CN103247709A - 增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，属于半导体技术领域，解决了现有AlGaN基深紫外探测器响应度低的技术问题。本发明的方法包括以下步骤：(1)生长AlGaN基深紫外探测器材料；(2)在AlGaN基深紫外探测器材料表面制备能够产生表面等离激元共振的金属纳米结构体系，所述的金属纳米结构体系由分散的银纳米颗粒或者分散的铝纳米颗粒组成；(3)制备电极，得到AlGaN基深紫外探测器。本发明的方法增强了AlGaN基深紫外探测器的响应度，且工艺简单、成本低廉、应用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，属于半导体技术领域。
背景技术
三元合金AlGaN基材料具有直接宽带隙、热稳定性和化学稳定性好等优点，是制备紫外以及深紫外探测器的理想材料，尤其是在对深紫外光的探测方面，AlGaN基深紫外探测器与现有的Si探测器和光电倍增管相比独具优势，主要体现：AlGaN基材料通过调节Al组分可以实现禁带宽度在3.4～6.2eV之间连续可调，因此AlGaN基紫外探测器能够实现对200～365nm紫外以及深紫外光的本征探测，不仅避免了Si探测器中复杂的滤光系统的使用，而且解决了Si探测器的光生载流子在探测器表面复合的缺点；AlGaN基深紫外探测器作为半导体全固态探测器，具有体积小、功耗低的优点，有效克服了光电倍增管需要大的功率电源和阴极制冷等缺点；AlGaN基深紫外探测器的抗辐照能力强，能够在高空等恶劣环境下工作，这是Si探测器和光电倍增管无法实现的。
由于AlGaN基材料同质单晶衬底的缺乏，使得AlGaN基材料通常制备在蓝宝石等异质衬底上，大的晶格失配和热失配使得AlGaN材料中存在高密度的缺陷，另外由于在外延AlGaN材料的过程中，Al原子的迁移能力差，AlGaN外延层中的缺陷密度往往都在109cm-2以上，高密度缺陷不仅增加AlGaN基探测器漏电流，也导致AlGaN基深紫外探测器的光响应度低，性能差。
表面等离激元共振增强是指在金属表面存在的自由振动的电子在光电场驱动下移动，在另一侧产生等量的正电荷，此正负电荷在恢复力的作用下产生振荡，当表面等离激元与光子耦合后，产生表面等离激元共振，进而引起局部场增强、入射光散射截面增大等效应。分散的纳米金属体系能够产生表面等离激元共振增强效应，共振增强频率与纳米金属体系的种类、形态、分布、密度等因素有关。到目前为止，Ag、Au等纳米粒子已经成功应用于太阳能电池和发光二极管中，增强了Si基、GaAs基太阳能电池的光电转换效率，例如，在InP/InGaAsP量子阱太阳能电池中，利用表面等离激元增强将太阳能电池的短路电流密度增强了12.9%，转换效率增强了17%。但是现有技术中还没有表面等离激元增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法。
发明内容
本发明的发明目的是解决现有技术中AlGaN基深紫外探测器光响应度低的技术问题，提供一种增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法。
本发明提供一种增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，包括以下步骤：
(1)生长AlGaN基深紫外探测器材料；
(2)在AlGaN基深紫外探测器材料表面制备能够产生表面等离激元共振的金属纳米结构体系，所述的金属纳米结构体系由分散的银纳米颗粒或者分散的铝纳米颗粒组成；
(3)制备电极，得到AlGaN基深紫外探测器。
本发明的有益效果：
(1)本发明从光场调控的角度，利用金属表面等离激元与深紫外光的共振耦合产生的局部场增强效应，粒子散射截面增大效应等，增强AlGaN基深紫外探测器对深紫外光的吸收效率及对深紫外光探测能力；
