CN102800717B - 一种pin结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PIN结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法；其利用区域选择生长的p型轻掺杂GaN保护环来减少探测器漏电流，抑制边沿提前击穿，实现稳定的高增益的紫外雪崩光电探测。p型轻掺杂GaN保护环的应用可以减少探测器表面漏电流，降低探测器边缘电场，尤其对p-i结处高电场区有明显改善，从而提高探测器击穿电压，实现高性能的紫外雪崩光电探测器。同时区域选择二次生长技术的应用避免了离子注入的复杂工序和昂贵设备，并可准确控制保护环和有源区的位置。
Description
技术领域
本发明涉及紫外探测器及其制备方法技术领域，特别涉及一种带区域选择生长保护环的PIN结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法。
背景技术
紫外光电探测器工作在紫外波段，具有天然的低噪声背景，可实现高信噪比探测，被广泛应用于军事及民用上的火焰探测，羽烟探测，环境监控，太空光通信，量子通信等领域。
三族氮化物材料，又称氮化镓GaN基材料（包括AlInGaN、AlGaN、AlInN、GaN和InGaN）属于第三代化合物半导体材料，是新型的电子、光电子探测器材料。由于AlN的禁带宽度为6.2eV，InN的禁带宽度为0.7 eV，GaN的禁带宽度为3.4eV，因此通过调节AlxInyGa1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1）材料中的三族金属原子组分x、y，可以使材料带隙从0.7 eV到6.2 eV连续可调，其对应的吸收光谱的波长可以从近红外部分(1770 nm) 一直延伸到深紫外部分(200 nm)，具有相当宽的光谱范围，适合于多种光电子探测器的制备。
例如，三元化合物AlxGa1-xN通过调节带隙可使其对应的吸收波长范围从200到365 nm ,恰好覆盖了地球上被臭氧层所吸收的中紫外波段220～290 nm (太阳光谱盲区) ,是制备日盲型紫外探测器结构的首选材料。三元合金InyGa1-yN通过调节In组分，可使其禁带宽度从0.7 eV连续变化到3.4 eV，几乎完整地覆盖了整个太阳光的可见光谱， 在太阳电池中的应用引起了人们密切的关注。此外，GaN基材料还具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高，介电常数小，耐高温，耐腐蚀，抗辐射，导热性能好等特性，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的光电子探测器，因而成为目前半导体材料的研究热点。
在紫外探测领域中，相比起传统的真空培增管和硅半导体探测器，GaN基材料紫外雪崩光电探测器有着重要的应用，其优势表现在：直接带隙，量子效率高；背景噪声低，尤其可以利用200 nm～280 nm的日盲探测窗口；本征探测，无需昂贵的长波长滤波器；体积小，重量轻，寿命长，抗震性好；耐高温，耐腐蚀，抗辐照，适用于恶劣环境；工作电压低，不需要高压电源（小于200 V）。
微弱光信号的探测是紫外探测领域中的一个重要的应用，尤其是单光子的探测。单光子探测要求探测器具备高响应，高增益的性能，因此探测器需要采用雪崩结构，光注入产生的电子空穴对在雪崩电场下加速，在获得足够的动能后，通过碰撞电离产生更多的电子空穴对，实现雪崩增益，使微弱信号得到培增，从而对其进行探测。
但是,传统的PIN结构雪崩探测器在应用中会存在以下两个问题：
（1）由于材料本身的缺陷和工艺带来的损伤，探测器表面存在缺陷引起的表面态、表面玷污杂质离子，形成表面反型层。它改变耗尽层的大小和形状，形成表面漏电沟道。这些沟道使探测器电场发生弯曲，增大了探测器表面的局部电场，在加入相同的偏压时，表面相对内部产生提前击穿。光注入的有源区域无法达到雪崩电场强度，使得探测器难以实现高的雪崩增益。
（2）由于探测器的表面电场大于其内部电场，在电场的作用下电子（空穴）容易直接通过探测器边缘的漏电沟道流进N区（P区），形成表面沟道漏电。雪崩效应同时放大探测器这部分漏电流，从而增大探测器的噪声。
那么如何实现稳定的击穿电场和低的漏电流显得尤其重要。对于垂直台面（在探测器的制作过程中，只保留PN结及其必要的部分，把不必要的部分用药品腐蚀掉，其剩余的部分便呈现出台面形而称为台面）PIN结构紫外雪崩光电探测器来说，表面损伤缺陷主要集中在台阶侧壁，而表面p-i结处的边缘电场为整个探测器电场的峰值，是提前击穿的主要原因。针对表面p-i结处的边缘电场过高这一问题，目前采取的主要方法是利用斜台结构或表面轻掺保护环（guard ring，GR）结构加以解决。
斜台结构是通过干法或湿法刻蚀技术在传统的垂直PIN结构上刻蚀出具有一定倾角的台面，形成正向斜面（Positive Bevel），令台面斜面的空间电荷区长度大于体内空间电荷区长度，由此使得探测器在加上偏压后，台面斜面的电场强度小于体内的电场强度。由于在相同的电压下，斜面的电场强度较垂直PIN结构有源区内的小，所以可以避免由台面侧壁处产生的提前击穿，同时也可相应减小台面侧壁的漏电流。但是,这一方法同样会减少探测器的有效尺寸，且对电场强度和漏电流的改善效果有限。
表面轻掺保护环结构是在衬底上直接依次生长n型层和i型层GaN基材料，然后在i型层上采用扩散工艺形成p型扩散结以实现PIN结构，最后在扩散结周围用离子注入工艺制作p型轻掺杂保护环。这种方法可以有效降低探测器边缘的电荷浓度、降低表面强场，从而抑制边缘提前击穿。但是，采用扩散工艺会带来扩散结界面不陡峭、结位置不确定的问题，使得有源区的位置无法准确控制、下一步欧姆接触难以实现；而采用离子注入法形成的保护环也有离子注入深度和宽度无法精度控制的问题，而且所需工艺设备也十分昂贵。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有PIN结构紫外雪崩光电探测器的技术不足，提供一种PIN结构紫外雪崩光电探测器；其利用区域选择生长保护环来减少探测器漏电流，抑制边沿提前击穿，实现稳定的高增益的紫外雪崩光电探测。进一步地，本发明提供一种PIN结构紫外雪崩光电探测器的制备方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种PIN结构紫外雪崩光电探测器包括衬底，在衬底上生长有缓冲层；
