大面积碳化硅紫外可见盲雪崩光电二极管

 

紫外检测在天文学，通信和生化分析上都有广泛的应用；在荧光实验和火焰中也会发射出UV线；军事警告和制导系统可以使用可见盲的紫外线感应来引导或跟踪导弹羽流。

 

在现有的SiC UV APD中，当其在较大的反向偏压下存在大的暗电流和过早击穿的问题。这使得目前典型的SiC UV APD直径限制在250μm以下，降低了检测灵敏度。研究人员将其研究出的这种大面积SiC UV APD设备视为笨重，脆弱且昂贵的光电倍增管的潜在替代品。

 

如图1，外延结构由3μm重掺杂p型（p＋），0．5μm轻掺杂n型倍增（n－），0．2μm n电荷，0．5μm n－吸附和0．3μm n＋接触层组成。

 

图1：（a）4H－SiC APD的示意性横截面结构；（b）光刻胶回流技术的温度变化和800μm直径4H－SiC APD的斜面台面和（插图）顶视图照片。

 

其制造开始于电感耦合等离子体（ICP）台面蚀刻。 其间，台面倾斜以避免边缘击穿效应；用于台面蚀刻的厚光刻胶经回流工艺，其中晶片以5℃／分钟的速率从90℃升温至145℃。

 

可变化的温度提供一个平滑的斜面，这不同于145°C的固定温度回流30秒，那样会导致锯齿形表面。而锯齿表面会增加暗电流，导致过早击穿。其原因研究人员提出，固定温度回流会产生不均匀的热场，光致抗蚀剂的表面张力和回流速度会发生空间变化，从而产生观察到的表面粗糙度。通过测量，可变温度回流生产的APD可在156V附近保持一致的高击穿值，但使用固定温度回流产生的APD的测量值在100－150V范围内变化很大。

 

进一步的生产环节包括应用200nm热氧化物和100nm等离子体增强化学气相沉积（PECVD）氮化硅钝化，ICP和湿化学接触蚀刻，镍／钛／铝／金金属触点的电子束蒸发，以及850° C中金属接触在氮气中退火三分钟。此时完成的装置直径为800μm，台面斜角小于8°。

 

通过140V和150V反向偏压的暗电流测量，研究人员发现电流是二次取决于直径，表明通过边缘状态的体泄漏而不是表面泄漏。 对于800μm直径器件，对于低反向偏压，暗电流为1pA（0．2nA／cm2）。

 

图2所示，对于365nm紫外线，成倍增益因子超过106，超过了10V反向偏压下的“单位增益”值。在氙灯下，在274nm波长下，具有140V反向偏压（4．2增益）的响应峰值为0．18A／W，相应的外量子效率计算为81．5％。在274nm和400nm处的响应比，UV ／可见光抑制比大于103。

 

图2：800μm直径4H－SiC APD的紫外检测性能：（a）电流 － 电压测量和计算的成倍增益； （b）对应于140V反向电压下的单位增益的光谱响应。

 

直径为800μm的器件的增益，量子效率和暗电流性能与小于300μm的APD相当。