CN102593233A - 基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN探测器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构紫外探测器件及制备方法，其结构为在图形化蓝宝石衬底上生长较厚缓冲层，包括低温缓冲层生长、重结晶、三维生长和二维生长，获得质量良好的GaN薄膜材料。再依次生长n⁺型GaN层、本征GaN层，p型GaN层。在p层表面淀积p欧姆接触电极，将p型薄膜层和本征层刻蚀至n⁺型薄膜层，刻蚀台面形状为圆形、方形或六边形，在n⁺型层上淀积n型欧姆接触电极，n型电极为环形或方形。生长钝化层并开孔，暴露出p、n型电极，最后在p电极与n电极上生长加厚电极。本发明方法所制备的器件，生长材料质量较高，位错、缺陷密度小，器件的暗电流小，性能稳定，反偏电压下暗电流几乎不变，量子效率却得到大幅提高。

Description

基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN探测器及制备方法

技术领域

本发明涉及紫外探测器技术，具体是指基于图形化蓝宝石衬底(PSS，Patterned Sapphire Substrate)所生长GaN基PIN结构的紫外探测器及其制备方法。

背景技术

近年来，GaN基材料因其直接禁带半导体的特点，化学性质稳定、带隙可调以及较宽的光谱响应范围，已经成为蓝光激光器和紫外探测器领域的主流材料和研究热点。GaN基LED在节约能源方面有着巨大的应用前景；而使用GaN基半导体探测器代替真空管进行紫外探测，也有其重大的应用背景；目前紫外探测在军事方面也有广泛的应用前景。

蓝宝石衬底与GaN外延层由于晶格常数与热膨胀系数的失配，会在界面处产生大量的缺陷与位错，并且其中有些位错在晶体生长过程中会贯通材料内部，导致器件性能恶化。图形化蓝宝石衬底通过在蓝宝石表面制作微细结构，在材料生长过程中有利于应力的弛豫，并且能够有效减少贯通性位错的产生，提高晶体质量。有报道称采用图形化蓝宝石衬底生长的GaN基材料，位错密度相比普通方法可以减小一个数量级左右(Japanese Journal of Applied Physics49(2010)04DH02)。

目前，基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构的紫外探测器尚未见到公开报道。采用该结构制备的紫外探测器，由于缺陷密度小，减小了器件的产生复合中心，提高了器件的量子效率，并且可以使得器件工作在反偏电压下暗电流几乎保持不变，量子效率由于耗尽区的扩展可以得到进一步的提高。器件的响应速度与紫外可见抑制比，也因材料质量的提高而得到明显改善。

发明内容

本发明的目的在于基于图形化蓝宝石衬底生长GaN PIN结构薄膜材料，制作一种新型紫外探测器，相比传统紫外探测器，该器件可以明显提高内量子效率，同时可以改善响应速度和紫外可见抑制比。

本发明的基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构紫外探测器，其结构为：基于图形化蓝宝石衬底上外延生长GaN薄膜材料，首先生长缓冲层，缓冲层生长包括低温缓冲层生长、重结晶、三维生长和二维生长；然后在它之上分别生长n⁺型、本征型和p型GaN材料层。p型欧姆接触电极位于p型GaN材料层表面，n型电极位于刻蚀台阶后暴露出的n⁺型GaN材料层表面，钝化层覆盖器件表面及侧面，并在p电极与n电极处开孔，加厚电极分别位于p电极与n电极之上。

如图1所示，其特征在于：

一图形化蓝宝石衬底1，蓝宝石晶片晶向为(0001)，蓝宝石刻蚀图案是圆形、菱形或六边形，图案呈正六边形分布；

一GaN缓冲层2，厚度为1-3微米；

一n⁺GaN材料层3，其电子浓度5×10¹⁷cm^-3至1×10¹⁸cm^-3，厚度为1-2微米；

一本征GaN材料层4，一般为弱n型，电子浓度小于5×10¹⁶cm^-3，厚度为0.1-0.3微米；

一p型GaN材料层5，空穴浓度大于1×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1-0.2微米；

一p型欧姆接触电极6，该电极制作在p型GaN层上，其图形为圆形或方形；

一n型欧姆接触电极7，该电极制作在n⁺GaN层上，其图形为圆形或环形结构；

一钝化层8，一般为氮化硅或二氧化硅材料；

加厚电极9，分别位于p欧姆接触电极与n欧姆接触电极之上。

本发明的优点在于：发明方法所制备的器件，生长材料质量较高，位错、缺陷密度小，器件的暗电流小，性能稳定，反偏电压下暗电流几乎没有明显变化，量子效率却得到大幅提高。

附图说明

图1为本专利的制备探测器的剖面结构示意图，该器件基于图形化蓝宝石衬底生长GaN PIN结构薄膜材料制备。

具体实施方式

下文结合说明书附图和具体的实例，对本发明的基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构紫外探测器制作过程作详细的说明：

