CN102214705B - AlGaN极化紫外光电探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于AlGaN材料的紫外光电探测器结构及其制作方法，主要解决现有技术对P型掺杂材料的依赖，该探测器自下而上包括：衬底(1)、过渡层(2)、GaN缓冲层(3)、铝组分渐变AlGaN层(4)和有源区(5)，铝组分渐变AlGaN层(4)分为上、下两层，下层厚度为20～30nm，铝组分从0％增加到80％～100％，上层厚度为10～20nm，铝组分为0％～80％；铝组分渐变AlGaN层(4)左上方被有源区(5)覆盖，右上方淀积有底部欧姆接触(7)，该欧姆接触与有源区之间设有间隙(8)；有源区(5)由铝组分为0％～80％的AlGaN材料构成，厚度为50～100nm，有源区表面淀积有表面欧姆接触电极(6)。本发明自动工作在光伏模式，高频特性好，暗电流小，可用于226～363nm紫外波段的光信号探测。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种AlGaN紫外光电探测器，可用于226～363nm紫外波段的光信号探测。
背景技术
半导体光电探测器是一种通过接收光波辐照使得半导体材料的电学特性发生改变，从而实现对目标进行探测和分辨的探测器。改变所使用半导体的材料和结构参数可以调整响应波长的范围。响应波长在紫外波段的称为半导体紫外光电探测器。随着微电子集成电路技术在航空航天方面的大量使用，原来的气相、液相紫外探测器逐步被这种固态探测器所取代。欧洲太空局ESA的Solar Obiter计划准备在2015年实现，将会大量使用响应波长在紫外波段的光电探测器；美国国防高级研究计划局DAR-PA和国家航空和宇宙航行局NASA也不遗余力的投入巨大的财力推进紫外焦平面阵列FPA探测器的研制。而他们都将目标锁定在对III族氮化物材料-AlGaN的研发。
AlGaN是一种从GaN到AlN的过渡材料，通过改变Al组分x，其禁带宽度可以连续的从3.42eV变化到6.2eV，体材料吸收波长可以在363～200nm之间连续可调。伴随着III族氮化物薄膜生长技术的成熟，这种材料成为紫外区光电探测的首选材料。另外，AlGaN是一种极化材料。由于内部分子结构的不对称，正负电荷中心不重合，在没有外加激励的情况下就有一个电场存在，即自发极化效应；在施加外加的应力时，正负电荷中心的分离进一步加剧，又会产生压电极化效应，这两种极化效应会在材料中产生很强的自建电场，参见Polarization-induced charge and electron mobility in AlGaN/GaNheterostructures grown by plasma-assisted molecular-beam epitaxy.J.Appl.Phys 86，4520(1999)。材料固有的这种极化特性可以为器件的设计提供额外的选择条件。
光信号被半导体材料吸收产生带正电的空穴和带负电的电子，这两种载流子向不同的方向运动才可以在两端产生可以被检测到的电信号，实现这种电荷的分离需要一个电场，除了外加电场，材料内部可以通过PN结自建电场和肖特基结实现。目前，基于AlGaN材料的光电探测器也正是采用这两种结构。1999年美国Nitronex公司研制成功AlGaNP-I-N型背照射32×32列阵平面探测器数字照相机，响应波段为320～365nm，参见Visible-Blind UV Digital Camera based on a 32×32 array of GaN/AlGaN p-i-n Photodiodes[Z].MRS Internet.J.Nitride Semicond.Res，1999，4:9。2006年M B Reine等人报道了AlGaN 256×256 p-i-n紫外探测器和基于此结构的焦平面阵列，参见Solar-blind AlGaN256×256 p-i-n detectors and focal plane arrays.Proc.of SPIE Vol.6119 611901-1。肖特基结型探测器也于1998年被A Osinsky等人报道，参见Schottky barriers photodetectors basedon AlGaN.Appl.Phys.Lett 71 742(1998)。
