專利名稱：惡劣環(huán)境下使用的雪崩光電二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及雪崩光電二極管，更具體地，本發(fā)明涉及一種在惡劣環(huán)境例如油井鉆探應(yīng)用中使用的雪崩光電二極管(APD)，其中雪崩光電二極管包括碳化硅(SiC)材料或氮化鎵(GaN)材料。
背景技術(shù)：
在油井鉆探工業(yè)中當(dāng)前需要伽馬射線的檢測。從地下的含(bearing)氫(H)化合物反射的高能伽馬(gamma)射線表示出可能含有石油的具體位置。強(qiáng)烈需要能夠檢測這種射線的小而堅(jiān)硬的傳感器且需要用于沖擊水平為大約250重力加速度(G)且溫度接近或超過150攝氏度(℃)的惡劣的井下(down-hole)環(huán)境中。
幾種當(dāng)前的技術(shù)采用光電倍增管(PMT)以便將低能級的紫外(UV)光信號轉(zhuǎn)換為可讀電平的電信號。然而，PMT具有負(fù)溫度系數(shù)。因此，隨著溫度的升高PMT靈敏度變得越低。當(dāng)震動(dòng)級別高時(shí)，PMT還易脆并易于失效。對于某種應(yīng)用(例如，在150℃下PMT有～50％的信號)，PMT的壽命會變得非常短，由此使它們的消耗成本就顯著增加。PMT面臨的另一個(gè)問題涉及高噪聲電平，其使精確的信號檢測越來越困難。
APD是使用通過施加反偏電壓起作用的內(nèi)增益機(jī)理的高速、高靈敏度的光電二極管。與PIN光電二極管相比，APD可以測量更低能級的光并廣泛用于需要高靈敏度的應(yīng)用中。由于硅的非常高的電離系數(shù)比，因此在APD中可以使用硅，其產(chǎn)生高增益帶寬生成并具有非常低的過量噪聲。然而，特別在光纖和1.3微米和1.5微米下的自由空間光通信波長下，硅具有非常低的吸收系數(shù)。使用硅用于ADP之中的倍增區(qū)的優(yōu)點(diǎn)是由于高的電離系數(shù)比，其導(dǎo)致更高的靈敏度、更高的增益帶寬生成、更低的噪聲和更高的溫度和電壓穩(wěn)定性。
其它常規(guī)的APD可以包含小電離系數(shù)比制約其性能的近紅外砷化銦鎵磷化銦(InGaAs/InP)APD，其導(dǎo)致低增益帶寬生成和高的過噪聲。在較短波長下，硅(Si)APDs廣泛用于需要高靈敏度和高增益帶寬產(chǎn)生的應(yīng)用。
相反，在高溫和強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境下，硅則不能很好地工作。硅具有固有的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)防礙了它在許多應(yīng)用中的易于使用和實(shí)施。更具體地，當(dāng)基于硅的器件暴露于惡劣環(huán)境或高于150攝氏度的溫度時(shí)，它就嚴(yán)重退化。需要復(fù)雜、昂貴的冷卻系統(tǒng)和封裝以幫助基于Si的APD的成功操作，這限制了它們在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用中廣泛使用。
在當(dāng)前的系統(tǒng)和技術(shù)中存在這些和其它缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)方面，一種用于檢測紫外光子的雪崩光電二極管包括具有第一摻雜劑的襯底；位于該襯底之上的具有第一摻雜劑的第一層；位于第一層之上的具有第二摻雜劑的第二層；位于第二層之上的具有第二摻雜劑的第三層；用于在雪崩光電二極管的表面上提供電鈍化的鈍化層；位于第三層之上的用于限制移動(dòng)離子輸運(yùn)的磷硅酸鹽玻璃層；以及用于提供歐姆接觸的一對金屬電極，其中第一電極位于襯底之下而第二電極位于第三層之上；其中雪崩光電二極管包括形成傾斜臺面形狀的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁；并且其中雪崩光電二極管工作在包括溫度大約等于150攝氏度的環(huán)境中。