【導讀】河北半導體研究所報道了一種大面積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％）和低暗電流強度，紫外／可見光抑制比高達103。在本研究中，第一次使用可變溫度光致抗蝕劑回流技術來產(chǎn)生平滑的斜面?zhèn)缺?，其抑制漏電流并避免過早的邊緣擊穿。
紫外檢測在天文學，通信和生化分析上都有廣泛的應用；在熒光實驗和火焰中也會發(fā)射出UV線；軍事警告和制導系統(tǒng)可以使用可見盲的紫外線感應來引導或跟蹤導彈羽流。
在現(xiàn)有的SiC UV APD中，當其在較大的反向偏壓下存在大的暗電流和過早擊穿的問題。這使得目前典型的SiC UV APD直徑限制在250μm以下，降低了檢測靈敏度。研究人員將其研究出的這種大面積SiC UV APD設備視為笨重，脆弱且昂貴的光電倍增管的潛在替代品。
如圖1，外延結(jié)構由3μm重摻雜p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。
圖1：（a）4H－SiC APD的示意性橫截面結(jié)構；（b）光刻膠回流技術的溫度變化和800μm直徑4H－SiC APD的斜面臺面和（插圖）頂視圖照片。
其制造開始于電感耦合等離子體（ICP）臺面蝕刻。 其間，臺面傾斜以避免邊緣擊穿效應；用于臺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平滑的斜面，這不同于145°C的固定溫度回流30秒，那樣會導致鋸齒形表面。而鋸齒表面會增加暗電流，導致過早擊穿。其原因研究人員提出，固定溫度回流會產(chǎn)生不均勻的熱場，光致抗蝕劑的表面張力和回流速度會發(fā)生空間變化，從而產(chǎn)生觀察到的表面粗糙度。通過測量，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的測量值在100－150V范圍內(nèi)變化很大。
進一步的生產(chǎn)環(huán)節(jié)包括應用200nm熱氧化物和100nm等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）氮化硅鈍化，ICP和濕化學接觸蝕刻，鎳／鈦／鋁／金金屬觸點的電子束蒸發(fā)，以及850° C中金屬接觸在氮氣中退火三分鐘。此時完成的裝置直徑為800μm，臺面斜角小于8°。
通過140V和150V反向偏壓的暗電流測量，研究人員發(fā)現(xiàn)電流是二次取決于直徑，表明通過邊緣狀態(tài)的體泄漏而不是表面泄漏。 對于800μm直徑器件，對于低反向偏壓，暗電流為1pA（0．2nA／cm2）。
圖2所示，對于365nm紫外線，成倍增益因子超過106，超過了10V反向偏壓下的“單位增益”值。在氙燈下，在274nm波長下，具有140V反向偏壓（4．2增益）的響應峰值為0．18A／W，相應的外量子效率計算為81．5％。在274nm和400nm處的響應比，UV ／可見光抑制比大于103。
圖2：800μm直徑4H－SiC APD的紫外檢測性能：（a）電流 － 電壓測量和計算的成倍增益； （b）對應于140V反向電壓下的單位增益的光譜響應。
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。
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