CN100544038C - 无应变InAlGaN/GaN PIN光电探测器 - Google Patents

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无应变InAlGaN/GaN PIN光电探测器，涉及一种光电探测器，尤其是涉及一种将光信号转换为电信号的铟铝镓氮/氮化镓(InAlGaN/GaN)PIN光电探测器。提供一种无应变InAlGaN/GaN PIN光电探测器。设有蓝宝石(Al2O3)衬底、GaN缓冲层、n-GaN层、i-InAlGaN光敏层、p-InAlN层和p-GaN顶层，从下至上GaN缓冲层、n-GaN层、i-InAlGaN光敏层、p-InAlN层和p-GaN顶层依次设在蓝宝石(Al2O3)衬底上，在p-GaN顶层上设有p电极，在n-GaN层上设有n电极。

Description

无应变InAlGaN/GaN PIN光电探测器
技术领域
本发明涉及一种光电探测器，尤其是涉及一种将光信号转换为电信号的铟铝镓氮/氮化镓(InAlGaN/GaN)PIN光电探测器。
背景技术
GaN基材料(即III-V族氮化物主要包括GaN，AlN，InN及其三元和四元合金固溶物)具有宽直接带隙，强化学键，耐高温，抗腐蚀，高击穿电场，高的电子饱和速率等特点，是制造短波长高亮度发光器件，半导体激光器，紫外光探测器，和高温，高频微电子的理想材料。又由于GaN基三元合金和四元合金禁带宽度连续可调，其相对应的直接带隙波段从可见光覆盖至紫外光。这使得GaN基在紫外光光电子器件方面的应用格外引人注目。
目前，紫外光电探测器一般采用AlGaN/GaN结构，因为AlGaN的禁带宽度可从3.4ev调节到6.2ev(Michael E.Levinshtein.Sergey L.Rumyantsev，先进半导体材料性能与手册[M]，化学工业出版社，2003)，其截止波长对应365～200nm，正对应紫外光区，但随着AlGaN中的Al组份增加，AlGaN和GaN之间的晶格失配变大，导致应力变大，又由于AlGaN具有较小的晶格常数，在外延生长过程中，AlGaN会在生长平面的方向上扩张，当AlGaN的生长厚度超过生长的临界层厚度(施敏，半导体器件物理与工艺[M]，苏州大学出版社，2002)时，AlGaN外延层位错密度会增大，而位错密度增大会导致器件性能降低，因此以AlGaN/GaN结构来做PIN探测器，其有源层的宽度会被限制在某一范围内。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的光电探测器存在应力等问题，提供一种无应变InAlGaN/GaNPN光电探测器。
本发明的技术方案是采用与GaN晶格相匹配的四元合金InAlGaN外延片作为有源层，从根本上解决紫外光电探测器常出现的应变问题。
本发明设有蓝宝石(Al2O3)衬底、GaN缓冲层、n-GaN层、i-InAlGaN光敏层、p-InAlN层和p-GaN顶层，从下至上GaN缓冲层、n-GaN层、i-InAlGaN光敏层、p-InAlN层和p-GaN顶层依次设在蓝宝石(Al2O3)衬底上，在p-GaN顶层上设有p电极，在n-GaN层上设有n电极。
最好GaN缓冲层的厚度为1～3μm，n-GaN层的厚度为1～3μm，i-InAlGaN光敏层的厚度为100～400nm，p-InAlN层的厚度为50～400nm，p-GaN顶层的厚度为5～50nm。
p电极可采用Ni/Au金属电极，Ni/Au金属电极的厚度为(5～20)nm/(5～20)nm；n电极可采用Cr/Al/Au金属电极，Cr/Al/Au金属电极的厚度为(10～40)nm/(10～40)nm/(10～100)nm。
本发明可采用LP-MOCVD设备，高纯H2、N2作为载气，整个生长压力控制在50～760Torr下制备，其具体步骤如下：
将(0001)取向的蓝宝石衬底装入反应器，在H2气氛下加热进行热处理，接着降温对衬底进行氮化处理；在相同的温度和压力下生长低温GaN缓冲层，接着升温生长GaN层及掺硅n-GaN层；降温在N2气氛下生长i-InAlGaN作为光敏层，接着在相同的温度下再生长掺镁p-InAlN，最后升温至生长的掺镁p-GaN层作为欧姆接触。外延片生长完成后在N2气氛下退火以激活p型杂质。
与现有的GaN基的PIN光电探测器相比，本发明的结构具有突出的优点，利用LP-MOCVD生长四元合金InAlGaN作为PIN探测器的有源区，根据其材料特性，即禁带宽度和晶格常数可独立变化，使其与GaN晶格常数相匹配，从而实现：
1)器件的宽有源区；2)器件的高量子效率；3)材料的低位错密度；4)器件的低暗电流；5)器件的高可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明设有蓝宝石(Al2O3)衬底1、GaN缓冲层2、n-GaN层3、i-InAlGaN光敏层5、p-InAlN层6和p-GaN顶层7，从下至上GaN缓冲层2、n-GaN层3、i-InAlGaN光敏层5、p-InAlN层6和p-GaN顶层7依次设在蓝宝石(Al2O3)衬底1上，在p-GaN顶层7上设有p电极8，在n-GaN层3上设有n电极4。
GaN缓冲层2的厚度为1～3μm，n-GaN层3的厚度为1～3μm，i-InAlGaN光敏层5的厚度为100～400nm，p-InAlN层6的厚度为50～400nm，p-GaN顶层7的厚度为5～50nm。
p电极8采用Ni/Au金属电极，Ni/Au金属电极的厚度为(5～20)nm/(5～20)nm；n电极4采用Cr/Al/Au金属电极，Cr/Al/Au金属电极的厚度为(10～40)nm/(10～40)nm/(10～100)nm。
本发明可采用LP-MOCVD设备，高纯H2、N2作为载气，整个生长压力控制在50～760Torr下制备，其具体步骤如下：
将(0001)取向的蓝宝石衬底装入反应器，反应室的压力为50～400Torr，在H2气氛下加热至1080℃进行热处理10min，接着降温至500～600℃对衬底进行60～150s的氮化处理；在相同的温度和压力下生长30～40nm的低温GaN缓冲层，接着升温至1050℃生长厚度为2μm的GaN层及厚度3μm的掺硅n-GaN层；降温至700～850℃在N2气氛下生长0.4μm的i-InAlGaN作为光敏层，接着在相同的温度下再生长掺镁的0.1μm的p-InAlN，最后升温至1038℃生长0.1μm的掺镁p-GaN层作为欧姆接触。外延片生长完成后再在800℃N2气氛下退火10min以激活p型杂质。
本发明的Ga、In、Al、N、Mg、Si源分别为高纯的三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)、氨气(NH3)、二茂镁(Cp2Mg)和硅烷(SiH4)。
生长GaN缓冲层的压力为50～400Torr，载气流量为10～30slm，TMGa流量为12.5sccm，NH3流量为2slm。
生长GaN及n-GaN层的压力为200Torr，载气流量为5slm，TMGa流量为30sccm，NH3流量为5slm，SiH4的流量为0.8sccm。
生长i-InAlGaN层的压力为50～100Torr，载气为N2或者H2与N2的混合气，相应比为1:500，流量为5slm，TMGa流量为65μmol/min，TMAl流量为20μmol/min，TMIn流量为15μmol/min，NH3流量为2mol/min.。
生长p-InAlN层的压力为50～100Torr，载气流量为5slm，TMAl流量为32μmol/min，TMln流量为68μmol/min，NH3流量为6mol/min，Cp2Mg的流量为100sccm。
生长p-GaN层的压力为100Torr，载气流量为5slm，TMGa流量为15sccm，NH3流量为4.2slm，Cp2Mg的流量为0.26slm。
生长与GaN晶格相匹配的外延片i-InAlGaN的摩尔分数分别为In：0.049，Al：0.219，Ga：0.732，生长压力为50～100Torr，p-InAlN的摩尔分数分别为In：0.183，Al：0.817，生长压力为50～100Torr。
器件的工艺流程可表示为：材料生长→激活退火→溅射Al保护膜→光刻→ICP刻蚀台面→光刻→ICP刻蚀光敏面→n电极预处理→光刻→溅射Cr、Al、Au→剥离形成n电极→n电极合金化→p电极预处理→光刻→溅射Ti、Au→剥离形成p电极→p电极合金化→溅射Ni、Au→剥离形成焊盘。