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一個(gè)方面，一種用于檢測伽馬射線的檢測系統(tǒng)包括用于接收至少一種伽馬射線并產(chǎn)生至少一種紫外線的閃爍晶體；用于檢測紫外線的雪崩光電二極管，其中該雪崩光電二極管包括具有第一摻雜劑的襯底；位于該襯底之上的具有第一摻雜劑的第一層；位于第一層之上的具有第二摻雜劑的第二層；位于第二層之上的具有第二摻雜劑的第三層；用于在雪崩光電二極管的表面上提供電鈍化的鈍化層；位于第三層之上的用于限制移動(dòng)離子輸運(yùn)的磷硅酸鹽玻璃層；以及用于提供歐姆接觸的一對金屬電極，其中第一電極位于襯底之下且第二電極位于第三層之上；其中雪崩光電二極管包括形成傾斜臺面形狀的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁；并且其中雪崩光電二極管工作在包括溫度大約等于150攝氏度的環(huán)境中；以及用于從閃爍晶體將紫外線聚焦到雪崩光電二極管的透鏡結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一個(gè)方面，一種陣列結(jié)構(gòu)包括多個(gè)雪崩光電二極管，其中每個(gè)雪崩光電二極管包括具有第一摻雜劑的襯底；位于該襯底之上的具有第一摻雜劑的第一層；位于第一層之上的具有第二摻雜劑的第二層；位于第二層之上的具有第二摻雜劑的第三層；用于在雪崩光電二極管的表面上提供電鈍化的鈍化層；位于第三層之上的用于限制移動(dòng)離子輸運(yùn)的磷硅酸鹽玻璃層；以及用于提供歐姆接觸的一對金屬電極，其中第一電極位于襯底之下且第二二電極位于第三層之上；其中雪崩光電二極管包括形成傾斜臺面形狀的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁；以及其中雪崩光電二極管工作在包括溫度大約等于150攝氏度的環(huán)境中。
現(xiàn)在，將參照附圖中示出的本發(fā)明的示例性實(shí)施例更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的各個(gè)方面。雖然參照優(yōu)選實(shí)施例在下面描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于此。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過其中的教導(dǎo)應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到其它的實(shí)施、修改和實(shí)施例、以及其它領(lǐng)域的使用將落入在此公開和要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，并且相對于這些本發(fā)明具有顯著的實(shí)用性。


為了易于更全面地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參照附圖。這些附圖不應(yīng)當(dāng)構(gòu)成對本發(fā)明的限制，而僅僅是示例性的。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的雪崩光電二極管的剖面圖的一個(gè)實(shí)例。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例形成有傾斜側(cè)壁的APD中的模型電場分布的一個(gè)實(shí)例。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的雪崩光電二極管器件中的模型電場分布的剖面的一個(gè)實(shí)例。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的來源于PSG膜的測量透射率和4H SiC的計(jì)算透射率的光學(xué)數(shù)據(jù)的一個(gè)實(shí)例。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的傾斜臺面分布的掃描電子顯微圖的一個(gè)實(shí)例。
