4H-SiC sam-APD结构紫外光电探测器的设计与制备

发布时间：2020-04-05 00:09

【摘要】：以SiC、GaN等第三代半导体材料为基础的结型日盲紫外探测器件具有高量子效率,高响应速度以及高紫外可见比等优势,在军事及民用领域具有广泛的应用前景。而雪崩型紫外探测器应用雪崩倍增效应,使光信号被放大,提高了响应度,在盖革模式下能实现对极低紫外光信号的精准探测。本文研究了一种吸收层与倍增层分离的4H-SiC sam-APD结构紫外探测器,该结构的设计思想是在增大吸收区厚度,提高量子效率的同时使光生载流子在薄的强电场区域倍增,获得均匀的增益。目前,国内外关于雪崩型紫外探测器的研究取得了很多进展,而在国内基于4H-SiC材料的雪崩型探测器仍未实现广泛的商用化。边缘击穿,暗电流大,内部增益不均匀等成为制约器件性能的重要因素。本文从原理及仿真的角度出发,结合实验,讨论了器件纵向结构及横向边缘终端对器件性能的影响,提出一些改善器件性能的方案,具体工作包括:1.分析了器件纵向结构对其内部电场和击穿电压的调制效果。推导了多层pn结结构各层掺杂浓度及厚度下器件内部电场分布的简化公式,提出纵向结构的设计思路。从设计思路出发,设计了几种器件的纵向结构,经仿真验证器件击穿前其倍增层内电场可达到4 MV/cm,而吸收层内电场为1 MV/cm,满足倍增层内部高增益的同时吸收层也有较高的漂移速度。2.通过仿真分析了斜台面终端,MJTE终端,JTE注入型终端三种终端对应于不同器件纵向设计的可行性及边缘电场变化规律。仿真发现,小角度负斜面终端适用于相邻两层间浓度差别较大的情况;正斜面终端适用于相邻两层间的浓度差异较小(小于4倍)的情况;MJTE终端依赖于重掺杂一侧的掺杂浓度,要求重掺杂一侧的掺杂浓度不宜大于2×10~(18) cm~(-3);JTE注入型终端对应4×10~(17) cm~(-3)的倍增层掺杂,离子注入浓度在1×10~(18) cm~(-3)到1.5×10~(18) cm~(-3)的范围内能实现良好的边缘击穿抑制。考虑到成本及易实现性,设计了正斜面和负斜面两种sam-APD结构方案。3.仿真中分析了器件表面刻蚀窗口对量子效率的提升作用以及窗口对下方电场的影响机理,实验过程中应避免对窗口刻蚀过深而影响下方电场。基于窗口下方低电场阱的原理,提出了一种横向吸收区与倍增区分离的sam-APD结构设计方案。4.实际制备了一种sam-APD器件,经测试器件峰值响应度为0.15 A/W,位于260nm波长附近,对应量子效率为71.5%,外加电压从5 V到126 V,响应度峰值从0.013A/W变到673.18 A/W。器件的击穿电压为127 V,暗电流为10~(-9) A量级,95%击穿电压下暗电流为89 nA,增益接近10~3。通过对照试验发现,台面边缘处通过SiO_2PECVD钝化使得暗电流整体降低了1~2个数量级,根据该结果推测器件暗电流在低压下由台面边缘漏电决定,而在高电压下边缘陷阱俘获单一电性载流子使得边缘电场增强,发生局部雪崩,使得暗电流增加。采用热氧化的方法可以进一步改善边缘质量,降低暗电流。
【图文】：

截面图,雪崩,小组,探测器

得出臭氧浓度大小[1]。在现代生物学研究，药物测定、农业科研、化工吸收的样品作定量分析，从光源发出的光经狭缝使由于样品浓度不同所引起光强的变化转换成光浓度。探测器的国内外研究成果iC 雪崩紫外探测器是由美国罗格斯大学的 Jian H小组认为合理的雪崩紫外探测器设计应在满足尽厚度，使倍增层内部电场均匀，防止出现局部雪作电压应小于 100 V。型雪崩探测器由于吸收层和倍增层位于同一层，无出了一种吸收层与倍增层分离的雪崩探测器，称

紫外探测器,吸收层

该结构倍增层采用轻掺杂，并在倍增层与吸收层之间加入一层薄的重掺杂电荷层。这种“三明治”型结构使得电场在电荷层内迅速衰减，实现了倍增层内均匀的强电场和吸收层内均匀的弱电场，并且倍增层厚度能精确调控。器件结构如图1.2所示，该器件的击穿电压为 135 V，增益可达到 106量级， 260 nm 波长附近单位增益下量子效率为 75%，1000 增益下暗电流只有 85 pA[14]。图1.2 “三明治”型 SACM-APD 紫外探测器结构此外，Joe C.Campbell小组的Han-Din Liu等人所制备的pin结构雪崩紫外探测器，将 P 型掺杂层同时作为吸收层与倍增层，增益可达到 105
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN23

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