在缓冲层上生长有n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层，其中， 0≤x≤1，0≤y≤1；所述n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层为n型层；
在n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（3）上生长有非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层，其中， 0≤x≤1，0≤y≤1；非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层作为i型层；
在非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层上生长有p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层，其中， 0≤x≤1，0≤y≤1；所述p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层为p型层；
在p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层与非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层的侧面环绕有p型轻掺杂GaN保护环；
所述p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层上端面制作有凹形光信号入射窗口；p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层上还制作有p型欧姆接触电极，所述n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层上还制作有n型欧姆接触电极。
优选地,所述n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层的厚度为0.1 m～3m。
优选地,所n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层的掺杂浓度为3×1017cm-3～3×1019cm-3。
优选地,所述非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层为吸收光子并产生雪崩效应的有源区，其厚度为0.05m～2m。
优选地,所述p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层厚度为20 nm～500 nm。
优选地,所述p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1019cm-3。
优选地,所述p型轻掺杂GaN保护环的厚度大于p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层的厚度，但p型轻掺杂GaN保护环只深及i层而不到n型层。
优选地,所述p型轻掺杂GaN保护环的掺杂浓度为1×1016cm-3～2×1017cm-3。
一种pin结构紫外雪崩光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
A、利用半导体外延生长方法在衬底上生长缓冲层，在缓冲层上生长n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层，在n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层上生长非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层，其中， 0≤x≤1，0≤y≤1；
在非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层上生长p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层，其中， 0≤x≤1，0≤y≤1；
B、在p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层与非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层的侧面淀积SiO2介质膜；
C、利用光刻技术制作出凹槽掩膜层图形，采用干法或湿法刻蚀方法刻蚀部分SiO2，暴露出凹槽区域；
D、根据暴露出的凹槽区域，利用干法或湿法刻蚀方法在p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层与非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层的侧面刻蚀出保护环凹槽；该保护环凹槽的深度不大于p型层和i型层厚度之和；
E、利用剩余的SiO2介质膜作为掩膜部分，采用半导体外延生长技术，在保护环凹槽上二次生长出掺杂浓度低于p型层掺杂浓度的p型轻掺杂GaN保护环，其生长厚度与保护环凹槽的深度相同；
F、利用湿法腐蚀去除掉SiO2掩膜；
G、采用光刻技术制作掩模层，利用干法或湿法刻蚀方法沿着p型轻掺杂GaN保护环外侧边缘刻蚀至n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层，经过刻蚀从而在三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层上形成凸台，该凸台即为探测器的器件台面；
H、采用光刻技术制作掩模层，利用干法或湿法刻蚀方法在p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层上端面制作凹形光信号入射窗口，使得凹形光信号入射窗口的厚度约为3nm～50nm；
I、干法刻蚀后，进行表面处理，以修复刻蚀的晶格损失，同时进行p型层受主镁的活化；
J、采用光刻图形在n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层上刻出n型欧姆接触区域；再利用电子束蒸发方法或溅射方法蒸镀n型金属，在氮气环境中合金形成n型欧姆接触电极；
