CN104282793A - 一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及探测器的技术领域，更具体地，涉及一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器及其制备方法。一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其中，包括衬底，利用外延生长法，如分子束外延或金属有机化学气相沉积外延法，依次生长在衬底上的缓冲层，n型掺杂氮化物欧姆电极接触层，π型氮化物有源层，p型掺杂氮化物层，重掺杂p型氮化物欧姆接触层，制作在n型层上的n型欧姆接触电极，制作于p型层上的p型欧姆接触电极。本发明可改善传统p-i-n结构器件漏电流较大以及容易发生边缘提前击穿的问题，而且三台面结构对p-π-n结构器件的强弱电场区的边缘电场实施了双抑制保护，有效防止结边缘电场的提前击穿。
Description
技术领域
本发明涉及探测器的技术领域，更具体地，涉及一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器及其制备方法。
背景技术
随着信息技术的高速发展，紫外探测技术在现代光电信息探测领域中的地位越来越重要。目前，紫外探测器在火焰探测，环境监控，太空光通信，导弹预警系统，量子通信等军事或民用领域上都有着广泛的应用需求。以GaN基材料为代表的III族氮化物半导体（包括其二元化合物GaN、InN和AlN，三元化合物InGaN、AlGaN和AlInN以及四元化合物AlInGaN）具有禁带宽度大、直接带隙、电子迁移率高、击穿电场高、电子饱和漂移速度高、热导率高、介电常数较小、耐高温、抗辐射性强、化学稳定性高等一系列特点，因而非常适合于制作在高性能的半导体紫外光电探测器。相比于传统的真空倍增管与硅探测器，GaN基紫外光电探测器具有体积小、工作电压低、背景噪声低、探测波长范围广、可实现可见光盲及日盲（波长200-280 nm）探测、量子效率高、无需滤光片、耐高温、耐腐蚀，抗辐照、重量轻、寿命长、 抗震性好等优点，成为当前光电探测领域内研究和开发的热点。
光电探测器主要分为光电导型和光伏型，其中光伏型光电二极管又包括肖特基势垒型、p-i-n结型和雪崩光电二极管（APD）等类型的器件。基于p-i-n结构的雪崩光电二极管探测器是目前最具优势的GaN基紫外光电探测器，具有工艺简单，内部增益大，响应速度快，灵敏度高等优点，是可实现微弱光信号探测的高性能紫外光电探测器。
但是，目前的 GaN基p-i-n结构雪崩光电探测器，在器件结构上仍存在着一些问题而有待改善。其中，器件边缘易发生提前击穿且器件漏电流（暗电流）过高是突出的问题点。p-i-n结构雪崩光电探测器在其p-i结界面与i-n结界面处中存在着强电场（其中p-i结处电场为强电场，i-n结处电场为弱电场），特别是器件边缘由于刻蚀损伤等因素的表面态密度较高，因此在器件p-i结与i-n结的边缘处极易因电场强度过高而引发提前击穿，同时也会因侧壁的表面缺陷而导致漏电流增大等问题。
传统上，对于雪崩光电探测器的边缘提前击穿，一般是采用保护环和倾斜台面结构来进行抑制。（参见文献：[1]Maoyou Sun, Kezhou Xie, and Yicheng Lu, “Robust PIN Photodiode With a Guard Ring Protection Structure” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 52 NO. 6 June 2004 ；[2]Ariane L. Beck, Bo Yang, Xiangyi Guo, and Joy C. Campell, “Edge Breakdown in 4H-SiC Avalanche Photodiodes” IEEE J. Quantum Electron, vol. 40, NO. 3, pp. 321-324, March 2004。）
所谓保护环结构，是指制作于器件表面，利用不同材料或不同掺杂类型来对器件边缘电场进行改善，在反向偏压的情况下，保护环结构可以增大边缘耗尽层的曲率半径，从而使得边缘表面电场减弱，减少漏电沟道，同时利用场板结构改善器件表面金属接触的电场集边效应。但是，制作保护环的方法有明显的缺点。要在器件边缘生长不同材料，需要采用二次生长工艺，该二次生长过程会引入对器件本身材料的污染；而在化合物半导体器件边缘采用不同掺杂类型的方法，也有着制作难度大的缺点。
