CN102832286B - 一种垂直结构双工作模式紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直结构双工作模式紫外探测器及其制备方法，该垂直结构双工作模式紫外探测器包括衬底、缓冲层、欧姆电极、宽禁带半导体光吸收层、肖特基电极、绝缘介质钝化层、接触电极，其中，垂直结构双工作模式紫外探测器工作时：接触电极与欧姆电极加反向偏压或不加偏压时，垂直结构双工作模式紫外探测器工作在耗尽模式；当接触电极与欧姆电极加正向偏置电压时，垂直结构双工作模式紫外探测器的工作模式从肖特基势垒型的耗尽模式转变为光电导模式，垂直结构双工作模式紫外探测器表现出较高的增益，具体为增益因子>10。本发明的优点在于：具有工作可靠性高、制备工艺简单，无需刻蚀等优点。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，涉及一种垂直结构双工作模式紫外探测器及其制备方法，具体为一种垂直结构偏置电压选择的双工作模式紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用的光电探测技术。军事领域：紫外探测技术最直接的应用是导弹预警与跟踪，紫外探测器是通过探测导弹羽烟中的紫外线辐射来探测目标并为地面武器装备提供预警。民用领域：在医学、生物学方面，特别是近几年在皮肤病诊断方面，紫外探测技术有着独特的应用效果。利用紫外探测技术在检测诊断皮肤病时可直接看到病变细节，也可用来检测癌细胞、微生物、血红素、红血球、白血球、细胞核等，这些检测不但迅速、准确、而且直观清楚。在食品药品安全方面，通常利用紫外辐射代替化学物质杀死微生物与细菌，因此可以采用紫外探测器对食品药品包装、医疗器械、饮用水及工业废水的消毒进行有效的监测。另外，高灵敏的紫外探测器还广泛用于火焰传感、臭氧检测、激光探测、荧光分析以及天文学研究等诸多领域。
宽带隙半导体紫外探测器的长波截止波长小于400nm，在可见光和红外范围内没有响应，这对在红外和可见光背景下探测紫外辐射具有特殊的意义。紫外探测器经历了过去几十年的发展，已经涌现了如：光电导、金属-半导体-金属、肖特基势垒和p-i-n型的紫外探测器结构。在上述结构中，光电导探测器引人注目之处在于具有高的响应度并且制作简单，适合于应用在低成本的紫外光监测方面(例如火焰传感)，但是该类器件通常具有高的暗电流，而且高的光电导增益往往严重限制器件的带宽，使得器件响应速度较慢，响应具有非线性，并且对亚带隙的光有明显的响应。肖特基势垒和p-i-n结构具有低暗电流、高响应速度的特性，适合于高速的紫外探测，但这两种结构器件理论上不存在增益，在探测微弱光信号方面不如光电导型器件。
发明内容
本发明的目的在于研制了一种具有垂直结构的偏置电压选择的双工作模式紫外探测器及其制备方法。这种探测器的特点在于可通过在器件上加不同的偏置电压极性，在一个器件中实现两种工作模式，即反向偏压和零偏压下的耗尽模式以及正向偏压下的光电导模式。
本发明通过如下技术方案予以实现：
一种垂直结构双工作模式紫外探测器，其包括：衬底101；缓冲层102，其设置在衬底101上；欧姆电极104，其设置在衬底101的底部；宽禁带半导体光吸收层103，其设置在缓冲层102上；肖特基电极105，其设置在宽禁带半导体光吸收层103上；绝缘介质钝化层106，其覆盖在肖特基电极105的表面上，绝缘介质钝化层106上开设有能显露肖特基电极105的引线孔；接触电极107，其设置在绝缘介质钝化层106上，并延伸至引线孔内而与肖特基电极105连接，