K、采用光刻图形在p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层上刻出p型欧姆接触区域；再利用电子束蒸发方法或溅射方法蒸镀p型金属，在空气环境中合金形成p型欧姆接触电极。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明采用带区域选择生长轻掺杂p型保护环的PIN结构可避免以上的不足之处，能充分发挥AlxInyGa1-x-yN探测器的特性。其利用区域选择生长p型轻掺杂GaN保护环来减少探测器漏电流，抑制边沿提前击穿，实现稳定的高增益的紫外雪崩光电探测。保护环的应用可以减少探测器表面漏电流，降低探测器边缘电场，尤其对p-i结处高电场区有明显改善，从而提高探测器击穿电压，实现高性能的紫外雪崩光电探测器。同时区域选择二次生长技术的应用避免了离子注入的复杂工序和昂贵设备，并可准确控制保护环和有源区的位置。
另外,本发明通过光刻和刻蚀（干法或湿法）工艺，精确控制凹槽结构保护环的位置和尺寸（深度和宽度），区域选择生长出低体缺陷密度的GaN材料保护环可以减低探测器的暗电流。并且，GaN材料相比其它GaN基材料更容易实现p型受主的轻掺杂控制，通过调节引入比有源区更低浓度的保护环可以使探测器边沿的电场强度低于光注入区域的电场强度，避免边沿提前击穿现象。
附图说明
图1为本发明PIN结构紫外雪崩光电探测器的结构示意图；
图2为软件模拟的区域选择生长p型轻掺杂GaN保护环的PIN结构紫外雪崩光电探测器（with GR）的电流电压特性与传统PIN结构AlGaN紫外雪崩光电探测器（w/o GR）的对比图；
图3为软件模拟的带区域选择生长轻掺杂p-GaN保护环PIN结构AlGaN紫外雪崩光电探测器（with GR）的p-i结处电场分布与传统PIN结构AlGaN紫外雪崩光电探测器（w/o GR）的p-i结处电场分布的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。
如图1所示，PIN结构紫外雪崩光电探测器，包括衬底1，在衬底1上生长有缓冲层2。在缓冲层2上生长有n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层3，其中， 0≤x≤1，0≤y≤1；n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层3为n型层。在n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层3上生长有非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层4，其中， 0≤x≤1，0≤y≤1；非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层4作为i型层。在非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层4上生长有p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层5，其中， 0≤x≤1，0≤y≤1；p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层5为p型层。在p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层5与非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层4的侧面环绕有p型轻掺杂GaN保护环6。p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层5上端面制作有凹形光信号入射窗口9,p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层5上还制作有p型欧姆接触电极7，n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层3上还制作有n型欧姆接触电极8。
在图2-3中，模拟数据对应的PIN结构紫外雪崩光电探测器的结构为：该探测器的器件台面（对应图1中4、5、6部分）直径是10 m，n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层3的掺杂浓度为1×1018 cm-3，p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层5的掺杂浓度为3×1017cm-3，p型轻掺杂GaN保护环6的掺杂浓度为1×1016cm-3。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (9)
1.一种PIN结构紫外雪崩光电探测器，其特征在于：包括衬底（1），在衬底（1）上生长有缓冲层（2）；
在缓冲层（2）上生长有n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（3），其中， 0≤x≤1，0≤y≤1；所述n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（3）为n型层；
在n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（3）上生长有非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（4），其中， 0≤x≤1，0≤y≤1；非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（4）作为i型层；
在非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（4）上生长有p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（5），其中，0≤x≤1，0≤y≤1；所述p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（5）为p型层；