而所谓倾斜台面结构，主要是利用刻蚀的方法，在器件台型侧面制作出特定方向的斜台结构，使得探测器件高电场区在器件表面的面积较之器件内部的截面积大，在相同的偏压下，侧面电场更小，以此避免边缘电场聚集，减少暗电流。然而，由于化合物半导体的刻蚀技术对刻蚀取向不易操控（包括干法或湿法刻蚀），使得制作倾斜台型侧壁的工艺难度较高。此外，为了有效降低边缘电场强度，需要尽量减小侧壁的倾斜度，而这会使得器件整体的有效光接收面积占器件整体面积的比例大大减少。因此利用倾斜台面结构的方法存在着制作工艺难度大，降低器件填充因子的缺点。
为了克服斜台结构制作工艺难的问题，有研究组提出了另一种解决器件边缘提前击穿的办法—双台面结构（参见文献：[3]Han-Din Liu, Xiaoguang Zheng, Qiugui Zhou, Xiaogang Bai,”Double Mesa Sidewall Silicon Carbide Avalanche Photodiode” IEEE J. Quantum Electron, vol. 45, NO. 12, pp. 1524-1528, December 2009）。所谓双台面结构（如图1），主要是利用刻蚀的方法，在p-i-n结构的p-i结边缘制作垂直台阶结构（图1，Mesa2），将器件的内部电场局限在器件中心（台阶内侧），使p-i结耗尽区的强电场远离器件台阶边缘，从而抑制器件结边缘的提前击穿。但是，由于p-i-n结构中p-i结耗尽区的电场非常强（远强于i-n结耗尽区的内部电场），为保证台阶结构能有效抑制p-i结边缘的电场强度，要求刻蚀的台阶（图1，Mesa2）台面足够宽，使p-i结耗尽区强电场足够远离器件台阶的边缘。然而，在p-i结边缘刻蚀较大的台阶宽度意味着器件表层p型掺杂氮化物层的光接收面积的减小，这将降低器件对光的探测能力。
传统的双台面p-i-n结构器件的强电场区（p-i结处）靠近器件上方的p型欧姆接触金属电极，p-i结强电场区中的场强较大，为保证台阶有效抑制边缘电场，刻蚀的台阶（图1，Mesa2）宽度必须进一步增大，因此会较大地牺牲p型掺杂氮化物层的光接收面积。
因此，为了进一步提高雪崩光电探测器器件的性能，需要发展一种较双台面雪崩光电探测器更为优化的结构。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器及其制备方法，目的在于进一步改善传统p-i-n结构器件漏电流较大以及容易发生边缘提前击穿的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其中，包括衬底，利用外延生长法，如分子束外延或金属有机化学气相沉积外延法，依次生长在衬底上的缓冲层，n型掺杂氮化物欧姆电极接触层，π型氮化物有源层，p型掺杂氮化物层，重掺杂p型氮化物欧姆接触层，制作在n型层上的n型欧姆接触电极，制作于p型层上的p型欧姆接触电极。
本发明提出的三台面结构p-π-n型 III族氮化物半导体雪崩光电探测器的主要特点是：（1）利用π型有源层代替p-i-n结构中的i本征有源层，形成强电场区下置的p-π-n结构；（2）在p-π-n结构中的n型掺杂氮化物层、π型有源层和p型掺杂氮化物层中分别刻蚀了一定深度和宽度的垂直台阶，形成三台面结构。
本发明提出的三台面p-π-n器件结构制作工艺简单，在保证器件光接收面积的同时，还在器件的强电场区（π-n结）和弱电场区（p-π结）都实施了边缘电场抑制，即三台面p-π-n器件结构对器件边缘电场击穿实施了双重抑制保护。
具体的，所述的n型掺杂氮化物欧姆电极接触层厚度为0.3-5 μm，层中的电子浓度为5×1017cm-3-1×1019cm-3。
所述的π型氮化物有源层（即轻掺杂p型层）的厚度为0.1-1 μm，层中空穴浓度为5×1015 cm-3- 1×1017cm-3；利用π型氮化物有源层的导电类型与上方p型掺杂氮化物层的导电类型相同来改变电场分布。
所述的p型掺杂氮化物层的厚度为10-450 nm，层中空穴浓度为3×1017cm-3-5×1018cm-3。
所述的重掺杂p型氮化物欧姆接触层的厚度为5-12 nm，层中受主掺杂浓度为1×1019cm-3-2×1020cm-3。
在n型掺杂氮化物欧姆电极接触层刻蚀一层台面，自下而上地称为Mesa1，其深度（自重掺杂p型欧姆电极接触层表面至台面）为0.12-2.5 μm。
在π型氮化物有源层刻蚀一层台面，自下而上地称为Mesa2，其深度（自重掺杂p型欧姆电极接触层表面至台面）为100-1460nm。
