CN104167458A - 紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种紫外探测器，所述紫外探测器包括衬底，所述衬底上依次设有n型层、i型超晶格倍增层、i型光敏吸收层和p型层；所述n型层上设有n型欧姆电极，所述p型层上设有p型欧姆电极；所述i型超晶格倍增层为Ⅲ族氮化物的超晶格。本发明解决了现有技术中紫外探测器中由于电子和空穴的离化系数相近而导致的紫外探测器不灵敏，难以探测弱紫外光的问题。
Description
技术领域
本发明涉及紫外线探测领域，具体涉及一种紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测在民用和军事领域具有广泛的应用，包括化学和生物分析(臭氧，污染物以及大部分有机化合物的吸收线在紫外光谱范围)，火焰探测(包括火灾报警，导弹预警和制导，燃烧监测等)，光通信(特别是卫星间采用波长小于280nm的紫外光进行通信)，紫外光源的校准(仪器，紫外线光刻等)，以及天文学研究。
其中，最常用的紫外光电探测器件是基于Si材料的光电二极管，但是它和其他窄禁带半导体探测器一样面临如下的一些固有的局限性。首先，对于Si或GaAs等这些窄禁带半导体而言，紫外光的能量远高于其带隙，它们在紫外光的照射下很容易老化。此外，钝化层(通常是SiO2)会减少深紫外线范围的量子效率，同时也面临紫外线照射退化的问题。这些器件的另一个限制是其同时对低能量的光子也具有响应，因此必须使用昂贵和复杂的滤波器来阻挡可见光和红外线光子，导致有效面积有显著损失。最后，对于某些高灵敏度的应用，探测器的有源区必须冷却以减少暗电流，冷却后的探测器会作为污染物的冷阱而导致更低的探测率。
宽禁带半导体材料的紫外光电探测器可以克服上述的诸多缺点。对光电二极管来说而言，宽的禁带宽度本身就是一个很大的优势，它使得探测器可以室温工作，同时对可见光不响应。另外，宽禁带半导体击穿场强高、物理和化学性质稳定，十分适合在高温和大功率条件下工作。它们抗紫外辐照能力强，一般也不需要钝化处理，因此可以提高在紫外波段的响应度和稳定性。
然而，现有的基于宽禁带半导体材料的紫外探测器一般采用同质结构，即雪崩倍增层本身的材料为同一种材料，因而导致电子和空穴的离化系数相近，器件噪声功率太高，不利于弱光探测。
为解决上述问题，需要一种紫外探测器，以解决现有技术中紫外探测器电子和空穴的离化系数相近而导致的紫外探测器不灵敏，难以探测弱紫外光的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种紫外探测器及其制备方法，解决了现有技术中紫外探测器中电子和空穴的离化系数相近而导致的紫外探测器不灵敏，难以探测弱紫外光的问题。
第一方面，本发明提供一种紫外探测器，所述紫外探测器包括：衬底，所述衬底上依次设有n型层、i型超晶格倍增层、i型光敏吸收层和p型层；
所述n型层上设有n型欧姆电极，所述p型层上设有p型欧姆电极；
所述i型超晶格倍增层为Ⅲ族氮化物的超晶格。
优选地，所述i型超晶格倍增层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格，其中，0≤x<y≤1。
优选地，所述n型层、i型光敏吸收层和p型层的材料均为AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
优选地，所述n型层的厚度为1～10μm。
优选地，所述i型超晶格倍增层的周期数为1～100，势垒或势阱的宽度为1～100nm。
优选地，所述i型光敏吸收层的厚度为10～1000nm。
优选地，所述p型层的厚度为10～1000nm。
一种紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1.在衬底上生长n型层；
S2.在所述n型层上生长i型超晶格倍增层；
S3.在所述i型超晶格倍增层上生长i型光敏吸收层；
S4.在所述i型光敏吸收层上生长p型层；
S5在所述p型层上设置p型欧姆电极，在所述n型层上设置n型欧姆电极；
其中，步骤S2中所述i型超晶格倍增层为Ⅲ族氮化物的超晶格。
优选地，所述i型超晶格倍增层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格，其中，0≤x<y≤1。
优选地，所述n型层、i型光敏吸收层和p型层材料为AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
由上述技术方案可知，本发明的紫外探测器，通过设置i型超晶格倍增层，增强了电子离化系数、降低了空穴离化系数，使得电子离化系数远大于空穴离化系数，从而降低了紫外探测器的噪声功率，提高了紫外探测器的灵敏度，有助于紫外线探测器对于弱光探测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的紫外探测器的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的紫外探测器的制作方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例一提供的紫外探测器的结构示意图，如图1所示，本实施例的紫外探测器包括：
