p型接触界面氧影响SiC_APD暗电流的机制研究_杨成东.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）；无锡学院引进人才科研启动专项经费资助（，）通信作者：苏琳琳，讲师，博士，主要从事半导体材料与器件研究。：.电子元件与材料 第 卷.第 期.月 年 型接触界面氧影响 暗电流的机制研究杨成东，苏琳琳（无锡学院 电子信息工程学院，江苏 无锡）摘 要：雪崩光电二极管（）作为一种微弱紫外光探测器件，高探测灵敏度对器件暗电流水平提出极高要求。在 复杂的制备过程中，器件暗电流是极其敏感的，为了探索工艺中暗电流的影响因素并分析其机制，对四种不同工艺条件下制备的 进行对照分析，通过电流电压曲线展现器件的输出特性，并结合扫描电子显微镜（）来研究相关界面的表面特性，从而揭示漏电机制。研究表明，器件制备过程中界面氧的引入在高温退火过程中会诱导金属半导体界面缺陷的形成，从而导致暗电流的急剧增加，这种缺陷的诱导机制还和 型接触金属密切相关。在器件制备过程中，在氧等离子体去胶等可能引入氧氛围的工艺步骤后，对外延片进行氢氟酸腐蚀以去除氧氛围能够有效降低器件的暗电流。关键词：；雪崩光电二极管；暗电流；界面氧中图分类号：.文献标识码：.引用格式：杨成东，苏琳琳 型接触界面氧影响 暗电流的机制研究 电子元件与材料，（）：.：，（）：.，（，）：（），：；电子元件与材料近 年 来，雪 崩 光 电 二 极 管（，）作为一种高量子效率的微弱紫外光探测器，在国防预警、深空探测和高压输电线电晕检测等领域备受关注。近年来随着材料质量和制备工艺的不断完善，能够实现低暗电流（）、高增益（以上）和高量子效率（峰值量子效率），并且能够成功实现微弱紫外光探测，最优异的单光子探测效率达到。在器件结构中，电极 半导体之间良好的欧姆接触对于探测性能至关重要。高温退火是形成良好 欧姆接触的常用方法，其中，型 的欧姆接触比较成熟，通常采用 基金属体系，通过氮气氛围、条件下的高温退火能够形成良好的欧姆接触，比接触电阻率可以达到。基、基和 基是三种常见的 型 欧姆接触的金属体系，其中，基接触金属层的比接触电阻率可以达到，但退火温度高达，这加剧了 的氧化（退火温度达到 以上开始出现 的氧化行为）；基接触金属层可以在 退火温度下实现 比接触电阻率，退火温度较低；基接触金属层的退火温度略高于 基。总体而言，由于 基欧姆接触层需要更高的退火温度，多采用 基和 基作为 型欧姆接触金属体系。为了实现 的高灵敏度，需要控制器件的体内漏电和表面漏电以最大限度地降低器件暗电流。得益于 材料外延技术日趋成熟，目前能够成功生长位错密度为 的 外延片，这使制备零位错的 成为可能。除 材料质量外，的界面质量对于限制暗电流同样重要，暗电流是 器件漏电的另一个重要原因。经过近十几年的发展，研究人员已经完善了牺牲氧化层、热氧化和等离子增强化学气相沉积 或 的钝化方法，能够有效地将器件雪崩击穿前的暗电流压制在 量级甚至更低的水平。然而，在器件制备过程中，被多次使用的氧等离子体去胶过程会在金属 界面引入氧氛围，在随后的高温退火过程中，界面氧会与 表面、金属电极和退火生成物发生反应，诱导金属 界面产生界面缺陷，从而对 的电学行为带来显著的影响，尤其是器件暗电流水平。因此，系统研究界面氧对器件电学性能的影响对于制备低暗电流的 是十分有必要的。本工作通过对照四种不同工艺条件下制备的 的暗电流，讨论 型接触界面氧氛围对 暗电流的影响，并通过接触界面半导体形貌分析，对暗电流的形成机制进行研究，研究结果表明，金属 半导体界面引入 型界面氧氛围会导致 基 型电极 暗电流的急剧增加，相应的扫描电子显微镜（）图像显示在高温退火下，基于 基 型电极的 表面存在高密度的尖峰，这些尖峰区由于电荷积累导致了 暗电流的增加。另外，型界面氧虽然没有导致 基 型电极 暗电流的急剧增加，但其 表面仍存在较多缺陷。相反地，通过氢氟酸去除界面氧能够有效降低漏电，并且 图像显示界面缺陷大量减少，该结果进一步验证了界面漏电机制。