p 型接觸界面氧影響SiC APD 暗電流的機(jī)制研究

楊成東,蘇琳琳

(無(wú)錫學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214105)

近年來(lái),SiC 雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode,APD)作為一種高量子效率的微弱紫外光探測(cè)器,在國(guó)防預(yù)警、深空探測(cè)和高壓輸電線電暈檢測(cè)等領(lǐng)域備受關(guān)注[1-3]。近年來(lái)隨著材料質(zhì)量和制備工藝的不斷完善,SiC APD 能夠?qū)崿F(xiàn)低暗電流(10-12A)、高增益(104以上)和高量子效率(峰值量子效率50%),并且能夠成功實(shí)現(xiàn)微弱紫外光探測(cè),最優(yōu)異的單光子探測(cè)效率達(dá)到30%。在器件結(jié)構(gòu)中,電極/半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸對(duì)于探測(cè)性能至關(guān)重要。高溫退火是形成良好SiC 歐姆接觸的常用方法,其中,n型SiC 的歐姆接觸比較成熟,通常采用Ni 基金屬體系,通過(guò)氮?dú)夥諊?00 ℃條件下的高溫退火能夠形成良好的歐姆接觸,比接觸電阻率可以達(dá)到10-6Ω·cm2[4]。Al 基、Ni 基和Ti 基是三種常見(jiàn)的p 型SiC 歐姆接觸的金屬體系,其中,Al 基接觸金屬層的比接觸電阻率可以達(dá)到10-5Ω·cm2,但退火溫度高達(dá)1000℃,這加劇了Al 的氧化(退火溫度達(dá)到800 ℃以上開(kāi)始出現(xiàn)Al 的氧化行為)[5-7];Ni 基接觸金屬層可以在800 ℃退火溫度下實(shí)現(xiàn)10-5Ω·cm2比接觸電阻率,退火溫度較低[8];Ti 基接觸金屬層的退火溫度略高于Ni基[9-10]。總體而言,由于Al 基歐姆接觸層需要更高的退火溫度,SiC APD 多采用Ni 基和Ti 基作為p 型歐姆接觸金屬體系。

為了實(shí)現(xiàn)SiC APD 的高靈敏度,需要控制器件的體內(nèi)漏電和表面漏電以最大限度地降低器件暗電流。得益于SiC 材料外延技術(shù)日趨成熟,目前能夠成功生長(zhǎng)位錯(cuò)密度為1000～2000 cm-2的SiC 外延片,這使制備零位錯(cuò)的SiC APD 成為可能。除SiC 材料質(zhì)量外,SiC/SiO2的界面質(zhì)量對(duì)于限制暗電流同樣重要,暗電流是SiC APD 器件漏電的另一個(gè)重要原因。經(jīng)過(guò)近十幾年的發(fā)展,研究人員已經(jīng)完善了犧牲氧化層、熱氧化和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積SiOx或SiNx的鈍化方法,能夠有效地將器件雪崩擊穿前的暗電流壓制在pA量級(jí)甚至更低的水平。然而,在器件制備過(guò)程中,被多次使用的氧等離子體去膠過(guò)程會(huì)在金屬/SiC 界面引入氧氛圍,在隨后的高溫退火過(guò)程中,界面氧會(huì)與SiC 表面、金屬電極和退火生成物發(fā)生反應(yīng),誘導(dǎo)金屬/SiC 界面產(chǎn)生界面缺陷,從而對(duì)SiC APD 的電學(xué)行為帶來(lái)顯著的影響,尤其是器件暗電流水平。因此,系統(tǒng)研究界面氧對(duì)器件電學(xué)性能的影響對(duì)于制備低暗電流的SiC APD 是十分有必要的。本工作通過(guò)對(duì)照四種不同工藝條件下制備的SiC APD 的暗電流,討論p型接觸界面氧氛圍對(duì)SiC APD 暗電流的影響,并通過(guò)接觸界面半導(dǎo)體形貌分析,對(duì)暗電流的形成機(jī)制進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明,金屬/半導(dǎo)體界面引入p 型界面氧氛圍會(huì)導(dǎo)致Ni 基p 型電極SiC APD 暗電流的急劇增加,相應(yīng)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示在高溫退火下,基于Ni 基p 型電極的SiC 表面存在高密度的尖峰,這些尖峰區(qū)由于電荷積累導(dǎo)致了SiC APD 暗電流的增加。另外,p 型界面氧雖然沒(méi)有導(dǎo)致Ti 基p 型電極SiC APD 暗電流的急劇增加,但其SiC 表面仍存在較多缺陷。相反地,通過(guò)氫氟酸去除界面氧能夠有效降低漏電,并且SEM 圖像顯示界面缺陷大量減少,該結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了界面漏電機(jī)制。因此,為了獲得低暗電流的SiC APD,在氧等離子體去膠等可能引入氧氛圍的工藝步驟后需要對(duì)外延片進(jìn)行氫氟酸腐蝕,以去除氧氛圍。

