CN100383985C - 提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度方法及探测器 - Google Patents
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Abstract
提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度方法，在GaN表面设有AlN窗口材料，在顶层AlN材料上设有导电电极。在兰宝石衬底材料上生长下述异质结构材料：以低温GaN为缓冲层并外延生长GaN吸收层、AlN窗口层，并在顶层AlN材料上设有导电电极。GaN缓冲层、GaN吸收层、AlN窗口层的厚度分别为15-25nm、1200-2200nm、15-50nm。以上述材料制备垂直入射的光导型探测器。在上述条件下在AlN/GaN异质结界面可以获得强的极化电场。提高了收集效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体光电探测器，尤其是高响应度的氮化镓(GaN)等光导型紫外光电探测器及其制备方法。
背景技术
90年代以来，半导体III族氮化物GaN、A1N、InN及其合金AlGaN、InGaN等宽带隙材料和器件的应用研究和发展很快。紫外光电探测器是其中的一种器件。现有的探测器的结构主要分为光导型和光伏型(含p-n结、肖特基结等)两大类，探测器的衬底材料有兰宝石(sapphire)、硅(Si)等。吸收区材料为GaN、AlGaN、InGaN等，以获得不同波长范围的响应。材料的生长方法主要是采用金属有机化合物气相淀积(MOCVD)和分子束外延(MBE)。美国专利NS5847397给出了一种以兰宝石为衬底材料的氮化物光导型光电探测器，但其探测灵敏度仍可以提高。
发明内容
本发明的目的是：提供一种提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度的方法，尤其是通过提供氮化铝(AlN)作为宽带隙窗口材料以获得高响应度氮化镓(GaN)等光导型紫外光电探测器及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度的方法，其特征是在兰宝石衬底材料上外延生长1200-2200nm厚度的GaN和15-50nm厚度的AlN，并在最上层AlN材料上设有导电电极。
在上述条件下，在AlN/GaN异质结构中可以获得强的方向指向衬底的极化电场(polarization electric-field)。本发明也用于GaN基AlxGa1-xN、AlxInyGa1-x-yN材料光导型光电探测器及其制备方法。材料的禁带宽度低于AlN的禁带宽度。
具有氮化铝(AlN)宽带隙窗口材料的氮化镓(GaN)高响应度光导型紫外探测器，以兰宝石为衬底，以低温GaN(或低温AlN)为缓冲层，外延生长GaN光吸收区材料，紧接着在GaN层上生长AlN异质结构顶层窗口材料，制备成垂直入射的光导型探测器(见附图1)。AlN的禁带宽度比GaN的宽，不会影响GaN吸收区对光的吸收，利用AlN/GaN异质结构所特有的强的自发、压电极化效应所产生的强极化电场在空间上有效分离光生电子-空穴对，光生电子落入AlN/GaN界面的电子阱中，在输运过程中可以降低其直接复合损失，从而提高光生载流子寿命；光生电子在势阱中的迁移率也得到了提高；此外，GaN上外延生长的AlN可以降低GaN的表面态，在外加工作偏压下载流子流向伸入到内部GaN的金属电极处，可减少载流子的表面复合。以上诸因素使得光生载流子在器件内部的损失大大减少，从而提高了探测器的探测灵敏度-“响应度”。
在兰宝石衬底上生长AlN/GaN材料一般是采用MOCVD方法(也可以用其它如分子束外延等)，c-面(0001)兰宝石为衬底，经常规清洗后，放入反应室内，经预处理、缓冲层生长、外延层生长三个阶段完成材料生长。生长气源为三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、氨气(NH3)，载气为氢气(H2)。缓冲层和外延层的生长气源流量、温度、生长时间(决定材料结构的组分、厚度)均以常规方法控制。
本发明提出的新的光导型光电探测器结构的特点是：本发明是基于III族氮化物异质结特有的强极化效应实现高响应度的，用极化很强的AlN作为宽带隙窗口材料的GaN光导型探测器比没有用该窗口材料GaN单层结构探测器的响应度将大幅提高，例如此探测器在360nm峰值波长、3.0V偏压下的响应度为2430A/W，在5.0V偏压下的峰值响应度为4220A/W，而同样条件下制备的GaN单层结构探测器在363nm峰值波长、3.0V偏压下的响应度仅为206A/W，在5.0V偏压下的峰值响应度为542A/W。这两种探测器在上述条件下比较得出，本发明探测器的响应度在3.0V下提高了约11.8倍，在5.0V下提高了约7.8倍(见附图2，3)。本发明其原理是：从能带工程出发，选择了III族氮化物中极化最强的AlN做为GaN吸收层的宽带隙窗口材料，借助AlN/GaN异质结构的强极化电场，强烈地调节了GaN的能带，使GaN光吸收区中产生的光生电子-空穴对实现有效、迅速的空间分离，大大减小其直接复合，从而提高光生载流子寿命；光生电子落在势阱中输运其迁移率也得到了提高，有利于响应度的增大。此外，AlN钝化了GaN的表面态，且多层金属通过一定时间的快热退火将器件的电极穿过AlN伸入到内部的GaN层，也减少了载流子的表面复合，提高了收集效率。因此，本器件的响应度比没有AlN窗口层的GaN探测器有了大幅提高。
