具有小面积雪崩区域和大面积吸收区域的SACM结构4H-SiC紫外雪崩光电探测器的研究

In this work, according to the factors affecting the performance of SiC detector, we are going to design a novel photodiode structure and optimize the fabrication technology to suppress the dark current and improve the detectivity. we will study the performance of separated-avalanche-charge -multiplicaiton (SACM) 4H-SiC UV avalanche photodiode (APD) with small avalanche area and large absorption area. To reduce the premature breakdown effect of defect on the device, small area APD could be used. However, to make sure the enough absorption of the photons, the large area APD should be applied. Therefor, the novel SACM stucture of the 4H-SiC UV avalanche photodiode with samll avalanche area and large absorption area will decrease significantly the possibility of the premature breakdown of the 4H-SiC APD without weakening the absorption of the photons. And the exist of the charge layer could lower substantially the function voltage of the APD. Meanwhile, for reducing dark current, improving the incidence light and providing stable passivation, the P-type 4H-SiC ohmic contact and the SiOX/Al2O3 dual layers as an passivation/anti-reflection layer will be studied as well. The expected 4H-SiC APD will have low dark current, high photoresposivity, detectivity and high UV/visible rejection ratio. And the qualified rate of the APD is expected to reach a higher level.

本项目综合考虑影响SiC探测器性能的诸多因素，通过芯片结构的理论设计和制备工艺的优化，着重研究抑制探测器暗电流和提高探测率的方法。主要开展具有小面积雪崩区域和大面积吸收区域的雪崩-吸收-电场调节-分离结构4H-SiC紫外雪崩光电探测器（APD）的研究。由于SiC本身材料缺陷的局限性，导致了SiC APD容易提前击穿，成品率下降。小面积器件可以降低缺陷的影响。然而为了充分吸收光信号，又需要尽可能地增大器件面积。本项目提出的具有小面积雪崩区域和大面积吸收区域的4H-SiC APD可在不影响器件对光信号的吸收前提下，极大幅度地减小材料缺陷对器件的影响。此外，电场调节层的引入可大幅度降低器件的工作电压。同时进行P型4H-SiC的欧姆接触与氧化硅/氧化铝复合钝化/抗反射层的研究，以减小漏电流、提高光入射并实现器件的良好隔离。预期研制探测器将达到较高合格率，具有较低漏电流、较高光响应度和探测率。

基于传统的p-i-n结构和吸收-倍增-分离(SAM)结构的4H-SiC紫外光电探测器，设计了一种倍增区域较小而吸收区域较大的新型4H-SiC紫外光电探测器，具有传统p-i-n探测器和SAM雪崩探测器的共同优势并消除其两者的劣势。开展小雪崩面积的雪崩-电荷-吸收-分离（SACM）结构的雪崩探测器（APD）的制备研究，实现具有小雪崩击穿工作电压和高性能的紫外APD以及对微弱紫外信号的探测。开展了外延芯片模拟结构优化，暗电流抑制，提高器件探测率，实现良好的p型接触，抗反射透明电极等研究内容。优化器件电荷层和倍增层的掺杂浓度和厚度，仿真了具有小雪崩击穿电压和高响应度的器件结构。利用热氧化生长二氧化硅和PECVD生长二氧化硅在不同电场下的漏电钝化保护特性，优化了钝化膜的结构和生长条件，有效地抑制了暗电流。研发了针对本项目的特殊光刻工艺，实现了小于8°的器件台面斜坡结构，降低了器件边缘的电场强度，避免了器件的边缘击穿，进一步降低器件暗电流，改善了器件的电流电压特性，从而提高了器件的探测率。为了提高紫外光入射效率，本项目还对TiO2:Nb材料、光子晶体和电热解生长石墨烯进行了研究，为器件的抗反射透明电极进行了探索研究，结果表明这些方法可以较好地减小部分紫外波段的反射。.通过三年的研发，完成了小雪崩面积的碳化硅SACM结构的紫外探测器的制备，响应波段为200-385 nm、在器件耗尽层穿通之前器件暗电流为0.3-2 nA/cm2、雪崩倍增因子为1的时候响应度接近100 mA/W （270nm）、工作电压大于40V时，器件的量子效率大于38% （270nm）、器件的紫外-可见抑制比（270nm/380nm）约为103、倍增因子约为105、在零伏偏压下器件的归一化探测率最大值为1.23×1014cmHz1/2W-1。.项目执行期间，在自然科学基金的支助下，发表了SCI收录论文五篇、中文期刊两篇、在投国际期刊文章一篇、申请发明专利两项、培养了博士生2名和硕士生3名。研究结果对碳化硅光电器件工艺与探测领域具有重要的应用意义。