1 實(shí)驗(yàn)

SiC APD 制備于n 型4H-SiC 襯底上,如圖1 所示,外延結(jié)構(gòu)從下到上依次為: 一層10 μm 厚的n 型緩沖層,摻雜濃度為3×1018cm-3;一層70 nm 厚的本征層;一層0.5 μm 厚的p 型雪崩倍增層,摻雜濃度為1×1015cm-3;一層70 nm 厚的本征層;一層0.2 μm厚的p 型接觸層,摻雜濃度為2×1018cm-3;一層70 nm 厚的本征層;一層0.25 μm 厚的p 型覆蓋層,摻雜濃度為2×1019cm-3。在器件制備之前,首先采用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗法將外延片在丙酮、乙醇、硫酸-過(guò)氧化氫清洗液、氨-過(guò)氧化物清洗液、鹽酸-過(guò)氧化物清洗液、氫氟酸和水中依次清洗以去除表面灰塵和有機(jī)物。為了形成相鄰器件之間的電學(xué)隔離,采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕系統(tǒng)對(duì)外延片進(jìn)行臺(tái)面刻蝕,臺(tái)面刻蝕到雪崩倍增層上表面[11]。利用光刻膠回流技術(shù)形成傾斜臺(tái)面刻蝕掩膜,最終獲得6o的小傾角臺(tái)面,這有助于抑制臺(tái)面邊緣強(qiáng)電場(chǎng)[11]。臺(tái)面制備完成后,采用熱氧化和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行表面鈍化,修復(fù)外延片表面的刻蝕損傷[12-13]。最后進(jìn)行電極制備,n 型電極制備于外延片背面,采用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)依次蒸鍍Ni、Ti、Al、Au 金屬層,厚度分別為25,50,100,100 nm。光刻顯影后通過(guò)氫氟酸濕法腐蝕SiO2形成p 型電極窗口。為了研究p 型接觸界面氧對(duì)SiC APD 性能影響,在外延片進(jìn)行氧等離子體處理去除殘余光刻膠,然后將部分外延片放入氫氟酸溶液中進(jìn)行腐蝕后再蒸鍍p 型電極,而部分外延片不經(jīng)過(guò)氫氟酸溶液腐蝕直接蒸鍍p 型電極。p 型電極選用厚度分別為25,50,100,100 nm 的Ni、Ti、Al、Au 金屬層或厚度分別為70,200,100,100 nm 的Ti、Al、Ti、Au金屬層。最后將器件分別在300,500,600,700,800,900 ℃氮?dú)夥諊型嘶? min。不同器件p 型電極和界面處理方式如表1 所示。

圖1 SiC APD 剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Cross-sectional schematic of the SiC APD

表1 SiC APD 界面處理和p 型金屬電極說(shuō)明Tab.1 SiC APD interface treatment and p-type metal electrode description

2 結(jié)果與討論

為了研究氧等離子體去膠過(guò)程是否會(huì)對(duì)外延片表面產(chǎn)生影響,采用X 射線光電子能譜表征氧等離子體去膠后進(jìn)行和未進(jìn)行氫氟酸腐蝕的外延片的表面成分[14-15]。如圖2 所示,外延片包括Si2s、Si2p、C1s和O1s 峰。未進(jìn)行氫氟酸腐蝕的SiC 外延片表面,O1s峰的結(jié)合能為532.5 eV,這來(lái)源于SiO2,并且強(qiáng)度明顯大于進(jìn)行氫氟酸腐蝕的SiC 表面的O1s 峰[16];進(jìn)行氫氟酸腐蝕處理的SiC 表面O1s 峰的結(jié)合能位于533～534 eV 之間,源于O2—Si 或O—C 鍵,由于該SiC 表面已經(jīng)采用氫氟酸對(duì)SiO2進(jìn)行腐蝕,所以O(shè)1s 峰主要來(lái)源于O—C 鍵[16]。因此,根據(jù)X 射線光電子能譜,在氧等離子體去膠后,SiC 外延層表面很可能形成了一層薄的SiO2層。