Claims (8)

1.无应变InAlGaN/GaN PIN光电探测器，其特征在于设有蓝宝石衬底、GaN缓冲层、n-GaN层、i-InAlGaN光敏层、p-InAlN层和p-GaN顶层，从下至上GaN缓冲层、n-GaN层、i-InAlGaN光敏层、p-InAlN层和p-GaN顶层依次设在蓝宝石衬底上，在p-GaN顶层上设有p电极，在n-GaN层上设有n电极；与GaN晶格相匹配的外延片i-InAlGaN的摩尔分数分别为In：0.049，Al：0.219，Ga：0.732，p-InAlN的摩尔分数分别为In：0.183，Al：0.817；
所述p电极为Ni/Au金属电极；所述n电极为Cr/Al/Au金属电极。
2.如权利要求1所述的无应变InAlGaN/GaN PIN光电探测器，其特征在于GaN缓冲层的厚度为1～3μm。
3.如权利要求1所述的无应变InAlGaN/GaN PIN光电探测器，其特征在于n-GaN层的厚度为1～3μm。
4.如权利要求1所述的无应变InAlGaN/GaN PIN光电探测器，其特征在于i-InAlGaN光敏层的厚度为100～400nm。
5.如权利要求1所述的无应变InAlGaN/GaN PIN光电探测器，其特征在于p-InAlN层的厚度为50～400nm。
6.如权利要求1所述的无应变InAlGaN/GaN PIN光电探测器，其特征在于p-GaN顶层的厚度为5～50nm。
7.如权利要求1所述的无应变InAlGaN/GaN PIN光电探测器，其特征在于Ni/Au金属电极的厚度为(5～20)nm/(5～20)nm。
8.如权利要求1所述的无应变InAlGaN/GaN PIN光电探测器，其特征在于Cr/Al/Au金属电极的厚度为(10～40)nm/(10～40)nm/(10～100)nm。
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