步骤1：在图形化蓝宝石衬底1上淀积GaN薄膜材料，依次生长缓冲层2、n⁺GaN材料层3、本征GaN材料层4、p型GaN材料层5，其中缓冲层生长包括低温缓冲层生长、重结晶、三维生长和二维生长；

步骤2：外延片清洗，首先将外延片置于三氯甲烷溶液中超声清洗10分钟，然后依次采用三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇清洗外延片，每步清洗4-5分钟，清洗后用N₂吹干；

步骤3：将样品置于HF酸中浸泡8分钟，清除表面氧化物，然后用电子束蒸发生长Ni/Au/Ni/Au，每层厚度各为20nm；

步骤4：将生长电极样品进行涂胶、光刻，光刻胶采用AZ-1500，涂胶后烘烤条件为95℃、3分钟。光刻后，使用Au腐蚀液及Ni腐蚀液将暴露出的图形处电极腐蚀掉，彻底干净后，使用丙酮除去光刻胶；

步骤5：对p电极进行快速热退火以形成欧姆接触，退火条件为：空气氛围、550℃、3分钟；

步骤6：涂胶光刻，制备ICP刻蚀掩膜，光刻条件同步骤4；

步骤7：ICP刻蚀前将样品在105℃热板上烘烤3分钟，增加掩膜致密性；

步骤8：进行ICP刻蚀，刻蚀条件是：Ar/Cl₂/BCl₃＝3/3/24sccm，刻蚀功率为350W，偏置电压为100V。刻蚀深度要求将p层、本征材料层GaN刻掉，直至n⁺GaN材料层刻掉200-300nm；

步骤9：除去光刻胶，并用丙酮超声清洗台阶侧面杂质；清洗后使用空气等离子体处理样品10分钟，保证刻蚀侧面杂质彻底去除；然后将样品置于20％KOH沸腾溶液中浸泡20秒，用去离子水冲洗干净后再用N₂吹干；

步骤10：涂胶光刻，生长n电极。光刻胶采用AZ-4620，涂胶后烘烤条件为95℃、3分钟；

步骤11：电子束生长n电极Ti/Al，厚度为30/50nm。

步骤12：将样品置于丙酮溶液中，浸泡5-8分钟；用脱脂棉将多余电极拖掉，清洗干净后用N₂吹干；

步骤13：利用PECVD法生长钝化层SiO₂或Si₃N₄，厚度一般为200-300nm；

步骤14：涂胶光刻得到钝化层腐蚀图形，光刻条件同步骤4；使用HF酸缓冲液对钝化层进行开孔，要求将开孔位置处的钝化层彻底腐蚀干净，暴露出电极表面；

步骤15：光刻得到加厚电极图形，光刻条件同步骤10；

步骤16：利用离子束溅射设备生长加厚电极Cr/Au，厚度为50/200nm；用丙酮溶液除胶、清洗，再用N₂吹干，操作方法同步骤12；

步骤17：将器件封装在杜瓦中，焊接电极，完成器件制备工作。

Claims (4)

1.一种基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构紫外探测器件，其结构为：在衬底上首先生长GaN缓冲层(2)，然后在它之上依次生长n⁺型GaN材料层(3)、本征型GaN材料层(4)和p型GaN材料层(5)，p型欧姆接触电极(6)位于p型GaN材料层(5)上，n型欧姆接触电极(7)位于刻蚀台阶后暴露出的n⁺型GaN材料层(3)上，器件表面及侧面覆盖有钝化层(8)，钝化层(8)在p型电极与n型电极位置处开有让电极裸露出来的孔，p型欧姆接触电极与n型欧姆接触电极之上有加厚电极(9)；其特征在于：