因此，为了获得低暗电流的 ，在氧等离子体去胶等可能引入氧氛围的工艺步骤后需要对外延片进行氢氟酸腐蚀，以去除氧氛围。实验 制备于 型 衬底上，如图 所示，外延结构从下到上依次为：一层 厚的 型缓冲层，掺杂浓度为；一层 厚的本征层；一层.厚的 型雪崩倍增层，掺杂浓度为；一层 厚的本征层；一层.厚的 型接触层，掺杂浓度为；一层 厚的本征层；一层.厚的 型覆盖层，掺杂浓度为。在器件制备之前，首先采用 标准清洗法将外延片在丙酮、乙醇、硫酸过氧化氢清洗液、氨过氧化物清洗液、盐酸过氧化物清洗液、氢氟酸和水中依次清洗以去除表面灰尘和有机物。为了形成相邻器件之间的电学隔离，采用感应耦合等离子体刻蚀系统对外延片进行台面刻蚀，台面刻蚀到雪崩倍增层上表面。利用光刻胶回流技术形成倾斜台面刻蚀掩膜，最终获得 的小倾角台面，这有助于抑制台面边缘强电场。台面制备完成后，采用热氧化和等离子体增强化学气相沉积法进行表面钝化，修复外延片表面的刻蚀损伤。最后进行电极制备，型电极制备于外延片背面，采用电子束蒸发系统依次蒸镀、金属层，厚度分别为，。光刻显影后通过氢氟酸湿法腐蚀 形成 型电极窗口。为了研究 型接触界面氧对 性能影响，在外延片进行氧等离子体处理去除残余光刻胶，然后将部分外延片放入氢氟酸溶液中进行腐蚀后再蒸镀 型电极，而部分外延片不经过氢氟酸溶液腐蚀直接蒸镀 型电极。型电极选用厚度分别为，的、金属层或杨成东，等：型接触界面氧影响 暗电流的机制研究厚度分别为，的、金属 层。最 后 将 器 件 分 别 在，氮气氛围中退火 。不同器件 型电极和界面处理方式如表 所示。图 剖面结构示意图.表 界面处理和 型金属电极说明.器件界面 型电极氧等离子体去胶 氧等离子体去胶 氧等离子体去胶氢氟酸腐蚀 氧等离子体去胶氢氟酸腐蚀 结果与讨论为了研究氧等离子体去胶过程是否会对外延片表面产生影响，采用 射线光电子能谱表征氧等离子体去胶后进行和未进行氢氟酸腐蚀的外延片的表面成分。如图 所示，外延片包括、和 峰。未进行氢氟酸腐蚀的 外延片表面，峰的结合能为.，这来源于，并且强度明显大于进行氢氟酸腐蚀的 表面的 峰；进行氢氟酸腐蚀处理的 表面 峰的结合能位于 之间，源于 或 键，由于该 表面已经采用氢氟酸对 进行腐蚀，所以 峰主要来源于 键。因此，根据 射线光电子能谱，在氧等离子体去胶后，外延层表面很可能形成了一层薄的 层。图 表面的 图谱，结合能范围在 。插图为 峰的放大 图谱.为了分析 型接触界面氧对 暗电流的影响，分别对四种工艺条件下制备的器件进行了电流电压曲线测试。图（）、（）分别描绘了器件 在室温下的反向和正向电流电压曲线。对于氧等离子体去胶后没有进行氢氟酸腐蚀的 ，当 型电极金属层为、时，在 和 的退火温度下，器件在雪崩前的暗电流一直保持在，当反向偏压达到 时，器件发生雪崩倍增。而当退火温度增加到 甚至更高时，器件在低电压下暗电流快速增加。当反向偏压为 时，器件 在，和 退火条件下的暗电流分别为，和。可见对于 型接触界面存在氧氛围的情况，当选用、作为 型电极层时，高温退火将会导致器件雪崩前暗电流的快速增加。另外，从图（）中可以看出，随着退火温度增加，器件开启电压逐渐减小。如果将器件开启电压定义在电流达到 的电压值时，当退火温度为，和 时，器件 的开启电压分别为.，.和.。图（）、（）分别描绘了器件 在室温下的反向和正向电流电压曲线。对于氧等离子体去胶后没有进行氢氟酸腐蚀的 ，当 型电极金属层为、时，在 的退火条件下，器件 的暗电流在雪崩倍增前始终保持在 水平，雪崩电压位于 。器件 的正向开启电压同样随退火温度的增加而降低。因此，对于 型接触界面存在氧氛围的 ，与、的 型电极层不同，当 型电极为、时，不会导致器件暗电流增加。为了比较电子元件与材料 型接触氧氛围对 暗电流影响，表征了氧等离子体去胶后进行氢氟酸腐蚀的器件 和 在室温下的反向电流电压曲线，如图 所示。