CN102820368A - 三族氮化物基光电晶体管探测器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三族氮化物基光电晶体管探测器件及其制作方法，光电晶体管探测器件由下往上依次包括衬底（101）、缓冲层或过渡层（102）、非故意掺杂层（103）、施主掺杂层（104）、第二非故意掺杂层（105）、受主掺杂层（106）、受主与施主共掺杂层（107）、第三非故意掺杂层（108）、合金组分渐变层（109）、较大禁带宽度材料的施主掺杂层（110）以及接触层（111）。本发明具备低缺陷密度、工作电压低、增益高、暗电流低、探测灵敏度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种三族氮化物基光电晶体管探测器件及其制作方法。
背景技术
三族氮化物材料具有直接带隙、电子饱和速率高、发光效率高、热导性能好、化学性质稳定、物理硬度大、介电常数小以及耐高温等特点，使其成为制备光电探测器件的重要半导体材料。同时，三族氮化物彼此之间可以形成多元合金材料，通过调节多元合金组分可以实现从紫外到近红外波段的光电探测。正是由于三族氮化物材料具有上述这些特点，最近几十年里三族氮化物技术得到了快速发展，制备出了一系列性能良好的光电探测器件，如光电导器件、肖特基管、雪崩光电二极管以及光电晶体管等。
就目前的技术而言，相对于其它光电探测器件，三族氮化物光电晶体管探测器可在较低的偏压下（一般在10 V以下）下获得较高的增益，同时制备器件所要求的晶体质量相对容易实现，器件工作的可靠性也相对较高。这些优点使得三族氮化物光电晶体管探测器成为近些年半导体光电探测器的热点，特别是紫外光电探测器研究领域的关注点之一。1998年，美国APA公司的Wei Yang等人在文章High gain GaN/AlGaN heterojunction phototransistor（1998年8月Applied Physics Letters，Vol. 73，No. 7）中，报道了具有高增益的背入射式GaN基紫外光电晶体管探测器的成功研制。该光电晶体管是一种光线背入射的结构，而采用背入射的方式需要：(1).选用对入射光透明的衬底；(2).在衬底上先生长禁带宽度更大的三族氮化物或其多元合金材料作为窗口层。这种外延结构在衬底的采用上仅限于可透射紫外光的衬底。此外，其外延生长从衬底界面开始就需要沉积更宽带隙的合金材料，对生长技术要求高，而且难以保证材料的晶体质量。2001年，日本大阪气体公司的Robert Mouillet等人在文章Photoresponse and Defect Levels of AlGaN/GaN Heterobipolar Phototransistor Grown on Low-Temperature AlN Interlayer（Jpn. J. Appl. Phys，Vol. 40，pp. L498-L501）中介绍了正入射的方式的AlGaN/GaN异质结紫外光电探测器，但是由于基极（p-GaN）以上结构采用的是相同禁带宽度的n-GaN材料作为集电极端，因此器件的光吸收效率和光生载流子产生效率都会受到影响。而在M. L. Lee等人在2008年的Ultraviolet bandpass Al0.17Ga0.83N/GaN heterojunction phototransitors with high optical gain and high rejection ratio（Applied Physics Letters，Vol. 92，053506）研究中，虽然采用正入射方式并设置了宽禁带宽度的AlGaN材料作为窗口层，改善了入射光的吸收，但是其基本结构是发射极端光入射，入射光需穿过次发射极（n+-GaN）和发射极（n-Al.17Ga0.83N）而到达基极和集电极，因此减弱了器件对光信号的响应。