圖6是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于APD的制造方法的流程圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的閃爍器和檢測器的一個(gè)實(shí)例。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的單一APD的頂視圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的陣列結(jié)構(gòu)的實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)方面提出一種在震動(dòng)水平接近250重力加速度(G)和/或溫度接近或超過150℃的惡劣的井下的環(huán)境下、用于油井鉆探應(yīng)用的雪崩光電二極管(APD)器件。本發(fā)明的另一個(gè)方面提出一種利用SiC材料制造的APD器件。本發(fā)明的另一個(gè)方面提出一種利用GaN材料制造的APD器件。雪崩光電二極管是一種在引起通過電荷載流子的累積倍增進(jìn)行放大的主光電流的反偏電壓下工作的光電二極管。當(dāng)反偏電壓向擊穿電壓增加時(shí)，由吸收的光子產(chǎn)生空穴-電子對。當(dāng)空穴-電子對獲得足夠能量以產(chǎn)生額外的空穴和電子對時(shí)，就產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，由此獲得信號增益。
特定質(zhì)量(例如，摻雜和厚度)的外延層決定了器件(例如，光電二極管)的工作特性(例如，雪崩電壓)及對于成功操作至關(guān)重要的增益。為SiC的特定晶相4H的電離系數(shù)具有正溫度效應(yīng)，由于在雪崩過程中離子化的需要，正溫度對于SiC光電二極管是非常重要的。4H SiC是一種具有寬帶隙(～3.2eV)和穩(wěn)定化學(xué)特性的材料。這種材料可以吸收UV光線。至少部分地由于寬帶隙，因此，本發(fā)明的實(shí)施例的器件就可以在高溫下工作。器件還采用通過n型外延層和p型襯底的p-n結(jié)。這樣一旦高反偏電壓提供到該器件時(shí)，其就可以是雪崩的位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，基于GaN的APD可以用于油井鉆探應(yīng)用。GaN是一種具有寬帶隙(3.4eV)和穩(wěn)定的化學(xué)特性的材料。這種材料可以吸收UV光線。本發(fā)明的GaN APD采用包括藍(lán)寶石的襯底或在襯底頂上生長的不同外延層的體GaN的襯底。GaN APD利用在高外加電壓下的p-n結(jié)以便在接近器件所需的工作點(diǎn)附近起始電雪崩或擊穿。這種類型的器件所需的電場為大約幾MeV/cm并且可通過器件的內(nèi)部耗盡區(qū)和大的外部偏壓實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，器件可以包含用于提供表面鈍化的二氧化硅(SiO2)鈍化層。這種SiO2層還作為防反射涂層，由此提高APD器件的光收集效率和總檢測效率。此外，可以在器件上淀積磷硅酸鹽玻璃(PSG)層以控制電特性，如果不淀積將受移動(dòng)離子的影響。例如，可以提供PSG層以便防止移動(dòng)離子遍及器件的移動(dòng)并防止降低器件性能。SiO2和PSG的保護(hù)層提供表面鈍化和移動(dòng)離子俘獲，允許更快且更有效的器件工作同時(shí)延長器件的壽命。此外，可以使用金屬化的方法來提供低阻接觸。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的APD的目的包括從閃爍器(或其它器件)中檢測由伽馬射線激發(fā)的低能級的紫外(UV)光子并將信號轉(zhuǎn)換為電信號。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的APD可以特別用在惡劣(例如，強(qiáng)震動(dòng)、高溫等)環(huán)境下，需要堅(jiān)固材料。本發(fā)明的一個(gè)方面提出一種n-p型APD而不是p-n型器件，其很難對材料缺陷實(shí)現(xiàn)給定它的高靈敏度。本發(fā)明的APD器件可以在SiC半導(dǎo)體材料的擊穿區(qū)域內(nèi)(例如，1-3MeV/cm)工作。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的雪崩光電二極管器件的剖面圖的一個(gè)實(shí)例。圖1示出了具有襯底110、第一外延層111、第二外延層112和第三外延層114的APD器件的剖面圖。