其中，垂直结构双工作模式紫外探测器工作时：当接触电极107与欧姆电极104加反向偏压或不加偏压时，垂直结构双工作模式紫外探测器工作在耗尽模式；当接触电极107与欧姆电极104加正向偏置电压时，垂直结构双工作模式紫外探测器的工作模式从肖特基势垒型的耗尽模式转变为光电导模式，垂直结构双工作模式紫外探测器表现出较高的增益，具体为增益因子>10。
作为上述方案的进一步改进，宽禁带半导体光吸收层103的禁带宽度应大于3.1eV，且具有高阻特性，具体为电阻率值>106Ω·cm，宽禁带半导体光吸收层103的厚度介于50nm到1mm之间。
作为上述方案的进一步改进，宽禁带半导体光吸收层103采用的材料选自以下的至少一种：GaN，AlN，ZnO，MgO，GaN、AlN、ZnO和MgO四种材料的三元或四元合金材料，SiC，Diamond，TiO2。
作为上述方案的进一步改进，绝缘介质钝化层106的厚度介于1nm到50μm之间，绝缘介质钝化层106采用介质钝化材料，其选自SiOx，SiNx，Al2O3，AlN，polyimide。
本发明还提供一种垂直结构双工作模式紫外探测器的制备方法，该垂直结构双工作模式紫外探测器包括：衬底101；缓冲层102，其设置在衬底101上；欧姆电极104，其设置在衬底101的底部；宽禁带半导体光吸收层103，其设置在缓冲层102上；肖特基电极105，其设置在宽禁带半导体光吸收层103上；绝缘介质钝化层106，其覆盖在肖特基电极105的表面上，绝缘介质钝化层106上开设有能显露肖特基电极105的引线孔；接触电极107，其设置在绝缘介质钝化层106上，并延伸至引线孔内而与肖特基电极105连接，
其中，垂直结构双工作模式紫外探测器工作时：当接触电极107与欧姆电极104加反向偏压或不加偏压时，垂直结构双工作模式紫外探测器工作在耗尽模式；当接触电极107与欧姆电极104加正向偏置电压时，垂直结构双工作模式紫外探测器的工作模式从肖特基势垒型的耗尽模式转变为光电导模式，垂直结构双工作模式紫外探测器表现出较高的增益，具体为增益因子>10，
该制备方法包括以下步骤：
1)在衬底101上外延生长垂直结构双工作模式紫外探测器晶片的外延层，外延层结构在衬底101上从下到上依次为缓冲层102、宽禁带半导体光吸收层103；
2)采用半导体微加工工艺制作金属接触电极结构，包括制备欧姆电极104和肖特基电极105，制备得到的欧姆电极104位于衬底101上，肖特基电极105位于宽禁带半导体光吸收层103上；
3)在制备了肖特基电极结构的半导体芯片表面覆盖绝缘介质钝化层106，并通过半导体微加工工艺在肖特基电极105上面刻蚀出引线孔；
4)采用半导体微加工工艺制作接触电极107，得到垂直结构双工作模式紫外探测器。
作为上述方案的进一步改进，宽禁带半导体光吸收层103可采用同质外延方式制备，亦可采用异质衬底外延制备。
作为上述方案的进一步改进，如采用异质衬底时，要求衬底101和缓冲层102的材料与宽禁带半导体光吸收层103的材料之间的晶格失配应小于25％，缓冲层102的厚度应控制在0到100μm之间。
作为上述方案的进一步改进，宽禁带半导体光吸收层103采用的材料选自以下的至少一种：GaN，AlN，ZnO，MgO，GaN、AlN、ZnO和MgO四种材料的三元或四元合金材料，SiC，Diamond，TiO2。
作为上述方案的进一步改进，宽禁带半导体光吸收层103的禁带宽度应大于3.1eV，且具有高阻特性，具体为电阻率值>106Ω·cm，宽禁带半导体光吸收层103的厚度介于50nm到1mm之间。
作为上述方案的进一步改进，绝缘介质钝化层106的厚度介于1nm到50μm之间，绝缘介质钝化层106采用介质钝化材料，其选自SiOx，SiNx，Al2O3，AlN，polyimide。