(2)本发明是在现有AlGaN基深紫外探测器制备工艺的基础上，在AlGaN基材料表面制备Al、Ag等具有高表面等离激元共振能量的金属纳米结构，此金属纳米结构能够通过和紫外光的共振耦合效应有效的增强AlGaN基深紫外探测器的响应度，实现了探测器对微弱信号的探测，且工艺简单、效果显著；
(3)本发明适用于增强不同结构AlGaN基深紫外探测器的响应度，如金属-半导体-金属结构、肖特基结构、PN结构以及PIN结构的AlGaN基深紫外探测器。
附图说明
图1为本发明实施例增强金属-半导体-金属结构AlGaN基深紫外探测器响应度的方法的流程图；
图2为本发明实施例制备的金属-半导体-金属结构AlGaN基深紫外探测器的结构示意图。
图中，21、衬底，22、AlN缓冲层，23、AlGaN外延层，24、Al纳米结构体系，25、AlGaN基深紫外探测器。
具体实施方式
增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，包括以下步骤：
(1)采用MOCVD生长AlGaN基深紫外探测器材料，衬底的材料为蓝宝石、硅或者碳化硅，生长过程中利用三甲基镓作为镓源，三甲基铝作为铝源，氨气作为氮源，生长过程采用短波原位监测系统监测，由于Al原子的迁移率较低，采用高温MOCVD的方法能够增强Al原子迁移率，降低缺陷密度，增强材料质量；
(2)采用阳极氧化铝模板法、纳米球刻蚀法、电子束曝光法或者真空蒸发法在AlGaN基深紫外探测器材料表面制备能够产生表面等离激元共振的金属纳米结构体系，所述的金属纳米结构体系由分散的银纳米颗粒或者分散的铝纳米颗粒组成；
(3)制备电极，得到AlGaN基深紫外探测器，增强不同结构AlGaN基深紫外探测器的响应度所用的电极材料不同，如：金属-半导体-金属结构的AlGaN基深紫外探测器和肖特基结构的AlGaN基深紫外探测器形成肖特基金半接触材料，所以采用Ni/Au、Pt等能够与AlGaN形成肖特基型金半接触的电极材料；PN结构和PIN结构的AlGaN基深紫外探测器中N电极材料为Ti/Al、Ti/Al/Ni/Au等能够与N型AlGaN形成欧姆型金半接触的电极材料，P电极材料为Ni/Au、Pt等能够与P型AlGaN形成欧姆型金半接触的电极材料。
本实施方式中，金属纳米结构体系由分散的金属纳米颗粒组成，材料为Al或者Ag，AlGaN基深紫外探测器吸收的光能量为3.4ev-6.2ev，Al纳米结构由于具有高的表面等离激元共振能量，通过调节Al纳米结构的形态、密度、尺寸等可以增强不同Al组分的AlGaN基深紫外探测器的探测能力；Ag纳米结构的表面等离激元共振能量虽然低于Al纳米结构，但是由于Ag纳米结构表面等离激元共振能量随着AlGaN深紫外探测器中Al组分的增加而增加，因此也能够起到增强AlGaN基深紫外探测器响应度的效果，由于Au纳米结构的表面等离激元共振能量低，不足2ev，所以，Au纳米结构对深紫外光不能形成表面等离激元共振增强效应，深紫外光将被Au纳米结构吸收。
本实施方式提供增强金属-半导体-金属结构、肖特基结构、PN结构和PIN结构的AlGaN基深紫外探测器响应度的具体方法。
增强金属-半导体-金属结构的AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，包括以下步骤：
(1)采用高温MOCVD方法生长非故意掺杂的AlGaN基深紫外探测器材料，材料由上到下依次为非故意掺杂AlGaN外延层/AlN或GaN缓冲层/衬底，AlGaN外延层厚度约为2-3微米；
(2)采用阳极氧化铝模板法、纳米球刻蚀法、电子束曝光法或者真空蒸发法在AlGaN材料表面制备能够产生表面等离激元的分散金属纳米结构体系；