AlGaN高浓度的P型掺杂一直是困扰国内外科学家的难题。1989年Amano等人使用低能电子束辐照激活GaN材料中的Mg原子，这是此类材料P型掺杂的重大突破，即便如此也只能获得表面一层低阻的P型材料，参见P-Type Conduction in Mg-Doped GaNTreated with Low-Energy Electron Beam Irradiation(LEEBI).Jpn.J.Appl.Phys.28 L2112。由于目前AlGaN材料薄膜质量的制约，AlGaN材料在与表面淀积金属形成肖特基结时表面存在大量的缺陷，使得有源区减薄，遂穿机制明显，暗电流很大，严重制约了此类结构探测性能的提高，参见AlGaN Schottky Diodes for Detector Applicationsin the UV Wavelength Range.IEEE Trans.Electron Devices 56，2833(2009)。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种AlGaN极化紫外光电探测器及其制作方法，以避免使用难以生长的P型掺杂材料，同时降低器件暗电流的影响，提高器件性能。
实现本发明的目的的技术关键是：依靠AlGaN材料自身的极化效应替代PN结自建电场实现光生载流子的分离并依靠背部势垒抑制背景暗电流。
本发明的AlGaN极化紫外光电探测器，自下而上包括：衬底，过渡层和GaN缓冲层，其特征在于：GaN缓冲层的上面外延有铝组分渐变AlGaN层；铝组分渐变AlGaN层左上方被有源区所覆盖，未覆盖部分淀积有底部欧姆接触，该欧姆接触与有源区之间设有间隙；有源区之上淀积有表面欧姆接触电极。
所述的铝组分渐变AlGaN层分为上、下两层，下层厚度为20～30nm，铝组分从0％增加到80％～100％；上层厚度为10～20nm，铝组分恒定，底部欧姆接触电极制作在这一层上。
所述的有源区由AlGaN材料构成，铝组分为0％～80％，厚度限制在50～100nm，以保证光辐照被充分吸收，避免出现应力积累过大而导致的材料皴裂。
本发明制作AlGaN极化紫外光电探测器的方法，包括如下步骤：
(1)在蓝宝石或碳化硅或硅或其它外延衬底材料的衬底上，外延过渡层；
(2)在过渡层上淀积宽禁带化合物半导体材料的GaN缓冲层；
(3)在GaN缓冲层上制作铝组分渐变AlGaN层：
首先，生长一层厚度为20～30nm的铝组分渐变的AlGaN，铝组分从0％增加到80％～100％；
然后，生长厚度为10～20nm的铝组分恒定的AlGaN；
(4)在铝组分渐变AlGaN层上，生长铝组分为0％～80％、厚度为50～100nm的有源区(5)；
(5)在有源区上制作光刻胶掩膜，并通过光刻版图进行光刻，洗胶后在相应位置出现的有源层AlGaN层表面，使用离子刻蚀刻槽，其深度到达铝组分渐变AlGaN层的表面；
(6)一次掩膜光刻同时制备表面欧姆接触电极和底部欧姆接触电极。
本发明具有如下优点：
1.本发明由于在GaN缓冲层上外延有的铝组分渐变的AlGaN层，这一层与GaN缓冲层形成背部AlGaN/GaN异质结势垒，能够自动屏蔽GaN缓冲层电信号的干扰，从而减小暗电流。
2.本发明在铝组分渐变AlGaN层上外延生长由AlGaN材料构成的有源区，由于该有源区的内部存在由自发极化和压电极化产生的极化电场，如图2所示，因此可利用此极化电场实现光生电子和空穴的分离，无需使用难以制备的P型掺杂材料；同时由有源区内部存在的极化电场强度比普通PN结自建电场高两个数量级，达到MV/cm，故内部载流子迁移速率快，提高了器件的高频特性；此外由于有源区AlGaN内部存的极化电场存在于整个有源区，使器件自动工作在光伏模式，无需直流偏置即有端电压。
以下结合附图和实施例进一步说明本发明的技术内容和效果
附图说明
图1是本发明的器件结构示意图；
图2是本发明的器件中GaN缓冲层、铝组分渐变AlGaN层和有源区的能带示意图；