本发明的垂直结构双工作模式紫外探测器及其制备方法的优点在于：具有工作可靠性高、制备工艺简单，无需刻蚀等优点。
附图说明
图1为本发明垂直结构偏置电压选择的双工作模式紫外光电探测器结构示意图。
图2为本发明实施例的光电流、暗电流随电压的变化关系，图中，横坐标为偏置电压(V)，纵坐标为电流(A)。
图3a为本发明实施例处于反向偏置以及零偏下的耗尽工作模式时的光谱响应曲线(a)，图中，横坐标为入射光波长，单位：nm，纵坐标为光谱响应度，单位：A/W。
图3b为本发明实施例处于正向偏置下的光电导工作模式时的光谱响应曲线(b)，图中，横坐标为入射光波长，单位：nm，纵坐标为光谱响应度，单位：A/W。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的垂直结构双工作模式紫外探测器包括衬底101、缓冲层102、宽禁带半导体光吸收层103、一欧姆电极104和一肖特基电极105。衬底101上依次为缓冲层102、宽禁带半导体光吸收层103，欧姆电极104制作在衬底上，肖特基电极105制作在半导体光吸收层上。双工作模式紫外探测器设有肖特基电极的一侧覆盖绝缘介质钝化层106，绝缘介质钝化层106上对应肖特基电极设有引线孔，通过引线孔引出接触电极107。
具体地说，垂直结构双工作模式紫外探测器包括：
衬底101；
缓冲层102，其设置在衬底101上；
欧姆电极104，其设置在衬底101的底部；
宽禁带半导体光吸收层103，其设置在缓冲层102上；
肖特基电极105，其设置在宽禁带半导体光吸收层103上；
绝缘介质钝化层106，其覆盖在肖特基电极105的表面上，绝缘介质钝化层106上开设有能显露肖特基电极105的引线孔；
接触电极107，其设置在绝缘介质钝化层106上，并延伸至引线孔内而与肖特基电极105连接，
其中，垂直结构双工作模式紫外探测器工作时：
当接触电极107与欧姆电极104加反向偏压或不加偏压时，垂直结构双工作模式紫外探测器工作在耗尽模式；
当接触电极107与欧姆电极104加正向偏置电压时，垂直结构双工作模式紫外探测器的工作模式从肖特基势垒型的耗尽模式转变为光电导模式，垂直结构双工作模式紫外探测器表现出较高的增益，具体为增益因子>10。
上述偏置电压选择的垂直结构双工作模式紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)在同质或异质衬底上外延生长宽禁带半导体薄膜材料，可以是单层膜，也可以是多层膜，其基本特征是最上层膜为禁带宽度大于3.1eV，并且具有高阻特性，其电阻率值>106Ω·cm，最上层膜的厚度介于50nm到1mm之间；宽禁带半导体材料包括GaN，AlN，ZnO，MgO，GaN、AlN、ZnO和MgO四种材料的三元或四元合金材料，SiC，Diamond，TiO2等。
2)利用半导体微加工工艺在衬底背面制作欧姆接触电极；在半导体有源层上制作肖特基接触电极，肖特基电极可以采用多种形态，如圆环型、方形以及叉指型等。
3)肖特基电极表面覆盖钝化层和抗反射膜，用来提高器件的可靠性以及增加器件的光吸收效率，其厚度介于1nm到10μm之间。
4)器件两端加反向偏压或不加偏压时，器件工作在耗尽模式；当器件两端加正向偏置电压时，器件的工作模式从肖特基势垒型的耗尽模式转变为光电导模式，器件表现出较高的增益，增益因子>10。
下面通过具体实施例：基于高阻GaN同质外延材料的偏置电压选择的双工作模式紫外探测器来说明本发明的实施，GaN基双工作模式紫外探测器的制作过程如下：