同时，该结构中发射极AlGaN能带与基极GaN能带之间的带阶较大，不利于光生载流子在器件内部的输运。另一方面，总结当前GaN基光电晶体管探测器的研究报道，其工作都是集中在器件的光入射结构和工作原理上，对n-p-n型光电晶体管制备中一个不容忽视的问题，即p型基极的受主掺杂（通常采用Mg）所带来的记忆效应没有采取解决措施，因而会影响后续外延结构的生长。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的提供一种低缺陷密度、工作电压低、增益高、暗电流低、探测灵敏度高的三族氮化物基光电晶体管探测器件；同时，本发明还提供了所述三族氮化物基光电晶体管探测器件的制作方法。
为实现上述目的，本发明的主要技术方案为：一种三族氮化物基光电晶体管探测器件，其特征在于，由下往上依次包括衬底、缓冲层或过渡层、非故意掺杂层、施主掺杂层、第二非故意掺杂层、受主掺杂层、受主与施主共掺杂层、第三非故意掺杂层、合金组分渐变层、较大禁带宽度材料的施主掺杂层以及接触层。
衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、三族氮化物衬底、硅衬底、砷化镓衬底、铝酸锂衬底、镓酸锂衬底、氧化镁衬底；缓冲层或过渡层为低温或者高温生长的三族氮化物或其多元合金，其厚度介于5nm到500nm之间。
非故意掺杂层为高温生长的三族氮化物或其多元合金，其厚度介于0.1um到5um之间；
第二非故意掺杂层为0.1um到1um厚的非故意掺杂三族氮化物或其多元合金，作为三族氮化物基光电晶体管的次发射极；
第三非故意掺杂层为0.1um到1um厚的非故意掺杂三族氮化物或其多元合金，作为三族氮化物基光电晶体管的光吸收层。
施主掺杂层，作为三族氮化物基光电晶体管的发射极，其为0.1um到3um厚的施主型掺杂三族氮化物或其多元合金，施主掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间。
受主掺杂层，作为三族氮化物基光电晶体管的基极，其为0.1um到1um厚的受主型掺杂三族氮化物或其多元合金，受主掺杂浓度介于1×1016至1×1019cm-3之间。
受主与施主共掺杂层，其为5nm到500nm厚的受主与施主共掺杂三族氮化物或其多元合金，受主掺杂浓度介于1×1016至1×1019cm-3之间，施主掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间，受主掺杂浓度比施主掺杂浓度高。
合金组分渐变层为5nm到150nm厚的非故意掺杂三族氮化物或其多元合金，其组分从第三非故意掺杂层的合金组分逐渐变化至较大禁带宽度材料的施主掺杂层的合金组分，组分的渐变形式为线性的或非线性的。
较大禁带宽度材料的施主掺杂层的禁带宽度较第三非故意掺杂层大；较大禁带宽度材料的施主掺杂层的厚度介于20nm到500nm之间，施主掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间；较大禁带宽度材料的施主掺杂层为三族氮化物基光电晶体管的集电极，与可透射光信号的窗口层。
接触层为5nm到100nm厚的施主型重掺杂三族氮化物或其多元合金，施主掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间，其施主掺杂浓度较施主掺杂层以及较大禁带宽度材料的施主掺杂层高。
同时，本发明还提供一种三族氮化物基光电晶体管探测器件的制作方法，在衬底上采用外延生长方法依次生长出所述的三族氮化物基光电晶体管探测器件的外延结构，外延生长方法采用金属有机物化学气相沉积、分子束外延以及氢化物气相外延，具体包括以下步骤：
（1）将衬底置于反应腔内；
（2）在衬底上低温或者高温生长缓冲层或过渡层；
（3）在缓冲层或过渡层上高温生长非故意掺杂层；
