分離吸收層與倍增層結構的低壓4H-SiC雪崩光電探測器及其p型歐姆接觸的研究.pdf

1、紫外微弱光信號和單光子信號的探測主要應用于激光誘導熒光性生物報警系統(tǒng)、非線性光線隱蔽通訊、非破壞性物質分析、高能物理、光時域反射和空氣污染超高靈敏度探測等領域，它要求探測器具有高量子效率、低暗電流、低的過剩噪聲和可見盲等特性，4H-SiC雪崩光電探測器(APD)是惟一能夠滿足這些要求的器件。 近年來，國際上已有研究小組對4H-SiC APDs進行制備和研究，但所設計的.APD結構較為簡單，一般由PN結或者PIN結構成，不能有效地

2、解決吸收層厚度對高量子效率、快響應速率和低擊穿電壓之間相互限制的矛盾；而已報道的分離吸收層與倍增層(SAM)結構4H-SiC APDs的擊穿電壓過大；另外，對于金屬與p型4H-SiC接觸，其一般形成大的勢壘高度，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，目前國內還未發(fā)現(xiàn)4HoSiC.APDs的相關報道。針對以上問題，本文主要開展了以下幾方面的工作，并取得了較好的結果。 1.根據(jù)APD的結構特性和4

3、H-SiC的材料特性設計了高響應度、低擊穿電壓的SAM結構4H-SiC APD。從理論上分析了p+層和耗盡區(qū)的不同厚度對器件光譜響應和時間響應的影響，綜合考慮光譜響應、時間響應和擊穿電壓等因素對4H-SiC APD外延片參數(shù)進行優(yōu)化設計。 2.成功制備了工作在低擊穿電壓下的SAM結構4H-SiC APDs，并采用自行設計的紫外光電測試系統(tǒng)對所制備器件的光電流、暗電流和光譜響應等進行測試與分析。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，當反向偏壓增大到50 V(約90％Vb)時，其暗電流約為60 nA，此時器件的倍增因子達到1.8×104。對器件在0～35 V偏壓下的光譜響應和量子效率的測試結果分析表明，在零偏壓下，在270 nm峰值波長下獲得最大光譜響應度約為0.070 A/W，相應的量子效率為32.6％，據(jù)我們所知，此結果是目前所報道的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數(shù)量級，其歸一化探測率最大值約為6.0×1013 cmHz1/2W-1，相應的噪聲等效功率約為3.75×10-16 W。當反向偏壓從0 V增大到35 V時，器件光譜響應的峰值波長由270 nm移動到280 nm，且響應度增強為0.077 A/W，對應的外量子效率為35％，同時在短波長處(220～260 nm)器件的響應度增強比較明顯，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是在p+層吸收短

6、波長產生的光生載流子復合減小所致。總之，本文制備的SAM結構4H-SiC APDs在較低的擊穿電壓下獲得了較好的紫外光探測性能。 3.為了提高4H-SiC p型歐姆接觸的性能，對一組Al基多層金屬制備的4H-SiC p型歐姆接觸進行了系統(tǒng)地研究。采用標準的半導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)對其比接觸電阻進行測量。結果發(fā)現(xiàn)，金屬構成和厚度分別為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，同時測得4H.SiC/Ti(1200 A)/Al(600 A)/Au(85

8、0 A)經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)結構的歐姆接觸，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)等進行測試分析。結果表明，在高溫退火過程中金屬之間以及金屬/4H-SiC之間反應生成的TiC、TiAl3