附图说明
图1为本发明有AlN窗口层的GaN光导型紫外探测器器件的结构剖面示意图
图2为本发明光电探测器和GaN单层探测器在3.0V偏压下的典型光电响应谱图
图3为本发明光电探测器和GaN单层探测器的峰值响应度与外加偏压的关系图
具体实施方式
如图所示，图1中AlN/GaN异质结构紫外光电探测器，在c-面(0001)兰宝石衬底材料上依次生长：低温GaN(LT-GaN)缓冲层、高温GaN(HT-GaN)吸收层、AlN窗口层，并在顶层AlN材料上设有导电电极。GaN缓冲层、GaN吸收层、AlN窗口层的厚度分别为15-25nm、1200-2200nm、15-50nm。在上述条件下在AlN/GaN界面均可以获得方向指向衬底的强极化电场。
生长方法是：以兰宝石为衬底，以低温GaN(厚度为15-25nm)或AlN(厚度为15-25nm)为缓冲层，在缓冲层即图中LT-GaN上生长GaN外延层(厚度为1200-2200nm)作为光吸收区，再在GaN上外延生长AlN窗口层(厚度为15-50nm)。
生长工艺为：气源为高纯三甲基镓(TMG)、高纯三甲基铝(TMA)、高纯氨气(NH3)，载气为高纯氢气(H2)。
低温GaN缓冲层的生长及退火：
TMG(三甲基镓)流量：10-15sccm，NH3流量：2-5slm，H2流量：2-4slm
温度：450-500℃
时间：120-150sec
压力：750Torr
退火：H2流量1.0slm；NH3流量3.5slm；温度930℃；时间3min
吸收层GaN的生长：
TMG流量：30-50sccm，NH3流量：3.0-4.0slm，H2流量：0.5-1slm
温度：1050-1100℃
时间：30-70min
压力：750Torr
窗口层AlN的生长及退火：AlN窗口层厚度为15-50nm。
TMA(三甲基铝)流量：5-15sccm，NH3流量：3-5slm H2流量：0.5-1slm
温度：1050-1100℃，
时间：100-400sec
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热退火：NH3流量3.5slm；温度1080℃；时间4min
本发明实施例的条件更佳的条件是，下述条件所得到的样品为所测试图给出：
TMA流量：10-12sccm；NH3流量：3-4slm；H2流量：0.5-0.8-slm；
温度：1080℃-1100℃；时间：300-350sec。
本发明实施例的条件还包括下述二个条件：TMA流量：6、15sccm，NH3流量：3、5slm
H2流量：0.8、1slm；温度：1050和1100℃；时间：150、375sec；也能得到与测试图类似的结果。
本发明AlN窗口层GaN高响应紫外光电探测器器件的制备，采用AlN/GaN异质结构，顶层有金属电极。图1中电极为Ti/Al/Ni/Au多层金属电极。电极图形为叉指形，典型电极条宽为10μm，长为550μm，电极间距为5-20μm，可以设计多个子单元并联，以增大管芯输出光生电流。电极金属采用多层金属以获得良好的欧姆接触，Ti/Al/Ni/Au的典型厚度依次为30/100/40/200nm，用电子束蒸发获得。金属电极图形采用光刻技术和正胶剥离技术制备。金属电极的合金化：在高纯N2中，900℃，10-50秒的条件下使金属电极通过AlN表层伸入到下面的GaN。由于本发明GaN及AlN材料的能带为宽的直接带隙，因此，适用于紫外波段的光电探测器器件。
Claims (4)
1.提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度方法，其特征是在GaN表面设有AlN窗口材料，在顶层AlN材料上设有导电电极，在兰宝石衬底材料上生长下述结构的材料：AlN/GaN叠层；GaN、AlN的厚度分别1200-2200nm、15-50nm。
2.由权利要求1所述的提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度方法，其特征是在GaN表面设有AlN窗口材料生长条件是，在真空条件下，TMA流量：5-15sccm，NH3流量：3-5slm，H2流量：0.5-1slm；温度：1050-1100℃，生长时间：100-400sec。
3.由权利要求1所述的提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度方法，其特征是以c-面(0001)兰宝石为衬底，经常规清洗后，放入反应室内采用MOCVD方法生长，经预处理、缓冲层生长、外延层生长三个阶段完成材料生长；生长气源为三甲基镓(TGM)、三甲基铝(TMA)、氨气(NH3)，载气为氢气(H2)；其特征是用电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属叠层作为电极，金属电极的图形采用光刻技术和正胶剥离技术制备，金属电极在纯N2中，900℃、10-50秒的合金化条件下使金属电极通过AlN顶层伸入到下面的GaN层。
4.氮化镓光导型紫外光电探测器，其特征是在兰宝石衬底上，设有低温GaN或低温AlN为缓冲层，其厚度为15-25nm，并在缓冲层上生长GaN，厚度为1200-2200nm及AlN异质窗口层，厚度为15-50nm，并设有金属电极通过AlN表层伸入到下面的GaN层。
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