（4）在非故意掺杂层上依次生长施主掺杂层、第二非故意掺杂层及受主掺杂层，施主掺杂层、第二非故意掺杂层及受主掺杂层构成三族氮化物基光电晶体管的第一个pn结；其中，施主掺杂层作为晶体管的发射极，第二非故意掺杂层作为晶体管的次发射极，受主掺杂层作为晶体管的基极；
（5）在受主掺杂层上生长受主与施主共掺杂层；
（6）受主与施主共掺杂层生长结束后，停止通入三族源5s至1800s，期间保持五族N源持续通入；
（7）在受主与施主共掺杂层上依次生长第三非故意掺杂层、合金组分渐变层及较大禁带宽度材料的施主掺杂层；其中，第三非故意掺杂层作为晶体管的光吸收层，较大禁带宽度材料的施主掺杂层为三族氮化物基光电晶体管的集电极，与可透射光信号的窗口层；受主掺杂层、受主与施主共掺杂层、非故意掺杂层、合金组分渐变层及较大禁带宽度材料的施主掺杂层构成三族氮化物基光电晶体管的第二个pn结；
（8）在较大禁带宽度材料的施主掺杂层上生长接触层。
与现有技术相比，本发明的三族氮化物基光电晶体管探测器件的结构，具有以下优点：(1).设置光透射窗口层以及采用正入射的器件工作方式，改善入射光的吸收；(2).利用受主与施主共掺杂以及中断生长方法，改善p型层界面的陡峭性，提高晶体质量，减少缺陷，从而有利于降低暗电流、提高光电转换效率；(3).在发射极与基极，以及基极与集电极之间插入非故意掺杂层，加强光生载流子的收集，有助于提高器件的增益；(4).通过引入合金组分渐变层，使异质结之间带的阶平缓过渡，增强光生载流子在器件内部的输运。综上所述，本发明可使得光电探测器件在低工作电压下可以实现高增益、低暗电流以及高灵敏度。
附图说明
图1 为本发明实施例1的结构示意图；
图2 为本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
实施例1
该三族氮化物基光电晶体管结构如图1所示：衬底101、缓冲层或过渡层102、非故意掺杂层103、施主掺杂层104、非故意掺杂层105、受主掺杂层106、受主与施主共掺杂层107、非故意掺杂层108、合金组分渐变层109、较大禁带宽度材料的施主掺杂层110以及接触层111。该光电晶体管为n-i-p-i-n型，集电极在上，发射极在下，基极位于中间，采用正入射的方式。实现该结构共有十二个步骤：
(1).将衬底101置于反应腔内，在衬底上采用外延生长方法依次生长出上述外延结构。外延生长方法可以采用诸如金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）以及氢化物气相外延（HVPE）等方法。衬底101可以选用蓝宝石衬底、碳化硅衬底、三族氮化物衬底、硅衬底、砷化镓衬底、铝酸锂衬底、镓酸锂衬底、氧化镁衬底或其它适用于三族氮化物外延生长的衬底。
(2).由于目前三族氮化物与异质衬底的晶格失配较大，因此需要使用缓冲层或过渡层的技术来解决三族氮化物与衬底的失配问题。缓冲层或过渡层102为低温或者高温生长的三族氮化物或其多元合金，其厚度介于5nm到500nm之间。
(3).非故意掺杂层103可以有效减少缺陷密度，促进材料的二维生长，使得材料表面尽可能平整，提供为后续生长器件外延结构服务的模板。非故意掺杂层103为高温生长的三族氮化物或其多元合金，其厚度介于0.1um到5um之间。
(4).施主掺杂层104，作为三族氮化物基光电晶体管的发射极，其为0.1um到3um厚的施主型掺杂三族氮化物或其多元合金，施主掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间。
(5).非故意掺杂层105为0.1um到1um厚的非故意掺杂三族氮化物或其多元合金，作为三族氮化物基光电晶体管的次发射极。
(6).受主掺杂层106，作为三族氮化物基光电晶体管的基极，其为0.1um到1um厚的受主型掺杂三族氮化物或其多元合金，受主掺杂浓度介于1×1016至1×1019cm-3之间。施主掺杂层104、非故意掺杂层105以及受主掺杂层106构成三族氮化物基光电晶体管的第一个pn结。