图3是本发明器件的制作流程图。
具体实施方式
参照图1，本发明AlGaN极化紫外光电探测器自下而上包括：衬底1、过渡层2和GaN缓冲层3、铝组分渐变AlGaN层4和有源区5，其中铝组分渐变AlGaN层4分为上、下两层，下层厚度为20～30nm，铝组分从0％增加到80％～100％，上层厚度为10～20nm，铝组分恒定，铝组分渐变AlGaN层4和其下的GaN缓冲层3一起形成一个背部势垒，起到屏蔽GaN缓冲层电信号干扰的作用；有源区5的厚度限制在50～100nm范围内，铝组分为0％～80％，覆盖在铝组分渐变AlGaN层4的左上方，铝组分渐变AlGaN层4的右上方未覆盖部分制作底部欧姆接触电极7，该欧姆接触7与有源区5之间留有间隙8，以保证电学隔离，该有源区5中存在的极化电场使得光生的电子和空穴向相反方向漂移，如图2所示。从图2的能带结构可见，光子被有源区5吸收以后，将价带电子激发到导带中，产生电子-空穴对，极化电场使这两种载流子向不同的方向漂移。在有源区5的表面淀积有表面欧姆接触电极6。
参照图3，本发明AlGaN极化紫外光电探测器的制作给出如下三种实施例：
实施例1：
步骤1，在衬底1上外延生长过渡层2，如图3a。
使用金属有机物化学气象淀积技术，在蓝宝石衬底1上生长厚度为10nm的AlN过渡层2，以用来释放晶格不匹配造成的应力，其生长的工艺条件：温度为990℃，压力为122Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，铝源流量为6μmol/min。
步骤2，在过渡层2上淀积GaN缓冲层3，如图3b。
使用金属有机物化学气象淀积技术，在过渡层2之上生长厚度为2μm的GaN缓冲层3，要求GaN表面平整，没有晶格失配导致的应力积累现象，其工艺条件为：温度为990℃，压力为122Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为120μmol/min。
步骤3，在GaN缓冲层3上制作铝组分渐变AlGaN层4，如图3c。
使用金属有机物化学气象淀积技术，在GaN缓冲层3上先淀积20nm铝组分渐变AlGaN，其铝组分从0％增加为80％，工艺条件为：温度1070℃，压力为122Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为120μmol/min，铝源流量为从0μmol/min增长为6μmol/min；然后保持80％的铝组分不变，生长厚度为10nm的AlGaN层，生长过程中铝源流量保持6μmol/min。
步骤4，在铝组分渐变AlGaN层4上生长有源区5，如图3d。
在组分渐变AlGaN层4上生长厚度为50nm、铝组分为0％的AlGaN有源区5，工艺条件为：温度1070℃，压力位122Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为120μmol/min，铝源流量为0μmol/min。
步骤5，在有源区5上刻槽，如图3e。
在有源区5上制作掩膜，使用等离子技术刻蚀出凹槽，该凹槽深度到达铝组分渐变AlGaN层4，刻蚀凹槽采用的工艺条件为：反应气体Cl2的流量为5sccm，压力为10mT，功率为100W。
步骤6，制作表面欧姆接触电极6和底部欧姆接触电极7。如图3f。
再次制作光刻掩膜，使用电子束蒸发技术淀积金属制作技术在有源区5的表面制作欧姆接触电极6，在步骤5所刻蚀出的铝组分渐变AlGaN层4的表面制作底部欧姆接触电极7，通过光刻版的设计要保证底部欧姆接触电极7和有源区5之间留有间隙，以实现电学隔离。淀积所使用的金属为Ti/Al/Ni/Au组合，其中Ti的厚度为0.01μm，Al的厚度为0.03μm，Ni的厚度为0.02μm，Au的厚度为0.06μm；淀积金属采用的工艺条件为：真空度小于1.8×10-3Pa，功率为1000W，蒸发速率小于
快速热退火的温度为850℃，时间为35s。
实施例2：
步骤1，在衬底1上外延生长过渡层2，如图3a。