衬底，所述衬底上依次设有n型层、i型超晶格倍增层、i型光敏吸收层和p型层；所述n型层上设有n型欧姆电极，所述p型层上设有p型欧姆电极；所述i型超晶格倍增层为Ⅲ族氮化物的超晶格。
由此，本实施例的紫外探测器，通过设置i型超晶格倍增层，利用超晶格结构，增强电子离化系数、降低空穴离化系数，使得雪崩增益提高，雪崩过剩噪声降低，由于超晶格结构增强了电子和空穴的离化系数差异，避免了载流子反复离化碰撞，缩短了雪崩恢复时间，并且降低了紫外探测器的噪声功率，提高了紫外探测器的灵敏度，有助于紫外线探测器对于弱光探测。另外，本实施例所述紫外探测器中的超晶格结构可以降低器件的雪崩阈值电压，从而降低了器件的击穿概率，也就是说提高了器件的成品率。
为了使紫外探测器的质量得到提高，所述衬底在设置n型层之前，还可设置一层低温缓冲层。
优选地，所述i型超晶格倍增层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格，其中，0≤x<y≤1。其中，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN表示AlxGa1-xN和AlyGa1-yN两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。
所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格倍增层，使电子离化系数远远大于空穴离化系数，从而使得倍增层的雪崩增益高，雪崩过剩噪声低，因而使得紫外探测器提高了对弱光的探测精度。
所述n型层、i型光敏吸收层和p型层材料为AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
所述AlxGa1-xN为宽禁带半导体材料，利用AlxGa1-xN制作n型层、i型光敏吸收层和p型层，可以使得紫外探测器在室温工作，同时对可见光不响应。另外，宽禁带半导体材料AlxGa1-xN击穿场强高、物理和化学性质稳定，十分适合在高温和大功率条件下工作。它抗紫外辐照能力强，一般也不需要钝化处理，因此可以提高在紫外波段的响应度和稳定性。另外，由于AlxGa1-xN属于直接带隙半导体，且禁带宽度随组分可调，从而有利于制作探测波长可调谐的探测器，并且方便使用能带工程手段获得更好的探测性能。
其中，所述n型层的厚度为1～10μm。
其中，所述i型超晶格倍增层的周期数为1～100，势垒或势阱的宽度为1～100nm。
其中，所述i型光敏吸收层的厚度为10～1000nm。
其中，所述p型层的厚度为10～1000nm。
图2示出了实施例二提供的紫外探测器制备方法的流程图，如图2所示，本实施例的紫外探测器制备方法如下所述。
步骤201：在衬底上生长n型层.
步骤202：在所述n型层上生长i型超晶格倍增层。
步骤203：在所述i型超晶格倍增层上生长i型光敏吸收层。
步骤204：在所述i型光敏吸收层上生长p型层。
步骤205：在所述p型层上设置p型欧姆电极，在所述n型层上设置n型欧姆电极。
其中，步骤202中所述i型超晶格倍增层为Ⅲ族氮化物的超晶格。
由此，本实施例的紫外探测器制备方法，通过在n型层上生长i型超晶格倍增层，使得光敏吸收层在吸收紫外光后，在超晶格倍增层发生雪崩，利用超晶格倍增层中导带带阶大于价带带阶的优点，使电子离化系数远大于空穴离化系数，使得雪崩增益提高，雪崩过剩噪声降低，由于超晶格结构增强了电子和空穴的离化系数差异，避免了载流子反复离化碰撞，缩短了雪崩恢复时间，并且降低了紫外探测器的噪声功率，提高了紫外探测器的灵敏度，有助于紫外线探测器对于弱光探测。
下面实施例三至六提供了四种AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格紫外探测器制备方法，其中，0≤x<y≤1。
实施三提供了一种AIN/GaN超晶格紫外探测器制备方法，如下所示，本实施例的紫外探测器制备方法如下所述。其中，AIN/GaN表示AIN和GaN两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格，类似地，后续实施例提到的AIN/AlGaN、GaN/AlGaN和Al0.2Ga0.8N/Al0.5Ga0.5N都代表同样的含义。
步骤301：采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)技术，以三甲基镓(TMGa)作镓源，高纯NH3作为氮源，硅烷做n型掺杂剂，在蓝宝石衬底上生长20nm的n型GaN低温缓冲层。所述GaN为AlxGa1-xN当x＝0时的材料。
在本步骤中，所述衬底材料为蓝宝石、氧化锌、硅、碳化硅、硅上生长的氮化铝复合衬底、硅上生长的氧化锌复合衬底或AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
步骤302：在所述低温缓冲层上生成一层3μm的n型CaN，掺杂浓度为1019cm-3。