重?fù)诫s襯底110通過器件的陽極用于提供電接觸?？梢栽谝r底上生長多個(gè)外延層，用于在材料中形成與深度成函數(shù)關(guān)系的所需的電場分布。第一外延層111可以用于終止在襯底/外延層界面處的缺陷并形成p-n結(jié)。第二外延層112可以用于允許UV光子的相對大的穿透深度，由此提高吸收和載流子產(chǎn)生事件的幾率。第三外延層114可以提供對于陰極的低阻接觸。這種結(jié)構(gòu)還可以用于限制強(qiáng)電場遠(yuǎn)離器件的表面并靠近p-n結(jié)，進(jìn)一步在以下討論的圖3和4中說明的方式下控制電場的分布。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，襯底110可以包含p-摻雜的4H SiC襯底，第一外延層111可以包含p-摻雜的4H SiC層，第二外延層112可以包含n-摻雜的4H SiC層，并且第三外延層114可以包含n-摻雜的SiC層。更具體地，襯底110的摻雜劑濃度可以為大約5e18cm-3；第一外延層111的摻雜劑濃度可以為大約1e17cm-3，第二外延層112的摻雜劑濃度可以為大約5e16cm-3-6e16cm-3；并且第二外延層114的摻雜劑濃度可以為大約5e18cm-3。第一外延層111可以具有大約1.5微米的厚度，第二外延層112可以具有大約3微米的厚度且第三外延層114可以具有大約0.4微米的厚度。還可以使用其它測量。例如，第一外延層111可以是0.2-5微米的厚度，優(yōu)選范圍為1-2微米。第二外延層112可以具有促進(jìn)吸收的厚度，可以是2-10微米范圍的厚度，優(yōu)選范圍為3-5微米。第三外延層114可以是0.1-2微米的厚度，優(yōu)選范圍為0.3-0.8微米。
金屬電極118和120可以包括各種金屬的組合。具體地，金屬電極118可以包含陰極端處的Ni/Ti/Mo/Au。金屬電極120可以包含陽極端處的Al/Ti/Pt/Au?？梢岳帽〗饘賹觼硇纬蓪τ趐和n接觸的電極同時(shí)保持低阻并最小化或消除電場的下降。可以采用提供歐姆接觸的其它材料。鈍化層116和122可以包括SiO2，其可以是100埃至幾微米(例如，大約5微米)的厚度，優(yōu)選厚度為1000埃-2微米之間。此外，可以使用PSG層124以防止移動(dòng)離子損壞靠近表面處的材料并減少UV表面反射。PSG層可以具有大約300埃-1微米的厚度?？梢圆捎闷渌牧虾秃穸确秶?br> 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，襯底110可以包含藍(lán)寶石、體GaN、體AlN或體AlGaN襯底。第一外延層111、第二外延層112和第三外延層114可以包含GaN、AlN、AlGaN或AlInGaN以形成將出現(xiàn)雪崩的p-n結(jié)。為了控制光的波長(或能量)，APD器件還可以包含各種不同Al和Ga濃度的AlGaN外延層。它還可以包含使用變化的Al、In和Ga濃度的AlInGaN層。第一外延層111可以具有大約2微米的厚度，第二外延層112可以具有大約3微米的厚度且第三外延層114可以具有大約0.4微米的厚度。還可以采用上述參照圖1討論的其它測量。在GaN APD中，金屬電極118和120可以包括各種金屬的組合。具體地，金屬電極118可以包含陰極端處的Ti/Au、Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Pt/Au。金屬電極120可以包含陽極端處的Ni/Au或Ni/Pt/Au?？梢岳帽〗饘賹觼硇纬捎糜趐和n接觸的電極同時(shí)保持低阻并最小化或消除電場的下降。可以采用提供歐姆接觸的其它材料。鈍化層116和122可以包括SiO2。此外，可以使用任選的PSG層124以防止移動(dòng)離子損壞靠近表面處的材料并減少UV表面反射。PSG層可以具有大約500埃-1微米的厚度?？梢圆捎闷渌牧虾秃穸确秶?。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的APD器件的有傾斜側(cè)壁的APD中的模型電場分布的一個(gè)實(shí)例。圖1示出了作為位置函數(shù)的電場，強(qiáng)調(diào)(highlighting)降低了在電荷最少的傾斜邊緣處的高電場。由214說明邊緣處更低的電場強(qiáng)度。與中等電場212相關(guān)的電場210說明遠(yuǎn)離邊緣集中的強(qiáng)電場分布。在大約2MV/cm下，電場210足夠高以能夠產(chǎn)生雪崩，同時(shí)保持遠(yuǎn)離SiC表面的滿意的距離(例如，＞1微米)，否則半導(dǎo)體將承受高表面泄漏。因此，SiO2層對于鈍化鄰近臺面結(jié)構(gòu)的傾斜側(cè)壁的表面處的不令人滿意的電結(jié)合很重要。此外，APD器件的傾斜臺面?zhèn)缺谑古_面邊緣附近存在的電荷數(shù)量最少，由此降低該中間區(qū)域處的電場。