所述的衬底(1)为图形化蓝宝石晶片，晶向为0001，蓝宝石刻蚀图案是圆形、菱形或六边形，图案呈正六边形分布；

所述的GaN缓冲层(2)的厚度为1-3微米；

所述的n⁺型GaN材料层(3)，其电子浓度5×10¹⁷cm^-3至1×10¹⁸cm^-3，厚度为1-2微米；

所述的本征型GaN材料层(4)为弱n型，电子浓度小于5×10¹⁶cm^-3，厚度为0.1-0.3微米；

所述的p型GaN材料层(5)的空穴浓度大于1×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1-0.2微米；

所述的p欧姆接触电极(6)为电子束蒸发的Ni/Au/Ni/Au；

所述的n欧姆接触电极(7)为电子束蒸发的Ti/Al；

所述的钝化层(8)为磁控溅射或PECVD生长的二氧化硅或氮化硅。

2.根据权利要求1所述的一种基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构紫外探测器，其特征在于：所述的p型欧姆接触电极(6)图形形状为圆形或环形。

3.根据权利要求1所述的一种基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构紫外探测器，其特征在于：所述的n型欧姆接触电极(7)图形形状为环形或方形。

4.一种如权利要求1所述结构的探测器制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：制备外延片，在衬底(1)上淀积GaN薄膜材料，依次生长n⁺型GaN材料层(3)、本征型GaN材料层(4)和p型GaN材料层(5)，其中缓冲层生长包括低温缓冲层生长、重结晶、三维生长和二维生长；

步骤2：外延片清洗，首先将外延片置于三氯甲烷溶液中超声清洗10分钟，然后依次采用三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇清洗外延片，每步清洗4-5分钟，清洗后用N₂吹干；

步骤3：将外延片样品置于HF酸中浸泡8分钟，清除表面氧化物，然后用电子束蒸发生长Ni/Au/Ni/Au，每层厚度各为20nm；

步骤4：将生长电极外延片样品进行涂胶、光刻，光刻胶采用AZ-1500，涂胶后烘烤条件为95℃、3分钟，光刻后，使用Au腐蚀液及Ni腐蚀液将暴露出的图形处电极腐蚀掉，彻底干净后，使用丙酮除去光刻胶；

步骤5：对p电极进行快速热退火以形成欧姆接触，退火条件为：空气氛围、550℃、3分钟；

步骤6：涂胶光刻，制备ICP刻蚀掩膜，光刻条件同步骤4；

步骤7：ICP刻蚀前将样品在105℃热板上烘烤3分钟，增加掩膜致密性；

步骤8：进行ICP刻蚀，刻蚀条件是：Ar/Cl₂/BCl₃＝3/3/24sccm，刻蚀功率为350W，偏置电压为100V，刻蚀深度要求将p层、本征层GaN刻掉，将n⁺GaN层刻掉200-300nm；

步骤9：除去光刻胶，并用丙酮超声清洗台阶侧面杂质；清洗后使用空气等离子体处理样品10分钟，保证刻蚀侧面杂质彻底去除；然后将样品置于20％KOH沸腾溶液中浸泡20秒，用去离子水冲洗干净后再用N₂吹干；

步骤10：涂胶光刻，生长n电极。光刻胶采用AZ-4620，涂胶后烘烤条件为95℃、3分钟；

步骤11：电子束生长n电极Ti/Al，厚度为30/50nm；

步骤12：将样品置于丙酮溶液中，浸泡5-8分钟；用脱脂棉将多余电极拖掉，清洗干净后用N₂吹干；

步骤13：利用PECVD法生长钝化层SiO₂或Si₃N₄，厚度一般为200-300nm；

步骤14：涂胶光刻得到钝化层腐蚀图形，光刻条件同步骤4；使用HF酸缓冲液对钝化层进行开孔，要求将开孔位置处的钝化层彻底腐蚀干净，暴露出电极表面；

步骤15：光刻得到加厚电极图形，光刻条件同步骤10；

步骤16：利用离子束溅射设备生长加厚电极Cr/Au，厚度为50/200nm；用丙酮溶液除胶、清洗，再用N₂吹干，操作方法同步骤12；

步骤17：将器件封装在杜瓦中，焊接电极，完成器件制备。

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