圖2 SiC 表面的XPS 圖譜,結(jié)合能范圍在0～800 eV。插圖為O1s 峰的放大XPS 圖譜Fig.2 XPS spectra for SiC surface in the region between 0 and 800 eV.The inset shows the XPS spectra of O1s peak

為了分析p 型接觸界面氧對(duì)SiC APD 暗電流的影響,分別對(duì)四種工藝條件下制備的器件進(jìn)行了電流-電壓曲線測(cè)試。圖3(a)、(b)分別描繪了器件A 在室溫下的反向和正向電流-電壓曲線。對(duì)于氧等離子體去膠后沒(méi)有進(jìn)行氫氟酸腐蝕的SiC APD,當(dāng)p 型電極金屬層為Ni、Ti、Al、Au 時(shí),在300 和500 ℃的退火溫度下,器件在雪崩前的暗電流一直保持在1×10-13～3×10-13A,當(dāng)反向偏壓達(dá)到198 V 時(shí),器件發(fā)生雪崩倍增。而當(dāng)退火溫度增加到600 ℃甚至更高時(shí),器件在低電壓下暗電流快速增加。當(dāng)反向偏壓為100 V 時(shí),器件A 在300,500,600,700,800 和900 ℃退火條件下的暗電流分別為1×10-13,3×10-13,9×10-11,5×10-7,1×10-7和2×10-6A?？梢?jiàn)對(duì)于p 型接觸界面存在氧氛圍的情況,當(dāng)選用Ni、Ti、Al、Au 作為p 型電極層時(shí),高溫退火將會(huì)導(dǎo)致器件雪崩前暗電流的快速增加。另外,從圖3(b)中可以看出,隨著退火溫度增加,器件開(kāi)啟電壓逐漸減小。如果將器件開(kāi)啟電壓定義在電流達(dá)到50 A/cm2的電壓值時(shí),當(dāng)退火溫度為300,700 和900 ℃時(shí),器件A 的開(kāi)啟電壓分別為10.5,10.1 和9.3 V。圖4(a)、(b)分別描繪了器件B 在室溫下的反向和正向電流-電壓曲線。對(duì)于氧等離子體去膠后沒(méi)有進(jìn)行氫氟酸腐蝕的SiC APD,當(dāng)p 型電極金屬層為T(mén)i、Al、Ti、Au 時(shí),在500～900 ℃的退火條件下,器件B 的暗電流在雪崩倍增前始終保持在1×10-13～5×10-13A 水平,雪崩電壓位于198 V。器件B 的正向開(kāi)啟電壓同樣隨退火溫度的增加而降低。因此,對(duì)于p 型接觸界面存在氧氛圍的SiC APD,與Ni、Ti、Al、Au 的p型電極層不同,當(dāng)p型電極為T(mén)i、Al、Ti、Au 時(shí),不會(huì)導(dǎo)致器件暗電流增加。為了比較p 型接觸氧氛圍對(duì)SiC APD 暗電流影響,表征了氧等離子體去膠后進(jìn)行氫氟酸腐蝕的器件C 和D 在室溫下的反向電流-電壓曲線,如圖5 所示。結(jié)果表明對(duì)于Ni 基和Ti 基的p 型電極金屬層,只要在氧等離子體去膠后進(jìn)行氫氟酸腐蝕處理,盡管經(jīng)歷高溫退火,SiC APD 雪崩前的暗電流仍均在10-13A 水平。綜上所述,氧等離子體去膠過(guò)程通過(guò)引入界面氧確實(shí)會(huì)對(duì)器件暗電流造成影響,但該影響與p 型接觸電極有關(guān)。若采用Ni基p 型金屬電極,界面氧會(huì)導(dǎo)致器件高溫退火后暗電流的急劇增加;若采用Ti 基p 型金屬電極,界面氧不會(huì)對(duì)器件暗電流產(chǎn)生明顯影響。在器件制備過(guò)程中要在可能引入界面氧氛圍的工藝后(如氧等離子體去膠),進(jìn)行氫氟酸腐蝕處理,以獲得低暗電流的SiC APD 器件。

圖3 器件A 在不同退火溫度下的電流-電壓曲線。(a)反向;(b)正向Fig.3 The current-voltage curves of device A at different annealing temperatures.(a) Reverse;(b) Positive

圖4 器件B 在不同退火溫度下的電流-電壓曲線。(a)反向;(b)正向Fig.4 The current-voltage curve of device B at different annealing temperatures.(a) Reverse;(b) Positive

