电场强度调节层，在n‑型吸收层中心向上设小面积圆柱状碳化硅n型电荷层，n型电荷层上设碳化硅低掺杂p‑型倍增层，p‑型倍增层上设碳化硅高掺杂p+型欧姆接触层，微米柱结构侧面及n‑型吸收层上表面设钝化隔离层，p+型欧姆接触层上表面设有p+型欧姆接触电极，p+型电场强度调节层部分上表面设p+型环形欧姆接触电极，n+型衬底的背面设n+型欧姆接触电极。探测器的光谱响应度和外量子效率有效提升，同时探测器的暗电流有所降低。

技术研发人员：张峰,刘佳,付钊,李子豪
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27