(7).受主与施主共掺杂层107，其为5nm到500nm厚的受主与施主共掺杂三族氮化物或其多元合金，受主掺杂浓度介于1×1016至1×1019cm-3之间，施主掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间，受主掺杂浓度比施主掺杂浓度高。该受主与施主共掺杂层107，利用施主掺杂元素表面迁移能力强的特点，提高晶体质量，减弱受主掺杂层106对后续结构生长的影响。
(8).受主与施主共掺杂层107生长结束后，停止通入三族源5s至1800s，期间保持五族N源持续通入。该生长中断过程可以减弱受主掺杂元素的记忆效应，同时也可以抑制外延层位错的攀沿。
(9).非故意掺杂层108为0.1um到1um厚的非故意掺杂三族氮化物或其多元合金，作为三族氮化物基光电晶体管的光吸收层。
(10).合金组分渐变层109为5nm到150nm厚的非故意掺杂三族氮化物或其多元合金，其组分从非故意掺杂层108的合金组分逐渐变化至较大禁带宽度材料的施主掺杂层110的合金组分，组分的渐变形式可以是线性的，也可以是非线性的。该组分渐变层的引入，可使非故意掺杂层108与较大禁带宽度材料的施主掺杂层110之间的带阶平缓过渡，有利于光生载流子的输运。
(11).较大禁带宽度材料的施主掺杂层110，无论是何种三族氮化物或其多元合金，以及何种组分，只要其禁带宽度较非故意掺杂层108大即可。该层的厚度介于20nm到500nm之间，施主掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间。较大禁带宽度材料的施主掺杂层110即是三族氮化物基光电晶体管的集电极，也是可透射光信号的窗口层。之所以该层需要选用较大禁带宽度的材料，是为了避免集电极，即较大禁带宽度材料的施主掺杂层110，对入射光信号的吸收，使光信号可入射到光吸收层即非故意掺杂层108中。受主掺杂层106、受主与施主共掺杂层107、非故意掺杂层108、合金组分渐变层109以及较大禁带宽度材料的施主掺杂层110构成三族氮化物基光电晶体管的第二个pn结。
(12).接触层111为5nm到100nm厚的施主型重掺杂三族氮化物或其多元合金，施主掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间，其施主掺杂浓度较施主掺杂层104以及较大禁带宽度材料的施主掺杂层110高。该接触层有利于形成金属电极与半导体材料的欧姆接触。
实施例2
本实施例将具体说明图1所示的三族氮化物基光电晶体管结构，该光电晶体管结构为n-i-p-i-n型，采用正入射的形式。
如图2所示，采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）的外延生长方法，在c面蓝宝石衬底201上依次生长缓冲层202、非故意掺杂GaN层203、施主Si掺杂GaN层204、非故意掺杂GaN层205、受主Mg掺杂GaN层206、受主Mg与施主Si共掺杂GaN层207、非故意掺杂GaN层208、Al组分渐变AlGaN层209、施主Si掺杂Al0.22Ga0.78N层210以及施主Si重掺杂GaN层211。根据该三族氮化物基光电晶体管的结构，可以分为十个功能结构，下面将分别描述每一个功能结构。
(1).在蓝宝石衬底201上生长缓冲层202以及非故意掺杂GaN层203，作为后续生长器件外延结构服务的模板。其中，缓冲层202为低温生长25 nm厚的GaN层，非故意掺杂GaN层203为高温生长2.5um厚的GaN层。
(2).施主Si掺杂GaN层204，作为三族氮化物基光电晶体管的发射极，其为1um厚的Si掺杂GaN，施主掺杂浓度为3×1018cm-3。
(3).非故意掺杂GaN层205为100nm厚的非故意掺杂GaN，作为三族氮化物基光电晶体管的次发射极。
