Оптимизация 4H-SiC SACM лавинных фотоиодов для превосходной УФ чувствительности

Аннотация

Это исследование представляет систематический параметрический анализ 4H-SiC лавинного ультрафиолетового фотоиода с разделенным поглощением, зарядом и умножением (SACM). Наши симуляции раскрывают, что пробойное напряжение высоко чувствительно к толщине умножающего слоя и уровню легирования зарядо-контролирующего слоя. Толщины n-тип омического контакта, поглощающего и зарядо-контролирующего слоев значительно влияют на проникновение света, генерацию носителей и, следовательно, чувствительность. Снижение высоты барьера зоны на интерфейсе поглощение-зарядо-контроль усиливает перенос носителей в область умножения, повышая чувствительность. Дополнительно, оптимизация фасеточного угла мез уменьшает краевое электрическое поле, подавляя темновой ток. Эти находки дают четкие руководящие принципы для проектирования высокоэффективных 4H-SiC SACM APD.

Введение

Кремний карбид (SiC) и нитрид алюминия галлия (AlGaN) — выдающиеся широкозонные полупроводники, предлагающие высокие критические электрические поля, превосходную радиационную стойкость и отличную теплопроводность — ключевые атрибуты для УФ детекции. В то время как AlGaN фото детекторы могут настраивать свои отсекающие длины волн от 365 до 200 нм, сложности роста Al-богатого AlGaN часто приводят к более высоким темновым токам по сравнению с SiC приборами. Следовательно, SiC фото детекторы привлекли значительный исследовательский интерес.

На сегодня 4H-SiC УФ детекторы включают Шоттки барьерные диоды, металл-полупроводник-металл (MSM) фотоиоды, p-i-n фотоиоды и лавинные фотоиоды (APD). APD, с их высоким лавинным усилением, низким темновым током и минимальным шумом, особенно привлекательны для приложений: детекция пожаров, квантовая коммуникация, ракетное предупреждение. Однако низкий коэффициент поглощения SiC создает проблему: тонкие умножающие слои препятствуют квантовой эффективности до введения SACM структуры. В SACM APD выделенный поглощающий слой захватывает УФ фотоны, в то время как отдельный умножающий слой усиливает сигнал через импакт-ионизацию, с зарядо-контролирующим слоем, терминирующим лавину. Эта конфигурация снижает шум, позволяя только носителям с высокой ионизационной скоростью достигать области умножения.

Большой-площадные SACM APD обещают высокую детектируемость, но увеличенная площадь прибора также повышает поверхностные и объемные утечки. Таким образом, дизайн прибора должен балансировать активную площадь против утечек, требуя высококачественных эпитаксиальных слоев и тщательной фарбикации. Недавние достижения, такие как переменнотемпературный рефлоу фоторезиста для гладких фасеточных мез, достигли умножающих коэффициентов >10⁶ с темновыми токами ~0,2 нА/см². Тем не менее, влияние структурного дизайна на перенос носителей и детектируемость остается недоизученным. Эта работа заполняет этот пробел, систематически оценивая, как толщины слоев, концентрации легирования и фасеточные углы мез влияют на оптоэлектронную производительность крупно-площадных 4H-SiC SACM УФ APD.

Исследовательские методы и физические модели

Рис. 1a иллюстрирует поперечное сечение стандартного 4H-SiC SACM APD. Стек состоит из p⁺ подложки, 3-мкм p⁺ омического контактного слоя (N_a = 1×10¹⁹ см⁻³), 0,5-мкм n⁻ умножающего слоя (N_d = 1×10¹⁵ см⁻³), 0,2-мкм n-тип зарядо-контролирующего слоя (N_d = 5×10¹⁸ см⁻³), 0,5-мкм n⁻ поглощающего слоя (N_d = 1×10¹⁵ см⁻³) и 0,3-мкм n⁺ омического контакта (N_d = 1×10¹⁹ см⁻³). Положительный фасеточный угол (θ = 8°) смягчает краевой пробой, диаметр прибора 800 мкм. Катодные и анодные контакты считаются идеальными омическими в симуляциях.

Симуляции с APSYS решают уравнение Пуассона, уравнения непрерывности носителей и дрифт-диффузионные уравнения, включающие импакт-ионизацию и Зеннеровское туннелирование. Жизни Шокли-Реда-Холла установлены 1 мкс. Импакт-ионизационные коэффициенты для 4H-SiC следуют Чайноветовым соотношениям: α_n = 1,98×10⁶ exp[−(9,46×10⁶/E)^1.42] см⁻¹ (1) и β_p = 4,38×10⁶ exp[−(1,14×10⁷/E)^1.06] см⁻¹ (2). Коэффициент поглощения 4H-SiC как функция длины волны λ (нм) описывается уравнением (3).

Рис. 1b изображает зонную диаграмму под обратным смещением, иллюстрируя, как фото-генерированные носители проходят от поглощающего слоя через зарядо-контролирующий в область умножения. Электрическое поле в умножающем слое, зонное выравнивание на интерфейсе зарядо-контроль/поглощение и n-тип омический контакт влияют на перенос носителей и, следовательно, фототок.