1)所用的衬底材料是采用氢化物气相外延技术在蓝宝石衬底上外延生长的300μm的GaN材料，之后通过激光剥离技术所获得得自支撑GaN体衬底，霍尔测量表明其室温电阻率约为0.01Ω·cm。采用金属有机物化学气相淀积方法外延生长器件结构，包括：1μm的Si掺杂的n+GaN过渡层(掺杂浓度～3×1018cm-3)和3μm的非故意掺杂器件有源层，其电阻率～6.0×107Ω·cm；
2)对生长好的外延片进行标准的半导体清洗工艺；
3)采用电子束蒸发在整个衬底的背面蒸镀Ti(10nm)/Al(70nm)/Ti(10nm)/Au(100nm)的金属层，并在N2氛围中750℃快速热退火60s形成欧姆接触；
4)清洗后，再次通过电子束蒸发的方法在材料表面淀积半透明的肖特基接触电极，电极采用Ni(5nm)/Au(5nm)双层金属，肖特基电极采用圆形结构，其直径为200μm；
5)接下来在整个肖特基电极表面淀积一层150nm厚的SiO2介质层作为钝化层，这层介质层同时起到抗反射的作用；
6)腐蚀出引线孔后，通过电子束蒸发淀积双层Ti(40nm)/Au(100nm)作为接触电极，完成整个器件制作。
所制得的偏置选择双工作模式紫外探测器，其工作过程如下：在两电极间加反向偏压或不加偏压时，器件工作在耗尽模式；当器件两电极间加正向偏置电压时，器件的工作模式从肖特基势垒型的耗尽模式转变为光电导模式，器件表现出较高的增益，增益因子>10。
下面通过以下实验装置对器件进行测试，其测试方法和结果如下：
双工作模式紫外探测器的光电流、暗电流以及光谱响应通过Keithley 4200电流源表进行测量，精确度可达到1fA。光源为500W的氙灯，由单色仪进行分光，单色光的强度通过一个标准的紫外增强硅基探测器进行校准。测试得到的器件暗电流和光电流如图2所示。
从图2中可以看出，反向偏置电压下器件表现出极低的暗电流。例如，在-5V的反向偏压下，暗电流仅约0.5pA，这对应于1.4×10-9A/cm2的低电流密度。即使在-50V高的反向偏压下，器件的暗电流依然低于5pA。同时在反向偏置下器件表现出极高的光电流/暗电流之比，-5V的反向偏压下约6个量级。而且从图中可以观察到器件在正向偏压下工作时的暗电流也比较低，在5V的正向偏压下仅约50nA，并且在正向偏置电压下，依然能观察到相对高的光电流/暗电流之比，例如，正向偏压5V时光电流/暗电流之比约为600，这说明器件可以工作在正向偏压下，此时器件的工作方式为光电导模式。
图3a与图3b给出了器件的光电响应曲线。器件在不同偏置电压下的响应度在365nm处均有一明显的截止边，这对应于GaN材料的禁带宽度。如果定义365nm和400nm的响应度之比为器件的紫外/可见抑制比，那么器件在-5V的反向偏置电压下其抑制比高达6000。在0V偏压下，器件的紫外/可见抑制比依然高于2000。当器件两端加正向偏置电压时，器件的工作模式从肖特基势垒型的耗尽模式转变为光电导模式。光谱响应曲线同样在365nm处有一明显的截止边，这对应于GaN材料的带隙，同时，器件的响应峰值出现在365nm处，相应的5V偏压下的响应度高达214A/W，紫外/可见抑制比超过250，这比传统的光电导探测器的直流抑制比(<100)要高出很多。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种垂直结构双工作模式紫外探测器，其特征在于，其包括：
衬底(101)；
缓冲层(102)，其设置在衬底(101)上；
欧姆电极(104)，其设置在衬底(101)的底部；
宽禁带半导体光吸收层(103)，其设置在缓冲层(102)上；
肖特基电极(105)，其设置在宽禁带半导体光吸收层(103)上；
绝缘介质钝化层(106)，其覆盖在肖特基电极(105)的表面上，绝缘介质钝化层(106)上开设有能显露肖特基电极(105)的引线孔；