圖5 器件C 和D 在不同退火溫度下的電流-電壓曲線。Fig.5 The current-voltage curves of device C and D at different annealing temperatures

為了研究界面氧的存在造成器件A 在高溫退火后暗電流升高的內(nèi)在機(jī)制,將四種器件依次在王水、氫氟酸、硝酸溶液和硫酸/過(guò)氧化氫溶液中腐蝕,去除金屬電極以暴露出電極下方p 型接觸界面,隨后采用SEM 觀察界面形貌。圖6(a1)、(a2)分別為器件A 在500 和800 ℃退火后p 型接觸界面的SEM 圖像。在500 ℃退火條件下,器件A 的p 型接觸半導(dǎo)體表面形貌光滑,而在800 ℃退火條件下,半導(dǎo)體表面出現(xiàn)很多尖峰,這說(shuō)明基于Ni 基p 型電極的SiC APD 在高溫退火后SiC 表面產(chǎn)生大量尖峰缺陷,這是導(dǎo)致該器件在高溫下暗電流迅速增加的主要原因。圖6(b1)、(b2)分別為器件B 在300 和700 ℃退火后p 型接觸界面的SEM 圖像,半導(dǎo)體表面存在低密度的凹陷坑。圖6(c1)、(c2)分別為器件C 在300 和900 ℃退火后p型接觸界面的SEM 圖像。在300 ℃退火條件下,半導(dǎo)體表面光滑,當(dāng)退火溫度增加到900 ℃時(shí),半導(dǎo)體表面仍然沒(méi)有出現(xiàn)明顯的缺陷。圖6(d1)、(d2)分別為器件D 在300 和900 ℃退火后p 型接觸界面的SEM 圖像,發(fā)現(xiàn)該器件的接觸界面在高溫退火后同樣不會(huì)產(chǎn)生大量缺陷。可見(jiàn),SiC 表面缺陷形成與p 型接觸金屬以及界面氧的存在密切關(guān)聯(lián)。對(duì)于Ti 基p 型電極的SiC APD,其SiC 表面比Ni 基p 型電極的SiC 表面平滑。氧等離子體去膠后,進(jìn)行氫氟酸腐蝕的SiC 表面形貌更光滑。氧的存在加劇了Ni 基p 型金屬與SiC 的合金化過(guò)程,使SiC 表面更加粗糙,尤其是在退火溫度高時(shí),凸起區(qū)域尖端上的電荷積累成為器件A 暗電流增加的主要原因[17]。因此,在SiC APD 制備過(guò)程中要避免p 型接觸界面氧氛圍的存在。

圖6 不同退火溫度下SiC APD p 型接觸界面SEM 形貌圖。(a1)器件A 500 ℃退火;(a2)器件A 800 ℃退火;(b1)器件B 300 ℃退火;(b2)器件B 700 ℃退火;(c1)器件C 300 ℃退火;(c2)器件C 900 ℃退火;(d1)器件D 300 ℃退火;(d2)器件D 900 ℃退火Fig.6 SEM images of SiC APD at different annealing temperatures.Decice A annealed at (a1)500 ℃and (a2) 800 ℃;Device B annealed at (b1) 300 ℃and (b2) 700 ℃;Device C annealed at (c1) 300 ℃and(c2) 900 ℃;Device D annealed at (d1) 300 ℃and (d2) 900 ℃

3 結(jié)論

為了討論p 型接觸界面氧對(duì)SiC APD 器件暗電流的影響,通過(guò)電流-電壓曲線和p 型接觸界面半導(dǎo)體表面SEM 表征對(duì)四組SiC APD 進(jìn)行了對(duì)照分析。發(fā)現(xiàn)p型接觸界面氧會(huì)促進(jìn)SiC 與p 型電極之間的反應(yīng),在高溫退火下,與Ti 基p 型電極相比,Ni 基p 型電極與SiC 反應(yīng)更為劇烈,從而導(dǎo)致金屬/SiC 之間的界面上產(chǎn)生大量的缺陷,造成器件暗電流急劇增加。綜合考慮器件暗電流和p 型接觸界面半導(dǎo)體形貌,SiC APD制備可以選取Ni 基或Ti 基p 型金屬層,但在器件制備過(guò)程中要盡可能避免氧氛圍的存在,可以在氧等離子體去膠等可能會(huì)引入氧氛圍的工藝流程后,采用氫氟酸濕法腐蝕的方法去除界面氧氛圍,從而降低器件暗電流。