Результаты и обсуждение

Влияние n-тип омического контактного слоя

Для изоляции влияния n-тип омического контактного слоя мы фарбиковали референс, L1–L4 (варьируя толщину) и A1–A4 (варьируя легирование) приборы. Таблица 1 перечисляет их структуры.

Пробойное напряжение практически не меняется при вариации толщины (≈161,6 В), так как зарядо-контролирующий слой ограничивает обедненную область. Однако более толстые контакты увеличивают нерадиативную рекомбинацию, снижая фототок и чувствительность. Вариации легирования также незначительно влияют на пробойное напряжение и фототок, подчеркивая, что толщина — критический параметр для омического контактного слоя. Поддержание тонкого, сильно легированного (≈1×10¹⁹ см⁻³) контактного слоя (~0,2 мкм) оптимизирует чувствительность, сохраняя низкий темновой ток.

Влияние поглощающего слоя

Анализировали приборы M1–M4 (варьируя толщину) и B1–B4 (варьируя легирование). Таблица 2 суммирует их дизайны.

Увеличение толщины поглощающего слоя снижает фототок и чувствительность из-за усиленной нерадиативной рекомбинации. В противовес, повышение легирования поглощающего слоя снижает энергетические барьеры на интерфейсе зарядо-контроль, усиливая внедрение дырок и, следовательно, чувствительность (прибор B4 показывает ~0,11 А/Вт при 280 нм). Поэтому поглощающий слой должен быть тонким (~0,5 мкм) и слабо легированным (~1×10¹⁵ см⁻³) для баланса глубины поглощения и переноса носителей.

Влияние зарядо-контролирующего слоя

Фарбиковали приборы N1–N4 (варьируя толщину) и C1–C4 (варьируя легирование). Таблица 3 перечисляет их параметры.

Более толстые зарядо-контролирующие слои слегка снижают фототок за счет увеличения рекомбинации, в то время как снижение легирования ниже 2×10¹⁸ см⁻³ расширяет обедненную область, снижая электрическое поле и повышая пробойное напряжение до ~315 В (прибор C1). Это расширение обедненности также уменьшает зонный барьер на интерфейсе умножение/зарядо-контроль, улучшая внедрение дырок и чувствительность. Оптимальный дизайн балансирует умеренное легирование (~1×10¹⁸ см⁻³) и толщину для поддержания высокого усиления без избыточного темнового тока.

Влияние умножающего слоя

Приборы P1–P4 (варьируя толщину) и D1–D4 (варьируя легирование) детализированы в Таблице 4.

Увеличение толщины умножающего слоя от 0,3 до 0,7 мкм повышает пробойное напряжение от 110 до 210 В и слегка улучшает чувствительность, так как более широкая обедненная область облегчает импакт-ионизацию. Обратно, более высокое легирование (>10¹⁸ см⁻³) снижает пробойное напряжение и увеличивает темновой ток за счет усиления пространственно-зарядовой генерации; поэтому внутреннее легирование (~1×10¹⁵ см⁻³) предпочтительно для сохранения низкого темнового тока при высоком усилении.

Влияние фасеточного угла мез

Шесть приборов (E1–E5) с фасеточными углами от 5° до 15° анализировались (Таблица 5).

По мере увеличения фасеточного угла краевое электрическое поле растет, ведучи к преждевременному пробою и более высокому темновому току. Латеральное распределение поля (Рис. 13a) показывает постепенное снижение к краю меза, и меньшие углы смещают пробой от поверхности. В то время как меньший фасеточный угол (~10–20°) подавляет утечки, он также уменьшает активную площадь и чувствительность. Таким образом, компромиссный угол между 10° и 20° рекомендуется на основе эпитаксиального качества и поверхностных условий.

Заключение

Наше комплексное симуляционное исследование демонстрирует, как каждый структурный параметр управляет производительностью 4H-SiC SACM APD:

• Высокое легирование (≈1×10¹⁹ см⁻³) но тонкие (≈0,2 мкм) n-тип омические контакты держат пробойное напряжение стабильным, максимизируя чувствительность.
• Слабо легированные (≈1×10¹⁵ см⁻³) поглощающие слои, держимые тонкими (~0,5 мкм), оптимизируют генерацию и перенос носителей.
• Зарядо-контролирующие слои с легированием около 1×10¹⁸ см⁻³ эффективно ограничивают электрическое поле; снижение легирования ниже этого расширяет обедненную область, повышая пробойное напряжение и улучшая чувствительность.
• Внутренне-легированные умножающие слои (~1×10¹⁵ см⁻³) минимизируют темновой ток, в то время как толщина 0,5–0,7 мкм балансирует высокое усиление и приемлемое пробойное напряжение.
• Фасеточные углы мез между 10° и 20° дают лучший компромисс между подавлением утечек и активной площадью.

Эти инсайты предоставляют четкий дорожный карту для фарбикации экономичных, высокопроизводительных 4H-SiC SACM УФ APD.

Доступность данных и материалов

Данные и анализ, представленные здесь, доступны у соответствующих авторов по разумному запросу.