CN102201484B - 具有二次台面包裹电极的AlGaN紫外探测器及制备方法 - Google Patents

具有二次台面包裹电极的AlGaN紫外探测器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本专利公开一种具有二次台面包裹电极的AlGaN紫外探测器器件及制备方法，其结构为在衬底上依次生长，缓冲层、n型薄膜层、本征薄膜层、p型薄膜层和p型帽层，将p型帽层和部分p型薄膜层刻蚀形成p型微台面，该p型微台面为方形或圆形；沉积p包裹型欧姆电极，该p包裹型欧姆电极为方形或圆形，将p型微台面包裹起来，边缘落于p型微台面下p型薄膜层表面；将p型薄膜层和本征薄膜层刻蚀形成器件台面，该器件台面为方形或圆形，边长或半径大于p型微台面边长或半径20-100μm；沉积环形或长条形n型欧姆电极。本器件的结构有利于提高器件的外量子效率、响应抑制比和灵敏度，器件暗电流也得到进一步的降低。

Description

具有二次台面包裹电极的AlGaN紫外探测器及制备方法
技术领域
本专利涉及AlGaN紫外探测器，具体指一种具有二次台面包裹电极的AlGaN紫外探测器及制备方法。
背景技术
目前，AlGaN材料以独特的物理、化学、电学特性成为紫外材料的领军者。AlGaN材料覆盖了200-365nm波段，其器件量子效率高、灵敏度高、紫外可见抑制比大，可完全工作于低背景的日盲波段(240-280nm)。AlGaN紫外探测器可应用于生化传感器、火焰探测(火警系统、导弹及飞机尾焰探测)、紫外通信、紫外成像等领域，可对尾焰或者羽烟中释放出大量紫外辐射的飞行目标进行实时探测或有效追踪，在微弱的背景下探测出目标。
随着紫外器件向短波方向发展，特别是低背景日盲波段应用的推动，AlGaN器件本征区的组分不断增加，高铝组分AlGaN器件的研究受到广泛关注。但随着AlGaN材料中Al组分的增加，材料电阻率指数增加，掺杂杂质的激活能指数增加，载流子迁移率减小。高铝组分材料的特性引起了载流子传输及欧姆接触制备的困难，这是目前影响AlGaN器件性能的主要因素。
近年来，为了防止高铝组分AlGaN材料的氧化及减小p型材料的电阻率，工艺上常在p-AlGaN薄膜层上沉积一层p-GaN薄膜作为欧姆接触层。P型GaN帽层的存在在一定程度上减小了p型材料欧姆接触的制备困难，但p-GaN与p-AlGaN薄膜间的异质结对器件性能产生了一定影响，在360nm波长附近附加了一可见盲波段响应，降低了器件的灵敏度和抑制比。
发明内容
本专利的目的在于克服p型高铝组分AlGaN薄膜欧姆接触制备困难，提出一种具有二次台面包裹电极型的AlGaN紫外探测器，这一器件利用p型GaN帽层与p-AlGaN薄膜间异质结内的二维空穴气传输载流子，提高了器件的灵敏度和抑制比，二次台面可减小器件的暗电流，有利于器件的后续钝化和连接。本专利一种具有二次台面包裹电极的AlGaN紫外探测器，其特征在于，材料生长和器件制备包括如下步骤：
步骤一：在衬底上依次生长缓冲层、n型薄膜层、本征薄膜层、p型薄膜层和p型帽层；
步骤二：将p型帽层和部分p型薄膜层进行刻蚀，形成p型微台面；
步骤三：在p型微台面上制备p包裹型欧姆电极；
步骤四：将p型薄膜层和本征薄膜层进行刻蚀，形成器件台面；
步骤五：在n型薄膜层上制备n型欧姆电极；
步骤六：对器件进行钝化、划片、焊接和封装，完成器件制备。
其中衬底为蓝宝石、硅、碳化硅或氮化镓材料。
其中n型薄膜层为电子浓度大于1×1018cm-3的AlGaN薄膜。
其中本征薄膜层为厚度大于100nm小于300nm的AlGaN薄膜，Al组分小于或等于n型薄膜层Al组分，自由载流子浓度小于5×1016cm-3。
其中p型薄膜层为Al组分大于或等于本征薄膜层的AlGaN薄膜，厚度为100-200nm，空穴浓度大于1×1017cm-3。
其中p型帽层为厚度为10-100nm的III-V族半导体化合物InGaAs、InGaN或AlGaN薄膜，空穴浓度大于1×1017cm-3。
其中p型微台面深度为p型帽层以下10-40nm，形状为方形或圆形，边长或半径为10-200μm。
其中p包裹型欧姆电极为方形或圆形，面积大于微台面面积，将p型微台面包裹起来，边缘落于微台面下p型薄膜层表面。
其中器件台面深度为本征薄膜层以下50-400nm，台面形状为方形或圆形，边长或半径大于p型微台面边长或半径20-100μm。
其中n型欧姆电极为环形或长条形结构。
本专利提供一种具有二次台面包裹电极的AlGaN紫外探测器，其特点在于：p型薄膜层刻蚀后为微台面结构，为p包裹型欧姆电极提供了接触台面；器件p型欧姆电极为包裹型，将p型微台面包裹起来，边缘落于p型薄膜层上；器件p包裹型欧姆电极利用p型帽层与p型AlGaN薄膜层间异质结中的二维空穴气导电，避免了表面势垒对载流子的阻碍，提高了器件的外量子效率，同时包裹电极将p型帽层的附加响应屏蔽，提高了器件的响应抑制比和灵敏度；p型帽层与p型AlGaN薄膜层之间的微台面为器件后续钝化提供了二次接触台面，提高了钝化层侧面接触效果，可进一步减小器件暗电流。
