CN100369271C - 氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器及制作方法 - Google Patents

氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器及制作方法 Download PDF

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Abstract

一种氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器，其中包括：一衬底；一高N型掺杂浓度层，该欧姆接触层制作在衬底上；一有源层，该有源层制作在高N型掺杂浓度层的上面，该有源层的面积小于欧姆接触层；一肖特基势垒高度增强层，该肖特基势垒高度增强层制作在有源层上；一N型肖特基接触电极，该肖特基电极制作在肖特基势垒高度增强层上；一N型欧姆接触电极，该N型欧姆接触电极制作在高N型掺杂浓度层上。

Description

氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器及制作方法
技术领域
本发明属于半导体器件领域，特别是指一种新型的氮化镓(GaN)基肖特基势垒高度增强型紫外探测器及制作方法。
背景技术
作为第三代半导体，氮化镓(GaN)及其系列材料(包括包括氮化铝、铝镓氮、铟镓氮、氮化铟)以其禁带宽度大、光谱范围宽(覆盖了从紫外到红外全波段)、耐高温性和耐腐蚀性好，在光电子学和微电子学领域内有巨大的应用价值。GaN紫外探测器是一种非常重要的GaN基光电子器件，在导弹告警、火箭羽烟探测、紫外通信、生化武器探测、飞行器制导、宇宙飞船、火灾监测等民用、军用领域有着重要的应用价值。与Si紫外探测器相比，GaN基紫外探测器由于具有可见光盲、量子效率高、可以在高温和苛性环境下工作等等不可比拟的优点，在实际应用中可以做到虚警率低、灵敏度高、抗干扰能力强，极大的受到了人们的关注。
目前，国际上已研制出金属-半导体-金属(MSM)结构、肖特基结构、pin结构等多种结构的GaN紫外探测器，肖特基结构具有自己独特的有点，受到了人们的关注。但是与pin结构相比，肖特基结构势垒高度偏低，导致肖特基结构探测器的暗电流较大、器件效率偏低。阻碍了肖特基结构探测器的实际应用和进一步发展。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种GaN基肖特基势垒高度增强型紫外探测器及制作方法，其可增加肖特基势垒高度，从而减小探测器的暗电流、提高探测器的外量子效率。本发明对普通的GaN基肖特基紫外探测器结构做了改进，其特征在于，在普通的GaN基肖特基结构N--AlxGa1-xN/N+-AlxGa1-xN(0≤x＜1)中的N--AlxGa1-xN的表面外加一层厚度为(0，80nm)、空穴浓度大于1×1016cm-3的P-AlyGa1-yN层(0≤x≤y≤1)。由于P-AlyGa1-yN/N--AlxGa1-xN之间的电场方向与金属-N--AlxGa1-xN之间的电场方向一致，对于金属的电子来说，势垒高度增强了。我们知道，器件的暗电流与肖特基势垒高度紧密相关，由于肖特基势垒高度的增强，新器件的暗电流将下降，另外，肖特基结区的电场强度也随之增强，将更有效的将光生电子-空穴对扫出电场区，形成光电流，从而器件的外量子效率也得到了提高。
本发明一种氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一高N型掺杂浓度层，该高N型掺杂浓度层制作在衬底上；
一有源层，该有源层制作在高N型掺杂浓度层的上面，该有源层的面积小于高N型掺杂浓度；
一肖特基势垒高度增强层，该肖特基势垒高度增强层制作在有源层上；
一N型肖特基接触电极，该肖特基电极制作在肖特基势垒高度增强层上；
一N型欧姆接触电极，该N型欧姆接触电极制作在高N型掺杂浓度层上。
其中所述的N型欧姆接触电极为点结构或环形结构。
其中所述的衬底为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料。
其中高N型掺杂浓度层为高电子浓度的N型氮化镓材料，其电子浓度大于1×1018cm-3。
其中有源层为低电子浓度的本征氮化镓材料，其电子浓度小于1×1017cm-3。
本发明一种氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，在衬底上利用外延生长设备生长高N型掺杂浓度层；
第二步，在高N型掺杂浓度层上生长有源层；
第三步，在有源层上生长肖特基势垒高度增强层；
第四步，将高N型掺杂浓度层上的有源层和肖特基势垒高度增强层13部分刻蚀；
第五步，在肖特基势垒高度增强层上制作N型肖特基电极；
第六步，在高N型掺杂浓度层上制作N型欧姆接触电极；
第七步，将衬底减薄至100微米，然后进行管芯分割，封装在管壳上，制成氮化镓基紫外探测器器件。
其中所述的N型欧姆接触电极为点结构或环形结构。
其中所述的衬底为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料。
其中高N型掺杂浓度层为高电子浓度的N型氮化镓材料，其电子浓度大于1×1018cm-3。
其中有源层为低电子浓度的本征氮化镓材料，其电子浓度小于1×1017cm-3。
其中肖特基势垒高度增强层的厚度小于80纳米，空穴浓度大于1×1016cm-3。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明中氮化镓(GaN)基肖特基势垒高度增强型紫外探测器的器件结构示意图；
图2是两种器件结构的导带图；其中，实线表示普通的肖特基结构的导带，虚线表示肖特基势垒高度增强型结构的导带，势垒高度增加了大约0.48eV。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器，其特征在于，其中包括：
一衬底10，该衬底10为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料；
一高N型掺杂浓度层11，该欧姆接触层11制作在衬底10上，该高N型掺杂浓度层11为高电子浓度的N型氮化镓材料，其电子浓度大于1×1018cm-3；
一有源层12，该有源层12制作在高N型掺杂浓度层11的上面，该有源层12的面积小于欧姆接触层11，该源层12为低电子浓度的本征氮化镓材料，其电子浓度小于1×1017cm-3；
一肖特基势垒高度增强层13，该肖特基势垒高度增强层13制作在有源层12上；
一N型肖特基接触电极14，该肖特基电极14制作在肖特基势垒高度增强层13上，该肖特基势垒高度增强层13为P型铝镓氮材料，其铝组分不低于有源层12的铝组分；
一N型欧姆接触电极15，该N型欧姆接触电极15制作在高N型掺杂浓度层11上，该N型欧姆接触电极15为点结构或环形结构。
请再参阅图1所示，本发明一种氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在衬底10上利用外延生长设备生长高N型掺杂浓度层11，该衬底10为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料；
(2)在高N型掺杂浓度层11上生长有源层12，该高N型掺杂浓度层11为高电子浓度的N型氮化镓材料，其电子浓度大于1×1018cm-3；
(3)在有源层12上生长肖特基势垒高度增强层13，该有源层12为低电子浓度的本征氮化镓材料，其电子浓度小于1×1017cm-3；
(4)将高N型掺杂浓度层11上的有源层12和肖特基势垒高度增强层13部分刻蚀，该肖特基势垒高度增强层13为P型铝镓氮材料，其铝组分不低于有源层12的铝组分，该肖特基势垒高度增强层13的厚度小于80纳米，空穴浓度大于1×1016cm-3；
(5)在肖特基势垒高度增强层13上制作N型肖特基电极14；
(6)在高N型掺杂浓度层11上制作N型欧姆接触电极15，该欧姆电极15为点结构或环形结构；
(7)将衬底10减薄至100微米左右，然后进行管芯分割，封装在管壳上，制成氮化镓基紫外探测器器件。
为了进一步说明本器件结构的效果，我们以响应截止波长为365nm的GaN肖特基势垒高度增强型紫外探测器为例说明该器件结构的制备过程，具体如下：利用MOCVD设备以蓝宝石为衬底10生长出器件结构，该结构包括N+-GaN层11(厚度为3μm、电子浓度为5×1018cm-3)、有源区N--GaN层12(厚度为0.4μm、电子浓度为5×1016cm-3)和肖特基势垒高度增强层P-GaN层13(厚度为50nm、空穴浓度为5×1017cm-3)。管芯尺寸为300μm ×300μm。用干法刻蚀等方法刻出台阶结构，露出N+-GaN层11。然后用光刻、镀膜等方法先后作出N型肖特基接触电极14(Ni/Au电极，其中Ni、Au厚度分别为3nm、5nm)、N型欧姆接触电极15(Ti/Al电极)，其中，需要在500℃退火5分钟来实现肖特基透明电极和改善肖特基接触特性。最后再进行减薄、切割、压焊、封装成紫外探测器器件样品。
我们对本发明的提出的新的肖特基势垒高度增强型器件结构与普通的肖特基结构探测器的能带进行了模拟计算，并进行了对比，其中：
图2两种器件结构的导带图。其中，实线表示普通的肖特基结构的导带，虚线表示肖特基势垒高度增强型结构的导带，势垒高度增加了大约0.48eV。
从上述的模拟计算结果来看，相比普通的器件结构，表面盖P-GaN层的新的GaN肖特基结构紫外探测器的势垒高度的确增强了。
本发明提出了一种新型的氮化镓(GaN)基肖特基结构紫外探测器。模拟计算表明，该结构将增加肖特基结的势垒高度，将有效的降低器件的暗电流和提高器件的外量子效率。