(3)通过光刻工艺，在AlGaN外延层上制备肖特基接触叉指电极图形，叉指电极位置为图形窗口，其他位置被光刻胶覆盖，由于金属-半导体-金属结构的探测器相当于两个背对背的肖特基结构的深紫外探测器，因此电极材料均为可与AlGaN形成肖特基接触的材料，如Ni/Au，Pt等，利用真空蒸发系统蒸发与AlGaN形成肖特基接触的电极材料，再利用lift-off工艺去除光刻胶(丙酮作为溶剂)，退火，完成叉指电极的制备，得到金属-半导体-金属结构的AlGaN基深紫外探测器，金属纳米结构体系存在于探测器光敏面上，在金属纳米结构体系影响探测器暗电流的情况下，电极下方的金属纳米结构体系利用腐蚀等方法去除。
增强肖特基结构的AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，包括以下步骤：
(1)采用高温MOCVD方法生长肖特基结构AlGaN基深紫外探测器材料，其中材料由上到下依次为非故意掺杂AlGaN外延层/N型AlGaN外延层/AlN或者GaN缓冲层/衬底；
(2)采用阳极氧化铝模板法、纳米球刻蚀法、电子束曝光法或者真空蒸发法在非故意掺杂AlGaN材料表面制备能够产生表面等离激元的分散金属纳米结构体系；
(3)通过光刻、刻蚀工艺，制备肖特基结构AlGaN基深紫外探测器光敏面台面，其中，刻蚀台面位置为N型AlGaN外延层，通过光刻工艺，在刻蚀台面N型AlGaN外延层制备欧姆电极图形，欧姆电极图形位置为图形窗口，其他位置被光刻胶覆盖，利用真空蒸发系统制备欧姆电极，电极材料如Ti/Al/Ni/Au，利用lift-off工艺去除光刻胶(丙酮作为溶剂)，退火，完成欧姆接触电极的制备，再次利用光刻工艺在非故意掺杂AlGaN外延层上制备肖特基接触电极图形，肖特基电极图形位置为图形窗口，其他位置被光刻胶覆盖，利用真空蒸发系统在非故意掺杂光敏面制备半透肖特基接触电极，电极材料如Ni/Au，通过lift-off工艺除光刻胶(丙酮作为溶剂)，退火，完成半透肖特基接触电极的制备，得到肖特基结构AlGaN基深紫外探测器，探测器光敏面上具有表面等离激元金属纳米结构体系。
增强PN结构或者PIN结构AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，包括以下步骤：
(1)生长PN结构或者PIN结构AlGaN基深紫外探测器材料，其中PN结构材料由上到下依次为P型AlGaN外延层/N型AlGaN外延层/AlN或者GaN缓冲层/衬底，PIN结构探测器材料由上到下依次为P型AlGaN外延层/I型AlGaN外延层/N型AlGaN外延层/AlN或者GaN缓冲层/衬底；
(2)采用阳极氧化铝模板法、纳米球刻蚀法、电子束曝光法或者真空蒸发法在P型AlGaN外延层表面制备产生表面等离激元的分散金属纳米结构体系；
(3)通过光刻、刻蚀工艺，制备PN结构或者PIN结构AlGaN基深紫外探测器光敏面台面，刻蚀台面位置为N型AlGaN外延层，通过光刻工艺，在刻蚀台面N型AlGaN外延层制备欧姆接触电极图形，其中图形电极位置为图形窗口，利用真空蒸发系统制备N型AlGaN外延层欧姆接触电极，电极材料如Ti/Al/Ni/Au，利用lift-off工艺去除光刻胶(丙酮作为溶剂)，退火，完成PN结构或者PIN结构探测器N型AlGaN外延层欧姆电极的制备；再次利用光刻工艺，在P型AlGaN外延层制备欧姆电极图形，其中电极位置为图形窗口，利用真空蒸发系统制备P型AlGaN外延层欧姆接触电极，电极材料如Ni/Au，通过lift-off工艺去除光刻胶(丙酮作为溶剂)，退火，完成AlGaN基深紫外探测器P型AlGaN外延层欧姆电极的制备，得到PN结构或者PIN结构AlGaN基深紫外探测器，探测器光敏面上具有表面等离激元金属纳米结构体系。
下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明。
实施例
结合图1和2说明实施例
增强金属-半导体-金属结构的AlGaN深紫外探测器响应度的方法：
(1)选择外延AlGaN材料的所需衬底21(c面蓝宝石衬底)，利用两步生长法，首先生长AlN缓冲层22，然后利用高温MOCVD技术生长高Al组分AlGaN外延层23；
