CN101777600A - 氮化镓基紫外-红外双色探测器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种氮化镓基紫外-红外双色探测器，其中包括：一衬底；一欧姆接触层，该欧姆接触层制作在衬底上；一紫外吸收层，该紫外吸收层制作在欧姆接触层上的一侧，该紫外吸收层的面积小于欧姆接触层的面积，在欧姆接触层的另一侧形成一台面；一红外吸收层，该红外吸收层制作在紫外吸收层上；一第一欧姆电极，该第一欧姆电极制作在红外吸收层上；一第二欧姆电极，该第二欧姆电极制作在欧姆接触层上的台面上。
Description
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)基紫外-红外双色探测器及制作方法。
背景技术
紫外-红外双色探测技术在诸如火灾、气象、军事探测等方面有着非常重要的应用价值。采用紫外-红外双色探测，可以大大提高探测目标的识别概率。现在，紫外-红外探测系统由于探测器或光学系统的限制，目前还无法实施紫外和红外共用同一探测器探测，所使用的紫外-红外双色探测系统大多采用紫外、红外两个单独探测单元探测，系统结构和信息处理非常复杂。若实现紫外、红外共用同一个探测器进行紫外-红外双色探测，不仅可以使用一个光学系统，提高系统应用性能，而且可以大大提高探测效率。因此研究用同一探测单元同时进行紫外-红外双色探测是非常必要的。
作为第三代半导体，氮化镓(GaN)及其系列材料(包括氮化铝、氮化铟、铝镓氮、铟镓氮)以其光谱范围宽(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基材料为紫外-红外双色探测器件的研制提供了很好的材料基础，进行GaN基紫外-红外双色探测器的研究，可以大大推动紫外-红外双色探测技术的发展。
目前，国际上已研制出GaN/i-AlxGa1-xN(0＜x≤1)/GaN紫外-红外探测器，此结构由于可以同时实现红外和紫外的光探测，受到了人们的关注。原理如下：N+-GaN/i-AlxGa1-xN(0＜x≤1)之间的导带带阶差在0-2eV范围内，正好处于红外波段，即利用N+-GaN/i-AlGaN HEIWIP效应(导带阶差的内光电子发射)可以实现红外探测，利用i-AlxGa1-xN(0＜x≤1)层本征吸收实现紫外探测。这样用GaN基材料就可以同时实现红外和紫外双色探测。但是由于GaN和i-AlxGa1-xN(0＜x≤1)存在较严重的晶格失配，不仅材料生长过程中容易形成裂纹，而且光生载流子很容易在界面复合，从而降低了器件的外量子效率，阻碍了器件的实际应用和进一步发展。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种氮化镓基紫外-红外双色探测器及制作方法，其可消除晶格失配造成材料可能形成的裂纹和减小晶格失配导致的界面态对光生载流子复合的影响，在不改变器件结构的优势的情况下，提高探测器的外量子效率。
本发明提供一种氮化镓基紫外-红外双色探测器，其中包括：
一衬底；
一欧姆接触层，该欧姆接触层制作在衬底上；
一紫外吸收层，该紫外吸收层制作在欧姆接触层上的一侧，该紫外吸收层的面积小于欧姆接触层的面积，在欧姆接触层的另一侧形成一台面；
一红外吸收层，该红外吸收层制作在紫外吸收层上；
一第一欧姆电极，该第一欧姆电极制作在红外吸收层上；
一第二欧姆电极，该第二欧姆电极制作在欧姆接触层上的台面上。
其中所述的第二欧姆电极为点结构或环形结构。
其中所述的衬底为硅、蓝宝石、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料。
其中欧姆接触层为高电子浓度的N型氮化镓材料。
其中紫外吸收层为本征AlxInyGa1-x-yN材料，通过调节铝铟镓的浓度实现其与氮化镓层晶格的完全匹配，其中，0＜x≤1，0＜y≤1。
其中红外吸收层为高电子浓度的N型氮化镓材料。
本发明还提供一种氮化镓基紫外-红外双色探测器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上利用外延生长设备依次生长欧姆接触层、紫外吸收层和红外吸收层；
步骤2：将欧姆接触层上的紫外吸收层和红外吸收层的一侧部分刻蚀，在该欧姆接触层上的一侧形成台面；
步骤3：在红外吸收层上制作第一欧姆电极；
步骤4：在欧姆接触层上的台面上制作第二欧姆电极；
步骤5：将衬底减薄至90-110μm；