Claims (11)

1.一种氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一高N型掺杂浓度层，该高N型掺杂浓度层制作在衬底上；
一有源层，该有源层制作在高N型掺杂浓度层的上面，该有源层的面积小于高N型掺杂浓度层；
一肖特基势垒高度增强层，该肖特基势垒高度增强层制作在有源层上；
一N型肖特基接触电极，该肖特基电极制作在肖特基势垒高度增强层上；
一N型欧姆接触电极，该N型欧姆接触电极制作在高N型掺杂浓度层上。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器，其特征在于，其中所述的N型欧姆接触电极为点结构或环形结构。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器，其特征在于，其中所述的衬底为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料。
4.根据权利要求1所述的氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器，其特征在于，其中高N型掺杂浓度层为高电子浓度的N型氮化镓材料，其电子浓度大于1×1018cm-3。
5.根据权利要求1所述的氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器，其特征在于，其中有源层为低电子浓度的本征氮化镓材料，其电子浓度小于1×1017cm-3。
6.一种氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，在衬底上利用外延生长设备生长高N型掺杂浓度层；
第二步，在高N型掺杂浓度层上生长有源层；
第三步，在有源层上生长肖特基势垒高度增强层；
第四步，将高N型掺杂浓度层上的有源层和肖特基势垒高度增强层部分刻蚀；
第五步，在肖特基势垒高度增强层上制作N型肖特基电极；
第六步，在高N型掺杂浓度层上制作N型欧姆接触电极；
第七步，将衬底减薄至100微米，然后进行管芯分割，封装在管壳上，制成氮化镓基紫外探测器器件。
7.根据权利要求6所述的氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中所述的N型欧姆接触电极为点结构或环形结构。
8.根据权利要求6所述的氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中所述的衬底为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料。
9.根据权利要求6所述的氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中高N型掺杂浓度层为高电子浓度的N型氮化镓材料，其电子浓度大于1×1018cm-3。
10.根据权利要求6所述的氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中有源层为低电子浓度的本征氮化镓材料，其电子浓度小于1×1017cm-3。
11.根据权利要求6所述的氮化镓基肖特基势垒高度增强型紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中肖特基势垒高度增强层的厚度小于80纳米，空穴浓度大于1×1016cm-3。
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