附图说明
图1为本专利的具有二次台面包裹电极的AlGaN紫外探测器器件的结构示意图；
其中：1——衬底；
      2——缓冲层；
      3——n型薄膜层；
      4——本征薄膜层；
      5——p型薄膜层；
      6——p型帽层；
7——n型欧姆电极；
8——p包裹型欧姆电极。
具体实施方式
请参阅附图1，本专利的具有二次台面包裹电极型AlGaN紫外探测器器件，其器件结构包括：
一衬底1，该衬底1为蓝宝石、硅、碳化硅或氮化镓材料；
一缓冲层2，该缓冲层2生长在衬底1上，为厚度不小于10nm的AlN或GaN薄膜；
一n型薄膜层3，该n型薄膜层3生长在缓冲层2上，为电子浓度大于1×1018cm-3的AlGaN薄膜；
一本征薄膜层4，该本征薄膜层4生长在n型薄膜层3上，为厚度大于100nm小于300nm的AlGaN薄膜，Al组分小于或等于n型薄膜层3的Al组分，自由载流子浓度小于5×1016cm-3；
一p型薄膜层5，该p型薄膜层5生长在本征薄膜层4上，为Al组分大于或等于本征薄膜层的AlGaN薄膜，厚度为100-200nm，空穴浓度大于1×1017cm-3；
一p型帽层6，该p型帽层6生长在p型薄膜层5上，为厚度为10-100nm的III-V族半导体化合物InGaAs、InGaN或AlGaN薄膜，空穴浓度大于1×1017cm-3；
一n型欧姆电极7，该n型欧姆电极7制备在n型薄膜层3上，为环形或长条形结构；
一p包裹型欧姆电极8，该p包裹型欧姆电极8制备在p型帽层6上，电极形状为方形或圆形，边长或半径大于p型微台面的边长或半径，边缘落于p型薄膜层5表面，将p型帽层6及p型薄膜层5上部包裹起来。
请再参阅附图1，本专利的具有二次台面包裹电极型AlGaN紫外探测器器件，其器件制备步骤包括：
步骤1：在衬底1上依次生长缓冲层2、n型薄膜层3、本征薄膜层4、p型薄膜层5和p型帽层6，该衬底1为为蓝宝石、硅、碳化硅或氮化镓材料；
步骤2：将p型帽层5和部分p型薄膜层5进行刻蚀，形成p型微台面，该p型微台面深度为p型帽层6以下10-40nm，形状为方形或圆形，边长或半径为10-200μm；
步骤3：在p型微台面上制备p包裹型欧姆电极8，该p包裹型欧姆电极8为方形或圆形，将p型微台面包裹起来，边缘落于微台面下p型薄膜层5表面；
步骤4：将p型薄膜层5和本征薄膜层4进行刻蚀，形成器件台面，台面形状为方形或圆形，边长或半径大于p型微台面边长或半径20-100μm；
步骤5：在n型薄膜层3上制备n型欧姆电极7，该n型薄膜层3为电子浓度大于1×1018cm-3的AlGaN薄膜，该n型欧姆电极7为形状与方形或圆形器件相对应为长条形和环形结构；
步骤6：对器件进行钝化、划片、焊接和封装，完成器件制备。
为进一步说明本发明提出的具有二次台面包裹电极的AlGaN紫外探测器的结构，我们以响应波段位于240nm-280nm的背照射AlGaN日盲探测器为例，说明该器件的结构及制备过程，具体如下：以蓝宝石为衬底1，用MOCVD设备依次沉积厚度为600nm的AlN低温缓冲层2、高掺杂n型AlGaN薄膜层3(Al组分为0.65，厚度为600nm，电子浓度为1×1018cm-3)、非掺杂本征AlGaN薄膜4(Al组分为0.45，厚度为150nm，背景载流子浓度为5×1015cm-3)及p型AlGaN薄膜层5(Al组分为0.45，厚度为100nm，空穴浓度为1×1017cm-3)，最后在p型AlGaN薄膜层5上生长一层厚度为10nm的空穴浓度为1×1017cm-3的GaN薄膜作为p型帽层6。利用光刻、刻蚀制备出p型微台面，随后热蒸发低温沉积p包裹型欧姆电极8(Ni/Au/Ni/Au多层，厚度为20nm/20nm/20nm/20nm)，利用光刻、腐蚀、去胶等工艺确定p包裹型欧姆电极8图形，然后再利用光刻、刻蚀制备出器件响应台面，并利用光刻、热蒸发技术制备n型欧姆电极7(Ti/Al/Ti/Au多层电极，厚度为50nm/50nm/30nm/30nm))，完成具有二次台面包裹电极型AlGaN紫外探测器的制备。
本专利提出的具有二次台面包裹电极型AlGaN紫外探测器器件，该器件结构与传统的台面器件结构不同，它具有器件响应台面与p型微台面两个台面，p型AlGaN薄膜层经刻蚀工艺后为微台面结构，p包裹型电极利用p型帽层与p型AlGaN薄膜层间的异质结进行空穴导电，避免了p型材料高功函数带来的接触难题，提高了器件的灵敏度和响应率；包裹电极的使用屏蔽了p型帽层带来的附加响应，有效提高了器件的响应抑制比，改善了器件的响应特性；二次台面的使用为厚度钝化层薄膜的制备提供了良好的工艺基础，可以有效提高钝化层的钝化效果，减小器件暗电流。

