分離吸收層與倍增層結(jié)構(gòu)的低壓4H-SiC雪崩光電探測(cè)器及其p型歐姆接觸的研究.pdf

1、紫外微弱光信號(hào)和單光子信號(hào)的探測(cè)主要應(yīng)用于激光誘導(dǎo)熒光性生物報(bào)警系統(tǒng)、非線性光線隱蔽通訊、非破壞性物質(zhì)分析、高能物理、光時(shí)域反射和空氣污染超高靈敏度探測(cè)等領(lǐng)域，它要求探測(cè)器具有高量子效率、低暗電流、低的過剩噪聲和可見盲等特性，4H-SiC雪崩光電探測(cè)器(APD)是惟一能夠滿足這些要求的器件。 近年來，國(guó)際上已有研究小組對(duì)4H-SiC APDs進(jìn)行制備和研究，但所設(shè)計(jì)的.APD結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，一般由PN結(jié)或者PIN結(jié)構(gòu)成，不能有效地

2、解決吸收層厚度對(duì)高量子效率、快響應(yīng)速率和低擊穿電壓之間相互限制的矛盾；而已報(bào)道的分離吸收層與倍增層(SAM)結(jié)構(gòu)4H-SiC APDs的擊穿電壓過大；另外，對(duì)于金屬與p型4H-SiC接觸，其一般形成大的勢(shì)壘高度，因此制備具有低歐姆接觸電阻率的4H-SiC p型歐姆接觸比較困難。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)4HoSiC.APDs的相關(guān)報(bào)道。針對(duì)以上問題，本文主要開展了以下幾方面的工作，并取得了較好的結(jié)果。 1.根據(jù)APD的結(jié)構(gòu)特性和4

3、H-SiC的材料特性設(shè)計(jì)了高響應(yīng)度、低擊穿電壓的SAM結(jié)構(gòu)4H-SiC APD。從理論上分析了p+層和耗盡區(qū)的不同厚度對(duì)器件光譜響應(yīng)和時(shí)間響應(yīng)的影響，綜合考慮光譜響應(yīng)、時(shí)間響應(yīng)和擊穿電壓等因素對(duì)4H-SiC APD外延片參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2.成功制備了工作在低擊穿電壓下的SAM結(jié)構(gòu)4H-SiC APDs，并采用自行設(shè)計(jì)的紫外光電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)所制備器件的光電流、暗電流和光譜響應(yīng)等進(jìn)行測(cè)試與分析。從APDs的反向I.V特性可以看出，

4、器件的擊穿電壓(Vb)和穿通電壓分別為-55 V和-27.5V。在穿通電壓前，器件的暗電流基本保持在十幾pA，當(dāng)反向偏壓增大到50 V(約90％Vb)時(shí)，其暗電流約為60 nA，此時(shí)器件的倍增因子達(dá)到1.8×104。對(duì)器件在0～35 V偏壓下的光譜響應(yīng)和量子效率的測(cè)試結(jié)果分析表明，在零偏壓下，在270 nm峰值波長(zhǎng)下獲得最大光譜響應(yīng)度約為0.070 A/W，相應(yīng)的量子效率為32.6％，據(jù)我們所知，此結(jié)果是目前所報(bào)道的4H-SiC APD

5、s低壓下獲得的最大量子效率。并且，在零偏壓下器件的紫外可見比約為三個(gè)數(shù)量級(jí)，其歸一化探測(cè)率最大值約為6.0×1013 cmHz1/2W-1，相應(yīng)的噪聲等效功率約為3.75×10-16 W。當(dāng)反向偏壓從0 V增大到35 V時(shí)，器件光譜響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)由270 nm移動(dòng)到280 nm，且響應(yīng)度增強(qiáng)為0.077 A/W，對(duì)應(yīng)的外量子效率為35％，同時(shí)在短波長(zhǎng)處(220～260 nm)器件的響應(yīng)度增強(qiáng)比較明顯，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是在p+層吸收短

6、波長(zhǎng)產(chǎn)生的光生載流子復(fù)合減小所致?？傊?，本文制備的SAM結(jié)構(gòu)4H-SiC APDs在較低的擊穿電壓下獲得了較好的紫外光探測(cè)性能。 3.為了提高4H-SiC p型歐姆接觸的性能，對(duì)一組Al基多層金屬制備的4H-SiC p型歐姆接觸進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝制備完成了四種Al基4H-SiC p型歐姆接觸，分別為：Ti(1200 A)/Al(600 A)/Au(850 A)、Al(1200 A)/Ti(600 A)/Au(

7、850 A)、Ti(600A)/Al(1 200 A)/Au(850 A)和Al(600 A)/Ni(600 A)/Al(400 A)/Au(850 A)，并通過線性傳輸線方法(LTLM)對(duì)其比接觸電阻進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金屬構(gòu)成和厚度分別為Ti(600A)/Al(1200 A)/Au(850 A)的最佳條件下，獲得最低的比接觸電阻率約為3.6×10-5Ωcm2，同時(shí)測(cè)得4H.SiC/Ti(1200 A)/Al(600 A)/Au(85

8、0 A)經(jīng)930℃退火后形成歐姆接觸的比接觸電阻率約為4.2×10-4Ωcm2。為了更好地了解歐姆接觸形成的機(jī)理，找出影響歐姆接觸性能的主要因素，選擇了Ti(1200 A)/Al(600 A)/Au(850 A)結(jié)構(gòu)的歐姆接觸，分別采用掃描電子顯微鏡(SEM)、俄歇電子能譜(AES)、X射線光電子能譜(XPS)和X射線衍射譜(XRI)等進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果表明，在高溫退火過程中金屬之間以及金屬/4H-SiC之間反應(yīng)生成的TiC、TiAl3