[发明专利]一种新型n-i-p-n半台面垂直结构的碳化硅雪崩二极管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型n‑i‑p‑n半台面垂直结构的碳化硅雪崩二极管及其制备方法。本申请碳化硅雪崩二极管，为n‑i‑p‑n结构，从下到上依次包括：下金属接触电极、n型导电SiC衬底、p型SiC接触层、i型SiC雪崩层、n型SiC过渡层、n+型SiC接触层和上金属接触电极，其中，n型SiC过渡层和n+型SiC接触层形成下大上小的台面状，n型SiC过渡层的下表面面积小于i型SiC雪崩层上表面面积，n型SiC过渡层的外围、n+型SiC接触层的外围、及没有被n型SiC过渡层覆盖的i型SiC雪崩层的上表面均设有钝化层。本发明减小了刻蚀损伤，提高了器件性价比；器件可以采用质量更好的n型欧姆接触；提高了器件工作效率，降低了雪崩噪声，减少了引出导线数量，降低了器件成本。

技术领域

本发明涉及一种新型n-i-p-n半台面垂直结构的碳化硅雪崩二极管及其制备方法，属于碳化硅雪崩二极管领域。

背景技术

作为第三代宽禁带半导体的代表之一，碳化硅(SiC)具有宽带隙、高击穿场强、高电子饱和速度、高热导率以及化学稳定性好等优良特性。近年来随着国内外对SiC材料的大量研发投入，材料质量和制造工艺技术都显著提高，使其成为制备高功率、高温度、以及高效率紫外雪崩探测器件(APD)的优选材料。其中，4H-SiC半导体材料的禁带宽度为3.26eV，是制备可见光盲紫外APD(响应边<400nm)的优选材料；基于4H-SiC材料的紫外APD与传统的硅基紫外APD相比，4H-SiCAPD具有更高的灵敏度、更低的暗电流和更好的高温稳定性，不需要使用昂贵的冷却系统；与紫外光电倍增管相比，4H-SiC APD具有体重小、功耗低、量子效率高、便于集成以及无需加装昂贵的滤光片等优点。

基于4H-SiCAPD以上显著的综合优势，近年来这一前沿方向一直是国内外半导体领域竞相研究和开发的热点。常规SiC紫外APD产品已经进入市场，主要用于工业领域的紫外辐射剂量和日照辐射指数的测量。然而，对于许多新兴应用领域而言，对微弱紫外信号快速测量才是真正的需求所在，也就是说所用的半导体紫外APD必须具有极大的增益，而只有基于SiC半导体的紫外APD才可以满足这一要求。因为SiCAPD是具有内部光电流增益的半导体光电子器件，它利用光生载流子在二极管耗尽层内的碰撞电离效应而获得光电流的雪崩倍增，可具有纳秒量级的响应速度、10⁵以上的增益。可探测极微弱紫外信号的4H-SiCAPD在多方面的核心技术上具有着极大的潜在应用，主要包括：森林火灾预警、导弹尾焰预警和监测、高压电网的电晕电弧检测成像、生物监测、量子通讯、医学影像处理等。

目前，常见的4H-SiC APD结构主要有pn结构APD，p-i-n结构APD，以及光子吸收电荷倍增区分离(SAM)APD等。pn结SiCAPD优点是通常具有较低雪崩击穿电压(小于65V)，但是pn结耗尽区窄，量子效率偏低，暗电流偏高，且体隧穿电流较大。SAM SiC APD采用将光子吸收区与载流子倍增区分离的结构，且均为非掺杂层，通过在吸收区与倍增区之间增加一个掺杂层，控制APD内部特别是两个非掺区域的电场分布，实现高量子效率，低暗电流等目标，但结构复杂，制备难度大，成本较高。p-i-n SiCAPD是在pn结SiCAPD的基础上，在pn结中间插入轻掺杂本征(intrinsic)层，同时作为光子吸收和载流子倍增的区域，极大地提高了量子效率并且降低了暗电流。与前两种结构相比，p-i-n SiCAPD具有制备简单，性价比高等优点，可大规模应用于工业领域。