Claims (2)

1.一种具有二次台面包裹电极的AlGaN紫外探测器，其结构为：在衬底(1)上依次生长缓冲层(2)、n型薄膜层(3)、本征薄膜层(4)、p型薄膜层(5)和p型帽层(6)，其特征在于：
所述的衬底(1)采用蓝宝石、硅、碳化硅或氮化镓材料；
所述的缓冲层(2)为厚度不小于10nm的AlN或GaN薄膜；
所述的n型薄膜层(3)为电子浓度大于1×1018cm-3的AlGaN薄膜；
所述的本征薄膜层(4)为厚度100nm-300nm的AlGaN薄膜，其中Al组分不大于n型薄膜层(3)中的Al组分，自由载流子浓度小于5×1016cm-3；
所述的p型薄膜层(5)为厚度为100-200nm的AlGaN薄膜，其中Al组分不小于本征薄膜层(4)中的Al组分，空穴浓度大于1×1017cm-3；
所述的p型帽层(6)为厚度为10-100nm的InGaAs、InGaN或AlGaN薄膜，空穴浓度大于1×1017cm-3；
所述的AlGaN紫外探测器为方形或圆形结构，p型帽层(6)及以下10-40nm的p型薄膜层(5)制作成与器件结构相应的方形或圆形的微台面结构，其边长或半径为10-200μm，p包裹型欧姆电极(8)将整个微台面包裹在电极的中间，本征薄膜层(4)和p型薄膜层(5)构成器件台面，其形状制作成与器件结构相对应的方形或圆形，其边长或半径比微台面的边长或半径大20-100μm，在n型薄膜层(3)上制备有n型欧姆电极(7)其形状与方形或圆形器件相对应为长条形或环形结构。
2.一种权利要求1所述器件结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：在衬底上依次生长缓冲层、n型薄膜层、本征薄膜层、p型薄膜层和p型帽层；
步骤二：将p型帽层和部分p型薄膜层进行刻蚀，形成p型微台面；
步骤三：在p型微台面上制备p包裹型欧姆电极；
步骤四：将p型薄膜层和本征薄膜层进行刻蚀，形成器件台面；
步骤五：在n型薄膜层上制备n型欧姆电极；
步骤六：对器件进行钝化、划片、焊接和封装，完成器件制备。
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