步骤303：在所述n型层上生长20个周期的AIN(20nm)/GaN(10nm)的i型超晶格倍增层，即超晶格雪崩区。
在本步骤中，AIN为AlxGa1-xN当x＝1时的材料，GaN为AlyGa1-yN当y＝0时的材料，所述AIN(20nm)/GaN(10nm)表示AIN和GaN两种不同组元以AIN为20纳米和GaN为10纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。
步骤304：在所述超晶格倍增层上生长一层300nm的i型CaN光敏吸收层。
步骤305：在所述i型光敏吸收层上生长一层100nm的p型CaN层，掺杂浓度为1019cm-3。
步骤306：使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术在从p型层的上表面刻蚀至n型层，形成台面。
步骤307：使用电子束蒸发(EB)技术在所述p型层上沉积一层Ni/Au电极，在所述n型层上沉积一层Cr/Au电极。
步骤308：使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)技术在台面上沉积200nm的SiO2钝化层。
在本步骤中，为了减少漏电流，提高探测微弱信号的灵敏度，可以在台面上沉积一层钝化层。
实施四提供了一种AIN/AlGaN超晶格紫外探测器制备方法，如下所示，本实施例的紫外探测器制备方法如下所述。
步骤401：采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)技术，以三甲基镓(TMGa)作镓源，高纯NH3作为氮源，硅烷做n型掺杂剂，在氧化锌衬底上生长100nm的n型Al0.4Ga0.6N低温缓冲层。
步骤402：在所述低温缓冲层上生成一层5μm的n型Al0.4Ga0.6N，掺杂浓度为1019cm-3。
步骤403：在所述n型层上生长30个周期的AlN(30nm)/Al0.4Ga0.6N(40nm)的i型超晶格倍增层，即超晶格雪崩区。
在本步骤中，AIN为AlxGa1-xN当x＝1时的材料，Al0.4Ga0.6N为AlyGa1-yN当y＝0.4时的材料，所述AlN(30nm)/Al0.4Ga0.6N(40nm)表示AIN和Al0.4Ga0.6N两种不同组元以AIN为30纳米和Al0.4Ga0.6N为40纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。
步骤404：使用三甲基铝(TMAl)作铝源，在所述i型超晶格倍增层上生长一层400nm的i型Al0.4Ga0.6N光敏吸收层。
步骤405：在所述i型光敏吸收层上生长一层200nm的p型Al0.4Ga0.6N层，掺杂浓度为1019cm-3。
步骤406：使用反应离子(RIE)刻蚀技术在从p型层的上表面刻蚀至n型层，形成台面。
步骤407：使用电子束蒸发(EB)技术在所述p型层上沉积一层ITO透明电极，在所述n型层上沉积一层Ti/Al电极。
步骤408：使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)技术在台面上沉积300nm的SiO2钝化层。
实施五提供了一种GaN/AlGaN超晶格紫外探测器制备方法，如下所示，本实施例的紫外探测器制备方法如下所述。
步骤501：采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)技术，以三甲基镓(TMGa)作镓源，高纯NH3作为氮源，硅烷做n型掺杂剂，在碳化硅衬底上生长200nm的n型Al0.1Ga0.9N低温缓冲层。
步骤502：在所述低温缓冲层上生成一层6μm的n型Al0.1Ga0.9N，掺杂浓度为1019cm-3。
步骤503：在所述n型层上生长60个周期的GaN(50nm)/Al0.1Ga0.9N(60nm)的i型超晶格倍增层，即超晶格雪崩区。
在本步骤中，GaN为AlxGa1-xN当x＝0时的材料，Al0.1Ga0.9N为AlyGa1-yN当y＝0.1时的材料，所述GaN(50nm)/Al0.1Ga0.9N(60nm)表示GaN和Al0.1Ga0.9N两种不同组元以GaN为50纳米和Al0.1Ga0.9N为60纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。
步骤504：使用三甲基铝(TMAl)作铝源，在所述i型超晶格倍增层上生长一层500nm的i型Al0.1Ga0.9N光敏吸收层。
步骤505：在所述i型光敏吸收层上生长一层300nm的p型Al0.1Ga0.9N层，掺杂浓度为1019cm-3。
步骤506：使用湿法刻蚀技术在从p型层的上表面刻蚀至n型层，形成台面。
步骤507：使用电子束蒸发(EB)技术在所述p型层上沉积一层ZnO透明电极，在所述n型层上沉积一层Cr/Au电极。
步骤508：使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)技术在台面上沉积400nm的SiN2钝化层。