步骤6：分割管芯，将分割后的管芯封装在管壳上，完成氮化镓基紫外-红外双色探测器的制作。
其中所述的欧姆电极为点结构或环形结构。
其中所述的衬底为硅、蓝宝石、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料。
其中欧姆接触层为高电子浓度的N型氮化镓材料。
其中紫外吸收层为本征AlxInyGa1-x-yN材料，通过调节铝铟镓的浓度实现其与氮化镓层晶格的完全匹配，其中，0＜x≤1，0＜y≤1。
其中红外吸收层为高电子浓度的N型氮化镓材料。
本发明与普通GaN基紫外-红外探测器相比，可以避免晶格失配，消除了材料生长过程中由于应力可能形成的裂纹，而且明显地降低界面态的影响，从而提高器件的外量子效率。
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本发明中GaN基紫外-红外双色探测器的材料结构示意图；
图2是本发明中氮化镓基紫外-红外双色探测器的器件结构示意图；
图3是不同表面复合速率情况(分别为1×1010、1×108、1×105cm/s)下，器件量子效率的模拟计算结果的比较。
具体实施方式
请参阅图2所示，本发明提供一种一种氮化镓基紫外一红外双色探测器，其中包括：
一衬底10，该衬底10为硅、蓝宝石、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料；
一欧姆接触层11，该欧姆接触层11制作在衬底10上，该欧姆接触层11为高电子浓度的N型氮化镓材料；利用MOCVD(金属有机物化学气相淀积)、MBE(分子束外延)或者其他生长GaN材料的设备生长。
一紫外吸收层12，该紫外吸收层12制作在欧姆接触层11上的一侧，该紫外吸收层12的面积小于欧姆接触层11的面积，在欧姆接触层11的另一侧形成一台面11’；该紫外吸收层12为本征AlxInyGa1-x-yN材料，通过调节铝铟镓的浓度实现其与氮化镓层晶格的完全匹配，其中，0＜x≤1，0＜y≤1；利用MOCVD(金属有机物化学气相淀积)、MBE(分子束外延)或者其他生长GaN材料的设备生长。
一红外吸收层13，该红外吸收层13制作在紫外吸收层12上，该红外吸收层13为高电子浓度的N型氮化镓材料；利用MOCVD(金属有机物化学气相淀积)、MBE(分子束外延)或者其他生长GaN材料的设备生长。
一第一欧姆电极20，该第一欧姆电极20制作在红外吸收层13上；用干法刻蚀等方法刻出台阶结构，露出N+-GaN层。然后用光刻、镀膜等方法制作。
一第二欧姆电极21，该第二欧姆电极制作在欧姆接触层11上的台面11’上，该第二欧姆电极21为点结构或环形结构。用干法刻蚀等方法刻出台阶结构，露出N+-GaN层。然后用光刻、镀膜等方法等方法制作。
请再参阅图1及图2，本发明提供一种氮化镓基紫外-红外双色探测器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底10上利用外延生长设备依次生长欧姆接触层11、紫外吸收层12和红外吸收层13，该衬底10为硅、蓝宝石、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料；所述的该紫外吸收层12为本征AlxInyGa1-x-yN材料，通过调节铝铟镓的浓度实现其与氮化镓层晶格的完全匹配，其中，0＜x≤1，0＜y≤1，所述的该红外吸收层13为高电子浓度的N型氮化镓材料；
步骤2：将欧姆接触层11上的紫外吸收层12和红外吸收层13的一侧部分刻蚀，在该欧姆接触层11上的一侧形成台面11’；
步骤3：在红外吸收层13上制作第一欧姆电极20；
步骤4：在欧姆接触层11上的台面11’上制作第二欧姆电极21，该欧姆电极21为点结构或环形结构，该欧姆接触层11为高电子浓度的N型氮化镓材料；
步骤5：将衬底10减薄至90-110μm；
步骤6：分割管芯，将分割后的管芯封装在管壳上，完成氮化镓基紫外-红外双色探测器的制作。
本发明提出的新型氮化镓基紫外-红外双色探测器的器件制备过程为：在硅、蓝宝石、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料为衬底10，利用MOCVD(金属有机物化学气相淀积)、MBE(分子束外延)或者其他生长GaN材料的设备生长出器件结构，该结构包括N+-GaN层11、紫外吸收i-AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1)层12和红外吸收的N+-GaN层13。用干法刻蚀等方法刻出台阶结构，露出N+-GaN层。然后用光刻、镀膜等方法先后作出欧姆接触20、21。最后再进行减薄、分割、压焊、封装成紫外-红外探测器器件。