结果表明对于 基和 基的 型电极金属层，只要在氧等离子体去胶后进行氢氟酸腐蚀处理，尽管经历高温退火，雪崩前的暗电流仍均在 水平。综上所述，氧等离子体去胶过程通过引入界面氧确实会对器件暗电流造成影响，但该影响与 型接触电极有关。若采用 基 型金属电极，界面氧会导致器件高温退火后暗电流的急剧增加；若采用 基 型金属电极，界面氧不会对器件暗电流产生明显影响。在器件制备过程中要在可能引入界面氧氛围的工艺后（如氧等离子体去胶），进行氢氟酸腐蚀处理，以获得低暗电流的 器件。图 器件 在不同退火温度下的电流电压曲线。（）反向；（）正向.（）；（）为了研究界面氧的存在造成器件 在高温退火后暗电流升高的内在机制，将四种器件依次在王水、氢氟酸、硝酸溶液和硫酸 过氧化氢溶液中腐蚀，去除金属电极以暴露出电极下方 型接触界面，随后采用 观察界面形貌。图（）、（）分别为器件 在 和 退火后 型接触界面的 图像。在 退火条件下，器件 的 型接触半导体表面图 器件 在不同退火温度下的电流电压曲线。（）反向；（）正向.（）；（）图 器件 和 在不同退火温度下的电流电压曲线。.形貌光滑，而在 退火条件下，半导体表面出现很多尖峰，这说明基于 基 型电极的 在高温退火后 表面产生大量尖峰缺陷，这是导致该器件在高温下暗电流迅速增加的主要原因。图（）、（）分别为器件 在 和 退火后 型接触界面的 图像，半导体表面存在低密度的凹陷坑。图（）、（）分别为器件 在 和 退火后 型接触界面的 图像。在 退火条件下，半导体表面光滑，当退火温度增加到 时，半导体表杨成东，等：型接触界面氧影响 暗电流的机制研究面仍然没有出现明显的缺陷。图（）、（）分别为器件 在 和 退火后 型接触界面的 图像，发现该器件的接触界面在高温退火后同样不会产生大量缺陷。可见，表面缺陷形成与 型接触金属以及界面氧的存在密切关联。对于 基 型电极的，其 表面比 基 型电极的 表面平滑。氧等离子体去胶后，进行氢氟酸腐蚀的 表面形貌更光滑。氧的存在加剧了 基 型金属与 的合金化过程，使 表面更加粗糙，尤其是在退火温度高时，凸起区域尖端上的电荷积累成为器件 暗电流增加的主要原因。因此，在 制备过程中要避免 型接触界面氧氛围的存在。图 不同退火温度下 型接触界面 形貌图。（）器件 退火；（）器件 退火；（）器件 退火；（）器件 退火；（）器件 退火；（）器件 退火；（）器件 退火；（）器件 退火.（）（）；（）（）；（）（）；（）（）结论为了讨论 型接触界面氧对 器件暗电流的影响，通过电流电压曲线和 型接触界面半导体表面 表征对四组 进行了对照分析。发现 型接触界面氧会促进 与 型电极之间的反应，在高温退火下，与 基 型电极相比，基 型电极与 反应更为剧烈，从而导致金属 之间的界面上产生大量的缺陷，造成器件暗电流急剧增加。综合考虑器件暗电流和 型接触界面半导体形貌，制备可以选取 基或 基 型金属层，但在器件制备过程中要尽可能避免氧氛围的存在，可以在氧等离子体去胶等可能会引入氧氛围的工艺流程后，采用氢氟酸湿法腐蚀的方法去除界面氧氛围，从而降低器件暗电流。参考文献：杨成东，夏开鹏，马文烨，等 高耐压和低暗计数 紫外雪崩光电二极管 光学学报，（）：.杨成东，苏琳琳，夏开鹏，等 可见光盲 紫外雪崩光电二极管 中国激光，（）：.，（），（）：.，（），（）：.，（）：.，（）：.，（）：.（下转第 页）电子元件与材料，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，：，（）：.，（）：.，：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.林志霆 衬底上大功率 基 的外延结构设计与器件制备 广州：华南理工大学，.，（）：.曹常锐 高效 基蓝光 的载流子输运和复合机制研究 扬州：扬州大学，.（上接第 页），：，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，：，（）：.，：.