4H-SiC雪崩紫外探测器的光谱响应的研究

摘要

高性能的紫外光电探测器是紫外探测技术中的核心技术，在军事和民用等领域有着广泛的应用。4H-SiC材料由于其物理性能突出，禁带宽度大，生长技术也逐渐成熟，成为了制备高性能紫外探测器的理想选择之一。4H-SiC雪崩紫外探测器（APD， Avalanche Photodiode）具有内部电流增益大、灵敏度高、响应速度快和暗电流低等优点，在探测微弱信号和单光子信号的应用方面具有很大的优势，是紫外探测领域的研究热点。本文基于4H-SiC APD的工作机理和性能参数，研究了外延层参数对器件光谱响应的影响，其次研究了制备器件的工艺流程和单步工艺并且制备了一个p-i-n结构的紫外探测器。
　　本研究主要内容包括：⑴在仿真软件Sentaurus中建立器件的物理模型并对器件的光电特性进行了仿真。分别研究了n+型外延层、n型外延层、n-型外延吸收层、p+型外延层的掺杂浓度和厚度对器件光谱响应度和峰值响应波长的影响，并且从理论上分析了造成这些影响的原因。仿真中发现改变各外延层的掺杂浓度和厚度都会对器件的光谱响应度造成影响，峰值响应波长也会发生变化。仿真结果表明：a.当 n+型外延层掺杂浓度增大或者厚度增大，都会使器件在短波方向上的光谱响应度变小，峰值响应波长向长波方向移动；b.当 n型外延层的掺杂浓度增大，器件的光谱响应度整体变小，如果厚度增大，器件在短波方向上的光谱响应度变小，在长波方向上的光谱响应度变大，峰值响应波长都向长波方向移动；c. n-型外延层作为器件的光子吸收层，其掺杂浓度变化对光谱响应影响不大，而如果其厚度增大，器件的光谱响应整体增大，峰值响应波长向长波方向移动；d. p+型外延层的掺杂浓度对器件光谱响应和欧姆接触都有影响，随着其掺杂浓度增大，器件的光谱响应整体变小，峰值响应波长向短波方向移动。通过研究各外延层参数对器件光谱响应的影响，选择合适的外延层掺杂浓度和厚度，综合考虑后确定器件的结构。⑵实验中研究了制备4H-SiC APD的单步工艺，得到了标准清洗、光刻、金属淀积和金属剥离、ICP干法刻蚀、高温热氧化等单步工艺的实现步骤和实验参数。对4H-SiC的p型欧姆接触进行了进一步的研究，提出了一种新的欧姆接触金属结构Ti/Al/Ni/Au，并且实验中将Ti/Al/Ni/Au和Ti/Al/Au两种金属结构用于制备欧姆接触，通过圆点传输线模型测得比接触电阻率分别为8.5×10-4Ωcm2和3.1×10-3Ωcm2，实验发现Ti/Al/Ni/Au的比接触电阻率更低，Ni层能够阻止Al和Au互相扩散从而提升欧姆接触的性能。⑶在实验中对单步工艺进行研究之后，制作了一个简单的4H-SiC p-i-n紫外探测器，测试中当反偏电压从1V增大到10V时，器件的暗电流为3 pA并且几乎不变，光电流比暗电流高一个数量级以上，器件的峰值响应波长在275nm左右，峰值响应度约为0.01，紫外可见比大于1000。测试结果表明器件能够正常工作，说明本文设计的单步工艺具有可行性。

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第一章 绪论

1.1紫外光电探测器概述

1.2国内外4H-SiC雪崩紫外探测器的研究现状

1.3 4H-SiC材料的性质

1.4 本文的工作和章节结构

第二章 4H-SiC雪崩紫外探测器的工作原理与结构设计

2.1 APD工作原理

2.2 APD的性能参数介绍

2.3 4H-SiC APD的结构与材料参数设计

2.4 本章小结

第三章 4H-SiC雪崩紫外探测器光谱响应的研究

3.1 Sentaurus器件仿真软件介绍

3.2 4H-SiC APD的物理模型

3.3 4H-SiC APD光谱响应的研究

3.4 本章小结

第四章 4H-SiC雪崩紫外探测器的制备与单步工艺的研究

4.1 器件制备的工艺流程

4.2 器件制备的单步工艺

4.3 p型欧姆接触的研究

4.4 4H-SiC p-i-n 紫外探测器

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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