(4).受主Mg掺杂GaN层206，作为三族氮化物基光电晶体管的基极，其为200nm厚的Mg掺杂GaN，受主掺杂浓度为6×1017 cm-3。施主Si掺杂GaN层204、非故意掺杂GaN层205以及受主Mg掺杂GaN层206构成三族氮化物基光电晶体管的第一个pn结。
(5).受主Mg与施主Si共掺杂GaN层207，其为100nm厚的Mg与Si共掺杂三族氮化物或其多元合金，受主掺杂浓度为4×1017 cm-3，施主掺杂浓度为2×1017 cm-3。该受主Mg与施主Si共掺杂GaN层207，利用施主Si掺杂元素表面迁移能力强的特点，提高晶体质量，减弱受主Mg掺杂层206对后续结构生长的影响。
(6).受主Mg与施主Si共掺杂GaN层207生长结束后，停止通入三族源900s，期间保持五族N源持续通入。该生长中断过程可以减弱受主Mg掺杂元素的记忆效应，同时也可以抑制外延层位错的攀沿。
(7).非故意掺杂GaN层208为200nm厚的非故意掺杂GaN，作为三族氮化物基光电晶体管的光吸收层。
(8).Al组分渐变AlGaN层209为30nm厚的非故意掺杂AlGaN，Al组分从开始的0%线性增加到22%。该组分渐变层的引入，可使非故意掺杂GaN层208与施主Si掺杂Al0.22Ga0.78N层210之间的带阶平缓过渡，有利于光生载流子的输运。
(9).施主Si掺杂Al0.22Ga0.78N层210为Al组分为22%、150nm厚的Si掺杂AlGaN，施主掺杂浓度为1×1018cm-3。施主Si掺杂Al0.22Ga0.78N层210即是三族氮化物基光电晶体管的集电极，也是光信号入射窗口层。施主Si掺杂Al0.22Ga0.78N层210具有比非故意掺杂GaN层208更宽的带隙，可以避免其对需要探测波段的光吸收，有利于非故意掺杂GaN层208对光的收集。受主Mg掺杂GaN层206、受主Mg与施主Si共掺杂GaN层207、非故意掺杂GaN层208、Al组分渐变AlGaN层209以及施主Si掺杂Al0.22Ga0.78N层210构成三族氮化物基光电晶体管的第二个pn结。
(10).施主Si重掺杂GaN层211为30nm厚的Si掺杂GaN，施主掺杂浓度为5×1018cm-3。该施主Si重掺杂GaN层211作为一种接触层，有利于形成金属电极与半导体材料的欧姆接触。
Claims (10)
1.一种三族氮化物基光电晶体管探测器件，其特征在于，由下往上依次包括衬底（101）、缓冲层或过渡层（102）、非故意掺杂层（103）、施主掺杂层（104）、第二非故意掺杂层（105）、受主掺杂层（106）、受主与施主共掺杂层（107）、第三非故意掺杂层（108）、合金组分渐变层（109）、较大禁带宽度材料的施主掺杂层（110）以及接触层（111）。
2.根据权利要求1所述的三族氮化物基光电晶体管探测器件，其特征在于，衬底（101）为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、三族氮化物衬底、硅衬底、砷化镓衬底、铝酸锂衬底、镓酸锂衬底、氧化镁衬底；缓冲层或过渡层（102）为低温或者高温生长的三族氮化物或其多元合金，其厚度介于5nm到500nm之间。
3.根据权利要求1所述的三族氮化物基光电晶体管探测器件，其特征在于，非故意掺杂层（103）为高温生长的三族氮化物或其多元合金，其厚度介于0.1um到5um之间；
第二非故意掺杂层（105）为0.1um到1um厚的非故意掺杂三族氮化物或其多元合金，作为三族氮化物基光电晶体管的次发射极；
第三非故意掺杂层（108）为0.1um到1um厚的非故意掺杂三族氮化物或其多元合金，作为三族氮化物基光电晶体管的光吸收层。
4.根据权利要求1所述的三族氮化物基光电晶体管探测器件，其特征在于，施主掺杂层（104），作为三族氮化物基光电晶体管的发射极，其为0.1um到3um厚的施主型掺杂三族氮化物或其多元合金，施主掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间。