使用金属有机物化学气象淀积技术在碳化硅衬底1上生长由厚度为5nm的AlN构成的缓冲层2以释放晶格不匹配造成的应力，工艺条件：温度为990℃，压力为122Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，铝源流量为6μmol/min；
步骤2，在过渡层2上淀积GaN缓冲层3，如图3b。
本步骤与实施例一的步骤2相同。
步骤3，在势垒层3上制作铝组分渐变AlGaN层4，如图3c。
使用金属有机物化学气象淀积技术，在GaN缓冲层3上先淀积25nm铝组分渐变AlGaN，其铝组分从0％增加为90％，工艺条件为：温度1070℃，压力为122Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为120μmol/min，铝源流量为从0μmol/min增长为6.5μmol/min；然后保持90％的铝组分不变，生长厚度为15nm的AlGaN层，生长过程中铝源流量保持6.5μmol/min。
步骤4，在铝组分渐变AlGaN层4上生长有源区5，如图3d。
在组分渐变AlGaN层4上生长厚度为70nm、铝组分为40％的AlGaN有源区5，工艺条件为：温度1070℃，压力位122Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为120μmol/min，铝源流量为4μmol/min。
步骤5，在有源区5上刻槽，如图3e。
本步骤与实施例一的步骤5相同。
步骤6，制作表面欧姆接触电极6和底部欧姆接触电极7。如图3f。
再次制作光刻掩膜，使用电子束蒸发技术淀积金属制作技术在有源区5的表面制作欧姆接触电极6，在步骤5所刻蚀出的铝组分渐变AlGaN层4的表面制作底部欧姆接触电极7，通过光刻版的设计要保证底部欧姆接触电极7和有源区5之间留有间隙以实现电学隔离。淀积所使用的金属为Ti/Al/Ti/Au组合，表面层Ti的厚度为0.02μm，Al的厚度为0.1μm；中间层Ti的厚度为0.05μm，Au的厚度为0.1μm。淀积金属采用的工艺条件为：真空度小于1.8×10-3Pa，功率为1000W，蒸发速率小于
快速热退火采用的工艺条件为：温度为850℃，时间为35s。
实施例3：
步骤1，在衬底1上外延生长过渡层2，如图3a。
使用金属有机物化学气象淀积技术，先在硅衬底1上生长5nm厚AlN层，其工艺条件为：温度为1040℃，压力为100Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，铝源流量为6μmol/min；接着生长15个周期的AlGaN/GaN超晶格，GaN势阱的厚度为5nm，AlGaN势垒层的铝组分为20％，厚度同样为5nm，。工艺条件：温度为1040℃，压力为100Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为120μmol/min，生长AlGaN时铝源的流量为1.2μmol/min，
步骤2，在过渡层2上淀积GaN缓冲层3，如图3b。
与实施例一的步骤2相同。
步骤3，在势垒层3上制作铝组分渐变AlGaN层4，如图3c。
使用金属有机物化学气象淀积技术，在GaN缓冲层3上先淀积30nm铝组分渐变AlGaN，其铝组分从0％增加为100％，工艺条件为：温度1070℃，压力为122Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为120μmol/min，铝源流量为从0μmol/min增长为7μmol/min；然后保持100％的铝组分不变，生长厚度为20nm的AlGaN层，生长过程中铝源流量保持7μmol/min。
步骤4，在铝组分渐变AlGaN层4上生长有源区5，如图3d。
在组分渐变AlGaN层4上生长厚度为100nm、铝组分为80％的AlGaN有源区5，工艺条件为：温度1070℃，压力位122Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为120μmol/min，铝源流量为6μmol/min。
步骤5，在有源区5上刻槽，如图3e。
本步骤与实施例一的步骤5相同。
步骤6，制作表面欧姆接触电极6和底部欧姆接触电极7。如图3f。