可以采用基于干法離子的蝕刻技術(shù)來處理SiC和GaN材料，產(chǎn)生傾斜臺面?zhèn)缺?。例如，可以采用光刻膠、離子蝕刻工藝和/或基于氟的化學(xué)劑來形成APD器件的傾斜側(cè)壁臺面。傾斜臺面形狀使APD器件的高電場被限制在器件的中心，由此使雪崩機(jī)構(gòu)隨區(qū)域可縮放。換句話說，用于電場限制的傾斜臺面?zhèn)缺诘氖褂媚軌蚴蛊骷τ诟蠡蚋∮性磪^(qū)域的不同大小按比例變化。這對于將最大電場集中在器件之內(nèi)而不在器件邊緣非常有優(yōu)勢。
特殊SiC襯底和外延結(jié)構(gòu)可以提供在大約400-500V的擊穿。具體地，圖1中所示的實(shí)例結(jié)構(gòu)和摻雜可以貫穿如圖3中的320所示的整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)生電場分布，圖3說明在大約400V的擊穿的一個(gè)實(shí)施例。例如，在接近大約1.0E6V/cm處產(chǎn)生用作擊穿(以及雪崩)的峰值電場。這里，當(dāng)耗盡區(qū)(例如，高電場存在的區(qū)域)延伸大約5微米，用于到達(dá)峰值電場的偏壓可以為大約400V。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的雪崩光電二極管器件的模型電場分布的剖面圖的一個(gè)實(shí)例。由310示出了垂直穿過模型中心的圖例的電場強(qiáng)度圖，由320示出器件內(nèi)側(cè)沿傾斜邊緣的電場強(qiáng)度圖，由330示出覆蓋邊緣的氧化區(qū)中沿傾斜邊緣的電場強(qiáng)度圖。最大電場沿峰值在大約3.0E6V/cm處的垂直圖例310。SiC場320和氧化區(qū)場330都覆蓋在大約1.0E6V/cm處的斜面峰值?？梢哉J(rèn)為保持氧化區(qū)中小于大約2-3E6V/cm的峰值電場對氧化物可靠性很有用。因?yàn)檠匦泵娴穆窂介L度比垂直圖例更長時(shí)，沿這些圖例的電場點(diǎn)就具有更長的范圍。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的來自測量的PSG膜的透射率和計(jì)算的4H SiC的透射率的光學(xué)數(shù)據(jù)的一個(gè)實(shí)例。410說明空氣中測量的PSG的透射率。如圖4中所示，空氣中測量的PSG的透射率大于由420所示的期望來自SiC的計(jì)算值。420可以從4H SiC的折射系數(shù)確定。圖4示出表面覆蓋PSG除了阻擋移動(dòng)離子之外還提供更高能級的光吸收。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的APD器件在該器件的收集區(qū)域上而非器件邊緣處均勻地產(chǎn)生雪崩。本發(fā)明的正傾斜結(jié)在斜面邊緣處而不沿p-n結(jié)的均勻平坦部分使電場向外伸展。結(jié)果，在器件的有源區(qū)域且不沿著它的四周產(chǎn)生最大電場并由此產(chǎn)生雪崩操作。結(jié)果，在雪崩工作期間耗散的功率就跨越最寬的可能區(qū)域擴(kuò)散，由此避免形成熱點(diǎn)和相關(guān)的可靠性問題。第三外延層114用于防止較高電場通過耗盡區(qū)的內(nèi)部操縱到達(dá)表面。這種器件在高外加電壓下實(shí)現(xiàn)p-n結(jié)以便在鄰近器件的期望工作點(diǎn)處起始電雪崩(例如，擊穿)。這種類型器件的電場可以為大約幾MeV/cm，由器件內(nèi)部的耗盡區(qū)承受并通過高的外部偏壓產(chǎn)生。這種器件利用SiC和GaN材料和它的外延層的穩(wěn)定的化學(xué)特性以便在高溫(例如，150℃-200℃)和/或強(qiáng)震動(dòng)(例如，250G)下工作。