为了进一步说明本器件结构的效果，我们以紫外响应截止波长为300nm，红外响应截止波长为14μm的氮化镓基紫外-红外双色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5×1018cm3)、i-Al0.5In0.45Ga0.05N层12(厚度为0.3μm、电子浓度为5×1015cm3)和N+-GaN层(厚度为50nm、电子浓度为5×1018cm3)。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。然后用光刻、镀膜等方法先后作出欧姆接触(Ti/Al/Ti/Au电极)20、21。最后再进行减薄、切割、压焊、封装成紫外探测器器件样品。
我们对界面态与氮化镓基紫外-红外双色探测器量子效率的关系进行了模拟计算，如图3所示，可以看出，界面复合速率对器件的量子效应有明显影响，复合速率越高，量子效率越低。而本发明提出的采用AlxInyGa1-x-yN层做紫外吸收区能够实现晶格匹配，也能够有效地降低界面复合速率，从而提高器件的外量子效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种氮化镓基紫外-红外双色探测器，其中包括：
一衬底；
一欧姆接触层，该欧姆接触层制作在衬底上；
一紫外吸收层，该紫外吸收层制作在欧姆接触层上的一侧，该紫外吸收层的面积小于欧姆接触层的面积，在欧姆接触层的另一侧形成一台面；
一红外吸收层，该红外吸收层制作在紫外吸收层上；
一第一欧姆电极，该第一欧姆电极制作在红外吸收层上；
一第二欧姆电极，该第二欧姆电极制作在欧姆接触层上的台面上。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基紫外-红外双色探测器，其中所述的第二欧姆电极为点结构或环形结构。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基紫外-红外双色探测器，其中所述的衬底为硅、蓝宝石、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料。
4.根据权利要求1所述的氮化镓基紫外-红外双色探测器，其中欧姆接触层为高电子浓度的N型氮化镓材料。
5.根据权利要求1所述的氮化镓基紫外-红外双色探测器，其中紫外吸收层为本征AlxInyGa1-x-yN材料，通过调节铝铟镓的浓度实现其与氮化镓层晶格的完全匹配，其中，0＜x≤1，0＜y≤1。
6.根据权利要求1所述的氮化镓基紫外-红外双色探测器，其中红外吸收层为高电子浓度的N型氮化镓材料。
7.一种氮化镓基紫外-红外双色探测器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上利用外延生长设备依次生长欧姆接触层、紫外吸收层和红外吸收层；
步骤2：将欧姆接触层上的紫外吸收层和红外吸收层的一侧部分刻蚀，在该欧姆接触层上的一侧形成台面；
步骤3：在红外吸收层上制作第一欧姆电极；
步骤4：在欧姆接触层上的台面上制作第二欧姆电极；
步骤5：将衬底减薄至90-110μm；
步骤6：分割管芯，将分割后的管芯封装在管壳上，完成氮化镓基紫外-红外双色探测器的制作。
8.根据权利要求7所述的氮化镓基紫外-红外双色探测器的制作方法，其中所述的欧姆电极为点结构或环形结构。
9.根据权利要求7所述的氮化镓基紫外-红外双色探测器的制作方法，其中所述的衬底为硅、蓝宝石、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料。
10.根据权利要求7所述的氮化镓基紫外-红外双色探测器的制作方法，其中欧姆接触层为高电子浓度的N型氮化镓材料。
11.根据权利要求7所述的氮化镓基紫外-红外双色探测器的制作方法，其中紫外吸收层为本征AlxInyGa1-x-yN材料，通过调节铝铟镓的浓度实现其与氮化镓层晶格的完全匹配，其中，0＜x≤1，0＜y≤1。
12.根据权利要求7所述的氮化镓基紫外-红外双色探测器的制作方法，其中红外吸收层为高电子浓度的N型氮化镓材料。
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