5.根据权利要求1所述的三族氮化物基光电晶体管探测器件，其特征在于，受主掺杂层（106），作为三族氮化物基光电晶体管的基极，其为0.1um到1um厚的受主型掺杂三族氮化物或其多元合金，受主掺杂浓度介于1×1016至1×1019cm-3之间。
6.根据权利要求1所述的三族氮化物基光电晶体管探测器件，其特征在于，受主与施主共掺杂层（107），其为5nm到500nm厚的受主与施主共掺杂三族氮化物或其多元合金，受主掺杂浓度介于1×1016至1×1019cm-3之间，施主掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间，受主掺杂浓度比施主掺杂浓度高。
7.根据权利要求1所述的三族氮化物基光电晶体管探测器件，其特征在于，合金组分渐变层（109）为5nm到150nm厚的非故意掺杂三族氮化物或其多元合金，其组分从第三非故意掺杂层（108）的合金组分逐渐变化至较大禁带宽度材料的施主掺杂层（110）的合金组分，组分的渐变形式为线性的或非线性的。
8.根据权利要求1所述的三族氮化物基光电晶体管探测器件，其特征在于，较大禁带宽度材料的施主掺杂层（110）的禁带宽度较第三非故意掺杂层（108）大；较大禁带宽度材料的施主掺杂层（110）的厚度介于20nm到500nm之间，施主掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间；较大禁带宽度材料的施主掺杂层（110）为三族氮化物基光电晶体管的集电极，与可透射光信号的窗口层。
9.根据权利要求1所述的三族氮化物基光电晶体管探测器件，其特征在于，接触层（111）为5nm到100nm厚的施主型重掺杂三族氮化物或其多元合金，施主掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间，其施主掺杂浓度较施主掺杂层（104）以及较大禁带宽度材料的施主掺杂层（110）高。
10.一种三族氮化物基光电晶体管探测器件的制作方法，在衬底（101）上采用外延生长方法依次生长出权利要求1至9任一项所述的三族氮化物基光电晶体管探测器件的外延结构，外延生长方法采用金属有机物化学气相沉积、分子束外延以及氢化物气相外延，具体包括以下步骤：
（1）将衬底（101）置于反应腔内；
（2）在衬底（101）上低温或者高温生长缓冲层或过渡层（102）；
（3）在缓冲层或过渡层（102）上高温生长非故意掺杂层（103）；
（4）在非故意掺杂层（103）上依次生长施主掺杂层（104）、第二非故意掺杂层（105）及受主掺杂层（106），施主掺杂层（104）、第二非故意掺杂层（105）及受主掺杂层（106）构成三族氮化物基光电晶体管的第一个pn结；其中，施主掺杂层（104）作为晶体管的发射极，第二非故意掺杂层（105）作为晶体管的次发射极，受主掺杂层（106）作为晶体管的基极；
（5）在受主掺杂层（106）上生长受主与施主共掺杂层（107）；
（6）受主与施主共掺杂层（107）生长结束后，停止通入三族源5s至1800s，期间保持五族N源持续通入；
（7）在受主与施主共掺杂层（107）上依次生长第三非故意掺杂层（108）、合金组分渐变层（109）及较大禁带宽度材料的施主掺杂层（110）；其中，第三非故意掺杂层（108）作为晶体管的光吸收层，较大禁带宽度材料的施主掺杂层（110）为三族氮化物基光电晶体管的集电极，或为可透射光信号的窗口层；受主掺杂层（106）、受主与施主共掺杂层（107）、非故意掺杂层（108）、合金组分渐变层（109）及较大禁带宽度材料的施主掺杂层（110）构成三族氮化物基光电晶体管的第二个pn结；
（8）在较大禁带宽度材料的施主掺杂层（110）上生长接触层（111）。
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