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，在單獨(dú)吸收和倍增區(qū)(SAMR)器件中，可以在第一外延層111和第二外延層112之間插入附加層，其中附加層可以具有大約1.0微米的厚度和大約1e17cm-3的N摻雜劑濃度。本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例用于遠(yuǎn)離吸收區(qū)(例如，第二外延層112)將倍增區(qū)集中于p-n結(jié)(例如，最大電場處)。通過使倍增區(qū)中的隨機(jī)吸收現(xiàn)象最小化，這就有利于降低器件中觀察到的噪聲。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的雪崩方面形成一個(gè)附加的約束，特別是對臺面?zhèn)缺诘慕嵌?。?dāng)SiC和GaN擊穿并由此雪崩中需要強(qiáng)電場(例如，典型的大約1-3MV/cm下)時(shí)，期望限制電場遠(yuǎn)離APD器件邊緣以便使在表面處產(chǎn)生的漏電流最小。傾斜臺面可以包含以大約20-45度之間的角度交叉襯底的側(cè)壁。通常對于SiC有濕法和干法蝕刻技術(shù)，然而，干法蝕刻技術(shù)與濕法蝕刻技術(shù)相比通常更具有可重復(fù)性和可控制性。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可以采用干法蝕刻技術(shù)。
在干法蝕刻技術(shù)中，可以采用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)來實(shí)現(xiàn)臺面結(jié)構(gòu)。可以通過感應(yīng)耦合等離子體(ICP)來提高蝕刻效果，其將線圈添加到標(biāo)準(zhǔn)RIE室用于額外增強(qiáng)等離子體。原則上，這包括鄰近材料表面產(chǎn)生的額外的離子，其產(chǎn)生富含離子的等離子體并且比RIE等離子體具有更好的空間均勻性。結(jié)果可包括蝕刻控制(例如，物理和化學(xué))的改善和提高均勻性。
對于掩模材料不用特殊處理，根據(jù)選擇的光刻膠(PR)和在蝕刻前處理的條件，最終的臺面輪廓可以距襯底法線的改變大約為0-10度。
至少兩種方法用于產(chǎn)生具有所需角度的臺面。方法可以包含PR回流和灰度掩蔽?？梢酝ㄟ^通過曝光后硬烤光刻膠、將溶劑從PR中烘烤出來并讓表面變成“熔化”來進(jìn)行PR回流，由此改變了PR的形狀。例如，可以采用光刻膠以獲得所需大約4微米的目標(biāo)蝕刻深度。光刻膠可以提供大于大約10微米厚度的涂層，由此可以用SiC/PR的選擇性達(dá)到例如低至0.5微米的目標(biāo)蝕刻深度。圖5中示出這種技術(shù)和最終的ICP蝕刻的一個(gè)實(shí)例，其中4H SiC已經(jīng)形成有4微米臺面的剖面。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的傾斜臺面剖面的掃描電子顯微圖的一個(gè)實(shí)例。具體地，圖5說明SiC雪崩光電二極管拐角的掃描電子顯微圖。這顯示利用光刻膠的回流方法就能夠?qū)崿F(xiàn)傾斜臺面?zhèn)缺凇?br> 灰度利用光刻膠掩模，其是已被顯影以便實(shí)現(xiàn)幾個(gè)量級的曝光，如通過透明度或灰度來決定的。通過掩模曝光之后，根據(jù)在每一區(qū)域中通過掩模的并由掩模的透明度確定的接收的光的劑量，可以顯影除去光刻膠。因此，可以對光刻膠形成輪廓，而不需要將光刻膠加熱到可控制地實(shí)現(xiàn)所需要的PR輪廓的熔化狀態(tài)。當(dāng)蝕刻這種輪廓時(shí)，它就可以轉(zhuǎn)移進(jìn)入半導(dǎo)體材料中。灰度掩模提供高度控制且可重復(fù)的蝕刻。