接触电极(107)，其设置在绝缘介质钝化层(106)上，并延伸至引线孔内而与肖特基电极(105)连接，
其中，垂直结构双工作模式紫外探测器工作时：
接触电极(107)与欧姆电极(104)加反向偏压或不加偏压时，垂直结构双工作模式紫外探测器工作在耗尽模式；
当接触电极(107)与欧姆电极(104)加正向偏置电压时，垂直结构双工作模式紫外探测器的工作模式从肖特基势垒型的耗尽模式转变为光电导模式，垂直结构双工作模式紫外探测器表现出较高的增益，具体为增益因子>10。
2.如权利要求1所述的垂直结构双工作模式紫外探测器，其特征在于，宽禁带半导体光吸收层(103)的禁带宽度应大于3.1eV，且具有高阻特性，具体为电阻率值>106Ω·cm，宽禁带半导体光吸收层(103)的厚度介于50nm到1mm之间。
3.如权利要求2所述的垂直结构双工作模式紫外探测器，其特征在于，宽禁带半导体光吸收层(103)采用的材料选自以下的至少一种：GaN，AlN，ZnO，MgO，GaN、AlN、ZnO和MgO四种材料的三元或四元合金材料，SiC，Diamond，TiO2。
4.如权利要求1所述的垂直结构双工作模式紫外探测器，其特征在于，绝缘介质钝化层(106)的厚度介于1nm到50μm之间，绝缘介质钝化层(106)采用介质钝化材料，其选自SiOx，SiNx，Al2O3，AlN，polyimide。
5.一种如权利要求1所述的垂直结构双工作模式紫外探测器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
1)在衬底(101)上外延生长垂直结构双工作模式紫外探测器晶片的外延层，外延层结构在衬底(101)上从下到上依次为缓冲层(102)、宽禁带半导体光吸收层(103)；
2)采用半导体微加工工艺制作金属接触电极结构，包括制备欧姆电极(104)和肖特基电极(105)，制备得到的欧姆电极(104)位于衬底(101)上，肖特基电极(105)位于宽禁带半导体光吸收层(103)上；
3)在制备了肖特基电极结构的半导体芯片表面覆盖绝缘介质钝化层(106)，并通过半导体微加工工艺在肖特基电极(105)上面刻蚀出引线孔；
4)采用半导体微加工工艺制作接触电极(107)，得到垂直结构双工作模式紫外探测器。
6.如权利要求5所述的垂直结构双工作模式紫外探测器的制备方法，其特征在于，宽禁带半导体光吸收层(103)可采用同质外延方式制备，亦可采用异质衬底外延制备。
7.如权利要求6所述的垂直结构双工作模式紫外探测器的制备方法，其特征在于，如采用异质衬底时，要求衬底(101)和缓冲层(102)的材料与宽禁带半导体光吸收层(103)的材料之间的晶格失配应小于25％，缓冲层(102)的厚度应控制在0到100μm之间。
8.如权利要求5所述的垂直结构双工作模式紫外探测器的制备方法，其特征在于，宽禁带半导体光吸收层(103)采用的材料选自以下的至少一种：GaN，AlN，ZnO，MgO，GaN、AlN、ZnO和MgO四种材料的三元或四元合金材料，SiC，Diamond，TiO2。
9.如权利要求5所述的垂直结构双工作模式紫外探测器的制备方法，其特征在于，宽禁带半导体光吸收层(103)的禁带宽度应大于3.1eV，且具有高阻特性，具体为电阻率值>106Ω·cm，宽禁带半导体光吸收层(103)的厚度介于50nm到1mm之间。
10.如权利要求5所述的垂直结构双工作模式紫外探测器的制备方法，其特征在于，绝缘介质钝化层(106)的厚度介于1nm到50μm之间，绝缘介质钝化层(106)采用介质钝化材料，其选自SiOx，SiNx，Al2O3，AlN，polyimide。
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