实施六提供了一种Al0.2Ga0.8N/Al0.5Ga0.5N超晶格紫外探测器制备方法，如下所示，本实施例的紫外探测器制备方法如下所述。
步骤601：采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)技术，以三甲基镓(TMGa)作镓源，高纯NH3作为氮源，硅烷做n型掺杂剂，在硅衬底上生长60nm的n型Al0.5Ga0.5N低温缓冲层。
步骤602：在所述低温缓冲层上生成一层2μm的n型Al0.5Ga0.5N，掺杂浓度为1019cm-3。
步骤603：在所述n型层上生长90个周期的Al0.2Ga0.8N(70nm)/Al0.5Ga0.5N(80nm)的i型超晶格倍增层，即超晶格雪崩区。
在本步骤中，Al0.2Ga0.8N为AlxGa1-xN当x＝0.2时的材料，Al0.5Ga0.5N为AlyGa1-yN当y＝0.5时的材料，所述Al0.2Ga0.8N(70nm)/Al0.5Ga0.5N(80nm)表示Al0.2Ga0.8N和Al0.5Ga0.5N两种不同组元以Al0.2Ga0.8N为70纳米和Al0.5Ga0.5N为80纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。
步骤604：使用三甲基铝(TMAl)作铝源，在所述i型超晶格倍增层上生长一层200nm的i型Al0.5Ga0.5N光敏吸收层。
步骤605：在所述i型光敏吸收层上生长一层80nm的p型Al0.5Ga0.5N层，掺杂浓度为1019cm-3。
步骤606：使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术在从p型层的上表面刻蚀至n型层，形成台面。
步骤607：使用电子束蒸发(EB)技术在所述p型层上沉积一层Ni/Au电极，在所述n型层上沉积一层Cr/Au电极。
步骤608：使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)技术在台面上沉积100nm的苯并环丁烯(BCB)钝化层。
实施例三至六所述的紫外探测器制备方法，可以用于制备图1所示的紫外探测器。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种紫外探测器，其特征在于，所述紫外探测器包括：衬底，所述衬底上依次设有n型层、i型超晶格倍增层、i型光敏吸收层和p型层；
所述n型层上设有n型欧姆电极，所述p型层上设有p型欧姆电极；
所述i型超晶格倍增层为Ⅲ族氮化物的超晶格。
2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述i型超晶格倍增层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格，其中，0≤x<y≤1。
3.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述n型层、i型光敏吸收层和p型层的材料均为AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
4.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述n型层的厚度为1～10μm。
5.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述i型超晶格倍增层的周期数为1～100，势垒或势阱的宽度为1～100nm。
6.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述i型光敏吸收层的厚度为10～1000nm。
7.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述p型层的厚度为10～1000nm。
8.一种权利要求1-7任一所述探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在衬底上生长n型层；
S2.在所述n型层上生长i型超晶格倍增层；
S3.在所述i型超晶格倍增层上生长i型光敏吸收层；
S4.在所述i型光敏吸收层上生长p型层；
S5在所述p型层上设置p型欧姆电极，在所述n型层上设置n型欧姆电极；
其中，步骤S2中所述i型超晶格倍增层为Ⅲ族氮化物的超晶格。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述i型超晶格倍增层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格，其中，0≤x<y≤1。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述n型层、i型光敏吸收层和p型层材料为AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
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