圖6是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制造APD的方法的流程圖。步驟610中，制備襯底，其可以包含例如制備的體襯底和多種外延材料。步驟612中，可清洗晶片結(jié)構(gòu)，此晶片結(jié)構(gòu)包含步驟610的襯底和外延材料。步驟614中，可以進(jìn)行臺面構(gòu)圖?？梢酝ㄟ^步驟616中的光刻膠回流或步驟618的灰度掩蔽來形成臺面構(gòu)圖。步驟620中，可以進(jìn)行ICP蝕刻以形成臺面結(jié)構(gòu)。步驟622中，可以進(jìn)行構(gòu)圖。具體地，構(gòu)圖可以是這樣一種光刻處理，其中在晶片上以控制的速度旋涂光刻膠、用掩模對準(zhǔn)光刻膠、在高能量的光下曝光并顯影光刻膠。最終的光刻膠特征可以包含具有幾乎垂直的光刻膠特征的直側(cè)壁。步驟624中，可以進(jìn)行ICP蝕刻以便將臺面減薄為所需的厚度。步驟626中，可以在臺面表面上淀積SiO2層。步驟628中，可以將SiO2層構(gòu)圖并蝕刻為所需的形狀和/或厚度。步驟630中，可以形成陰極和陽極。陰極和陽極的形成可以進(jìn)一步包含構(gòu)圖、淀積、剝離、退火的附加步驟和/或其它附加步驟。步驟632中，可以在臺面表面上淀積PSG層。步驟634中，可以在此結(jié)構(gòu)上淀積至少一個(gè)接觸(例如，金接觸)。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的閃爍器和檢測器的一個(gè)實(shí)例。可以將SiC和GaN APD器件的上述特征用于閃爍器，閃爍器將伽馬射線輻射轉(zhuǎn)換為直接通過SiC和GaN APD可觀測的UV?？梢允褂脤①ゑR射線轉(zhuǎn)換為UV的閃爍器來用于實(shí)時(shí)檢測井下的伽馬射線。例如，本發(fā)明的SiC和GaN APD就可以檢測大約250-400nm的UV光。
可以結(jié)合閃爍晶體710使用APD 732來直接檢測伽馬射線的輻射。閃爍器700可包含用于接收伽馬射線730的閃爍晶體710、透鏡(或透鏡結(jié)構(gòu))712、如以上詳細(xì)描述的APD 714(例如，SiC APD或GaN APD)和放大器電子設(shè)備716。對于附加應(yīng)用和其它實(shí)施例可以包含其它元件。閃爍器700還可以包含壓縮板718、用于提供保護(hù)的屏蔽720和電纜連接器722?？梢詾楦郊討?yīng)用和其它實(shí)施例提供其它外圍結(jié)構(gòu)。
閃爍晶體710可以接收伽馬射線730并將例如來自地下含H化合物的伽馬射線730轉(zhuǎn)換為UV射線732。可以通過透鏡712(或其它透鏡結(jié)構(gòu))聚焦UV射線732并通過以上詳細(xì)描述的例如SiC APD或GaN APD的APD 714來接收UV射線732。可以采用附加的電子設(shè)備例如放大器電子設(shè)備716來增強(qiáng)、放大或處理接收的UV信號?？梢詫⑦@些元件結(jié)合到在不同應(yīng)用中利用的井下例如油井鉆探的管中。圖7的閃爍器利用SiC雪崩光電二極管的穩(wěn)定特性，如732所示，可在高溫(例如，150℃-200℃)和/或強(qiáng)震動(dòng)(例如，250G)下工作。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的單一APD的頂視圖。虛線表示傾斜區(qū)域的底部。如圖8所示，鈍化層116和122示出為覆蓋外部方形表面。陰極金屬118示出為中心區(qū)域。示出了在陰極金屬118以及鈍化層116和122之間的PSG層124的頂視圖。圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的陣列結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例。可以在陣列的形成中集成SiC和GaN APD的上述特征以便提高光收集和信號輸出。雖然示出了方形結(jié)構(gòu)，可以通過根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的APD陣列來形成其它形狀和結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明并不由在此描述的具體實(shí)施例的范圍限制。事實(shí)上，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過以上的描述和附圖，除了在此描述的具體實(shí)施例之外，本發(fā)明的各種修改將是顯而易見的。因此，希望這種修改落入以下所附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。此外，盡管在此以用于特殊目的的特殊環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，本發(fā)明的用途并不限于此，并且本發(fā)明可以在用于任意多種目的的任意多種環(huán)境中有利地實(shí)現(xiàn)。因此，以下提出的權(quán)利要求書構(gòu)成在此公開的本發(fā)明的全部實(shí)質(zhì)和精神。