在p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（5）与非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（4）的侧面环绕有区域选择二次生长p型轻掺杂GaN保护环（6）；
所述p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（5）上端面制作有凹形光信号入射窗口（9）,p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（5）上制作有p型欧姆接触电极（7），所述n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（3）上还制作有n型欧姆接触电极（8）。
2.根据权利要求1所述的PIN结构紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（3）的厚度为0.1μm～3μm。
3.根据权利要求2所述的PIN结构紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（3）的掺杂浓度为3×1017cm-3～3×1019cm-3。
4.根据权利要求1所述的PIN结构紫外雪崩光电探测器，其特征在于，所述非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（4）为吸收光子并产生雪崩效应的有源区，其厚度为0.05μm～2μm。
5.根据权利要求1所述的PIN结构紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（5）厚度为20 nm～500 nm。
6.根据权利要求5所述的PIN结构紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（5）的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1019cm-3。
7.根据权利要求1所述的PIN结构紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述p型轻掺杂GaN保护环（6）的厚度大于p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（5）的厚度，但p型轻掺杂GaN保护环（6）只深及i层而不到n型层。
8.根据权利要求7所述的PIN结构紫外雪崩光电探测器，其特征在于，所述p型轻掺杂GaN保护环（6）的掺杂浓度为1×1016cm-3～2×1017cm-3。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的PIN结构紫外雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A、利用半导体外延生长方法在衬底上生长缓冲层，在缓冲层上生长n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（3），在n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（3）上生长非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（4），其中， 0≤x≤1，0≤y≤1；
在非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（4）上生长p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（5），其中， 0≤x≤1，0≤y≤1；
B、在p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（5）与非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（4）的侧面淀积SiO2介质膜；
C、利用光刻技术制作出凹槽掩膜层图形，采用干法或湿法刻蚀方法刻蚀部分SiO2，暴露出凹槽区域；
D、根据暴露出的凹槽区域，利用干法或湿法刻蚀方法在p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（5）与非掺杂或低掺杂浓度的三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（4）的侧面刻蚀出保护环凹槽；该保护环凹槽的深度不大于p型层和i型层厚度之和；
E、利用剩余的SiO2介质膜作为掩膜部分，采用半导体外延生长技术，在保护环凹槽上二次生长出掺杂浓度低于p型层掺杂浓度的p型轻掺杂GaN保护环（6），其生长厚度与保护环凹槽的深度相同；
F、利用湿法腐蚀去除掉SiO2掩膜；
G、采用光刻技术制作掩模层，利用干法或湿法刻蚀方法沿着p型轻掺杂GaN保护环（6）外侧边缘刻蚀至n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（3），经过刻蚀从而在三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（3）上形成凸台，该凸台即为探测器的器件台面；
H、采用光刻技术制作掩模层，利用干法或湿法刻蚀方法在p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（5）上端面制作凹形光信号入射窗口（9），使得凹形光信号入射窗口（9）的厚度为3nm～50nm；
I、干法刻蚀后，进行表面处理，以修复刻蚀的晶格损失，同时进行p型层受主镁的活化；
J、采用光刻图形在n型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（3）上刻出n型欧姆接触区域；再利用电子束蒸发方法或溅射方法蒸镀n型金属，在氮气环境中合金形成n型欧姆接触电极（8）；
K、采用光刻图形在p型三族氮化物AlxInyGa1-x-yN层（5）上刻出p型欧姆接触区域；再利用电子束蒸发方法或溅射方法蒸镀p型金属，在空气环境中合金形成p型欧姆接触电极（7）。
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