(2)真空蒸发在AlGaN外延层23上形成不规则分散的Al纳米颗粒，高温退火，根据金属再凝聚的表面张力效应，形成Al纳米结构体系24，Al纳米粒子随机分布；
(3)利用光刻技术，在Al纳米结构体系24上制备叉指结构的光刻胶掩膜图形，叉指宽度为2-15um，叉指之间的距离为2-15um；
(4)利用电子束蒸发技术，在此光刻胶掩膜图形上蒸发肖特基接触电极Ni/Au复合层，其厚度为10-300纳米；
(5)利用LiftOff技术溶解光刻胶，采用丙酮作为溶解溶液，使得光刻胶与光刻胶上面覆盖的掩膜材料Ni/Au脱落，其中叉指宽度为2-15um，叉指之间的距离为2-15um；
(6)利用退火炉，在氮气氛围下对Ni/Au肖特基接触电极退火，退火温度为400-600度，时间为3-15分钟，获得金属-半导体-金属结构的AlGaN深紫外探测器25。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)生长AlGaN基深紫外探测器材料；
(2)在AlGaN基深紫外探测器材料表面制备能够产生表面等离激元共振的金属纳米结构体系，所述的金属纳米结构体系由分散的银纳米颗粒或者分散的铝纳米颗粒组成；
(3)制备电极，得到AlGaN基深紫外探测器。
2.根据权利要求1所述的增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，其特征在于，当所述的AlGaN基深紫外探测器为金属-半导体-金属结构时，包括以下步骤：
(1)生长非故意掺杂的AlGaN基深紫外探测器材料；
(2)在AlGaN基深紫外探测器材料表面制备能够产生表面等离激元共振的金属纳米结构体系；
(3)制备叉指电极，得到AlGaN基深紫外探测器。
3.根据权利要求1所述的增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，其特征在于，当所述的AlGaN基深紫外探测器为肖特基结构时，包括以下步骤：
(1)生长肖特基结构的AlGaN基深紫外探测器材料；
(2)在AlGaN基深紫外探测器材料表面制备能够产生表面等离激元共振的金属纳米结构体系；
(3)制备欧姆接触电极和肖特基接触电极，得到AlGaN基深紫外探测器。
4.根据权利要求1所述的增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，其特征在于，当所述的AlGaN基深紫外探测器为PN结构或者PIN结构时，包括以下步骤：
(1)生长PN结构或者PIN结构的AlGaN基深紫外探测器材料；
(2)在P型AlGaN深紫外探测器材料表面制备能够产生表面等离激元共振的金属纳米结构体系；
(3)制备N型AlGaN欧姆接触电极和P型AlGaN欧姆接触电极，得到AlGaN基深紫外探测器。
5.根据权利要求1-4所述的增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，其特征在于，步骤(1)所述的生长AlGaN基深紫外探测器材料的衬底材料为蓝宝石、硅或者碳化硅。
6.根据权利要求1-4所述的增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，其特征在于，步骤(1)所述的生长AlGaN基深紫外探测器材料的方法为有机金属化学气相沉积法。
7.根据权利要求6所述的增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，其特征在于，所述的有机金属化学气相沉积法为高温有机金属化学气相沉积法。
8.根据权利要求1-4所述的增强AlGaN基深紫外探测器响应度的方法，其特征在于，步骤(2)所述的金属纳米结构体系是采用阳极氧化铝模板法、纳米球刻蚀法、电子束曝光法或者真空蒸发法制备的。
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