部件表

權(quán)利要求
1.一種用于檢測紫外光子的雪崩光電二極管，該雪崩光電二極管包括襯底(110)，具有第一摻雜劑；位于該襯底之上的第一層(111)，其具有第一摻雜劑；位于第一層之上的第二層(112)，其具有第二摻雜劑；位于第二層之上的第三層(114)，其具有第二摻雜劑；鈍化層(116，122)，用于在該雪崩光電二極管的表面上提供電鈍化；位于第三層之上的磷硅酸鹽玻璃層(124)，用于限制移動(dòng)離子的輸運(yùn)；以及一對金屬電極(118，120)，用于提供歐姆接觸，其中第一電極位于該襯底之下且第二電極位于第三層之上；其中該雪崩光電二極管包括形成傾斜臺面形狀的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁；以及其中該雪崩光電二極管工作在包括溫度大約等于150攝氏度的環(huán)境中。
2.權(quán)利要求1的光電二極管，其中第一摻雜劑是p型且第二摻雜劑是n型。
3.權(quán)利要求1的光電二極管，其中襯底包括4H碳化硅且摻雜為大約5×1018cm-3。
4.權(quán)利要求3的光電二極管，其中第一層包括碳化硅且摻雜為大約1×1017cm-3。
5.權(quán)利要求4的光電二極管，其中第二層包括碳化硅且摻雜為大約5×1016cm-3。
6.權(quán)利要求5的光電二極管，其中第三層包括碳化硅且摻雜為大約5×1018cm-3。
7.權(quán)利要求1的光電二極管，其中形成傾斜臺面形狀的角度在20-60度之間。
8.權(quán)利要求1的光電二極管，其中形成傾斜臺面形狀的角度是大約20度。
9.權(quán)利要求6的光電二極管，其中襯底、第一層、第二層和第三層是4H多型體。
10.權(quán)利要求1的光電二極管，其中鈍化層包括二氧化硅并形成在第一側(cè)壁和第二側(cè)壁之上。
11.權(quán)利要求1的光電二極管，其中磷硅酸鹽玻璃層形成在第三碳化硅層的暴露部分上。
12.權(quán)利要求1的光電二極管，其中雪崩光電二極管在大約等于至少200℃的溫度下工作。
13.權(quán)利要求1的光電二極管，其中襯底、第一層、第二層和第三層包括氮化鎵。
14.權(quán)利要求1的光電二極管，其中雪崩光電二極管用于油井鉆探的應(yīng)用。
15.權(quán)利要求1的光電二極管，其中通過光刻膠回流工藝形成傾斜臺面形狀。
16.權(quán)利要求1的光電二極管，其中通過灰度掩蔽工藝形成傾斜臺面形狀。
全文摘要
本發(fā)明提出了利用SiC或GaN材料制造的一種APD器件。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種用于檢測紫外光子的雪崩光電二極管包括具有第一摻雜劑的襯底110；位于該襯底之上的具有第一摻雜劑的第一層111；位于第一層之上的具有第二摻雜劑的第二層112；位于第二層之上的具有第二摻雜劑的第三層114；用于在雪崩光電二極管表面上提供電鈍化的鈍化層(116，122)；位于第三層之上用于限制移動(dòng)離子輸運(yùn)的磷硅酸鹽玻璃層124；以及用于提供歐姆接觸的一對金屬電極(118，120)，其中第一電極位于襯底之下且第二電極位于第三層之上；其中雪崩光電二極管包括形成傾斜臺面形狀的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁；并且其中雪崩光電二極管工作在溫度大約等于150攝氏度的環(huán)境中。
文檔編號H01L31/113GK1507078SQ20031012460
公開日2004年6月23日 申請日期2003年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月10日
發(fā)明者P·M·桑德維克, D·M·布朗, S·D·阿圖爾, K·S·馬托查, J·W·克雷奇曼, P M 桑德維克, 克雷奇曼, 布朗, 阿圖爾, 馬托查 申請人:通用電氣公司