再次制作光刻掩膜，使用电子束蒸发技术淀积金属制作技术在有源区5的表面制作欧姆接触电极6，在步骤5所刻蚀出的铝组分渐变AlGaN层4的表面制作底部欧姆接触电极7，通过光刻版的设计要保证底部欧姆接触电极7和有源区5之间留有间隙以实现电学隔离。淀积所使用的金属为Ti/Al/Mo/Au组合，Ti的厚度为0.03μm，Al的厚度为0.16μm；中间层Ti的厚度为0.11μm，Au的厚度为0.15μm。淀积金属采用的工艺条件为：真空度小于1.8×10-3Pa，功率为1000W，蒸发速率小于
快速热退火采用的工艺条件为：温度为850℃，时间为35s。
对于本研究领域的专业人员，在了解了本发明的内容和原理后，能够在不违背本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种AlGaN极化紫外光电探测器，自下而上包括：衬底（1），过渡层（2）和GaN缓冲层（3），GaN缓冲层（3）的上面外延有铝组分渐变AlGaN层（4），铝组分渐变AlGaN层（4）的左上方被有源区（5）所覆盖，未覆盖部分淀积有底部欧姆接触（7），该欧姆接触（7）与有源区（5）之间设有间隙（8），有源区（5）之上淀积有表面欧姆接触电极（6），其特征在于：铝组分渐变AlGaN层（4）分为上、下两层，下层厚度为20~30nm，铝组分从0%增加到80%~100%；上层厚度为10~20nm，铝组分恒定，底部欧姆接触电极（7）制作在这一层上。
2.根据权利要求1所述的AlGaN极化紫外光电探测器，其特征在于：有源区（5）由铝组分为0%~80%的AlGaN材料构成，厚度限制在50~100nm，以保证光辐照被充分吸收同时避免出现应力积累过大而导致的材料皴裂。
3.根据权利要求1所述的AlGaN极化紫外光电探测器，其特征在于：衬底（1）采用蓝宝石或碳化硅或硅或其它外延衬底材料。
4.一种制作AlGaN极化紫外光电探测器的方法，包括如下步骤：
（1）在蓝宝石或碳化硅或硅或其它外延衬底材料的衬底（1）上，外延过渡层（2）；
（2）在过渡层（2）上淀积宽禁带化合物半导体材料的GaN缓冲层（3）；
（3）在GaN缓冲层（3）上制作铝组分渐变AlGaN层（4）：
首先，生长一层厚度为20~30nm的铝组分渐变的AlGaN，铝组分从0%增加到80%~100%；
然后，生长厚度为10~20nm的铝组分恒定的AlGaN；
（4）在铝组分渐变AlGaN层（4）上，生长铝组分为0%~80%、厚度为50~100nm的有源区（5）；
（5）在有源区（5）上制作光刻胶掩膜，并通过光刻版图进行光刻，洗胶后在相应位置出现的有源区（5）表面，使用离子刻蚀刻槽，其深度到达铝组分渐变AlGaN层（4）的表面；
（6）一次掩膜光刻同时制备表面欧姆接触电极（6）和底部欧姆接触电极（7）。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：表面欧姆接触电极（6）和底部欧姆接触电极（7）采用四层组合金属Ti/Al/Ni/Au淀积，且Ti的厚度为0.01~0.03μm，Al的厚度为0.03~0.16μm，Ni的厚度为0.02~0.11μm，Au的厚度为0.06~0.15μm。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：表面欧姆接触电极（6）和底部欧姆接触电极（7）采用四层组合金属Ti/Al/Ti/Au淀积，且Ti的厚度为0.01~0.03μm，Al的厚度为0.03~0.16μm；Ti的厚度为0.02~0.11μm，Au的厚度为0.06~0.15μm。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：表面欧姆接触电极（6）和底部欧姆接触电极（7）采用四层组合金属Ti/Al/Mo/Au淀积，且Ti的厚度为0.01~0.03μm，Al的厚度为0.03~0.16μm；Mo的厚度为0.02~0.11μm，Au的厚度为0.06~0.15μm。
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