在p型掺杂氮化物层刻蚀一层台面，自下而上地称为Mesa3，其深度为10-460nm。
本发明的另外一个目的是提供一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器的制备方法，包括以下步骤，
S1. 利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法或分子束外延（MBE）法在衬底上依次生长缓冲层、n型掺杂氮化物欧姆电极接触层、π型氮化物有源层、p型掺杂氮化物层、重掺杂p型氮化物欧姆接触层；
S2. 采用光刻技术制作掩膜层，利用干法或湿法刻蚀方法制作器件n型掺杂氮化物欧姆电极接触层的台面Mesa1；
S3. 采用光刻技术制作掩膜层，利用干法或湿法刻蚀方法制作π型氮化物有源层的台面Mesa2；
S4. 采用光刻技术制作掩膜层，利用干法或湿法刻蚀方法制作p型掺杂氮化物层的台面Mesa3；
S5. 台面刻蚀后，进行表面处理，修复刻蚀的晶格损伤；
S6. 台面刻蚀后，进行表面处理，器件热退火，进行p型掺杂氮化物层受主的活化，同时修复刻蚀引入的晶格损伤；
S7. 采用光刻图形刻出n型欧姆接触区域，利用电子束蒸发或溅射方法蒸镀n型金属，利用快速退火在氮气环境中合金形成n型欧姆接触；
S8. 采用光刻图形刻出p型欧姆接触区域，利用电子蒸发方法或溅射方法蒸镀p型金属，通过退火合金形成p型欧姆接触。
与现有技术相比，有益效果是：本发明的三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器有以下特点：（1）采用π有源层取代传统的p-i-n结构器件的i型高阻绝缘层，器件强电场区的位置下移。（2）采用三台面结构：除了传统用于制作n型欧姆接触电极的n型掺杂氮化物层台面外，特别增加了p-π结与π-n结边缘台面。三台面结构对p-π-n结构器件的强弱电场区的边缘电场实施了双抑制保护，有效防止结边缘电场的提前击穿。
本发明提出的三台面p-π-n器件结构能改变器件内部电场的空间分布，有效解决因器件的结边缘电场过高所导致的器件反向提前击穿问题。利用三台面结构可将器件内部电场限制在器件的中央区域，有效降低器件边缘电场的强度。本发明采用p-π-n外延层结构取代传统的p-i-n结构，将器件强电场区的位置下移，使之远离器件顶层的p型金属从而降低强电场区台阶边缘处的电场。此外，本发明提出在p-π-n器件结构基础上制作三台面结构，对器件的强电场区（π-n结）及弱电场区（p-π结）边缘均实行台阶保护，实现对器件结边缘电场的双抑制作用，有效降低了器件边缘的电场和漏电流，从而实现具有低暗电流、高增益、高探测响应度的氮化物紫外雪崩光电探测器的制备。
附图说明
图1为传统双台面结构的p-i-n型雪崩光电探测器的结构图；
图2为双台面结构的p-π-n型雪崩光电探测器的结构图；
图3为本发明一种三台面结构的p-π-n型雪崩光电探测器的结构图；
图4为本发明制备流程示意图一；
图5为本发明制备流程示意图二；
图6为本发明制备流程示意图三；
图7为本发明制备流程示意图四
图8为本发明制备流程示意图五
图9为本发明制备流程示意图六。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明提出的利用π有源层代替p-i-n结构中的n型高阻层（即i型层）形成p-π-n结构（如图2）的方法，可有效地将器件中的强电场区位置下移（p-π-n结构中的强电场区位于器件下方的π-n结耗尽区，而上方的p-π结耗尽区为弱电场区），使得强电场区的位置远离了上方p型欧姆接触电极，因此在p-π-n结构中为抑制强电场区边缘电场所刻蚀的台阶宽度（图2，Mesa2）可以小于p-i-n结构中台阶宽度（图1，Mesa2），可以保证器件的p型氮化物掺杂层光吸收面积。同时，在p-π-n结构器件的强电场区（π-n结）与弱电场区（p-π结）处均制作垂直台阶结构（图3），台阶对器件内部的水平方向电场分布进行了调整，将器件内部电场集中限制在p型氮化物掺杂层的正下方（即器件正中部区域），而中部区域延伸至外围台阶区域的电场强度则迅速衰减。本发明提出的三台面p-π-n结构强电场区位于弱电场区下方，因此弱电场区的台阶（图3，Mesa3）与强电场区的台阶（图3，Mesa2）的宽度共同限制了强电场区的边缘电场强度，因此无需额外牺牲上层p型氮化物掺杂层的光接收面积。同时三台阶结构对器件强弱电场区边缘实施了双重防击穿保护，抑制了边缘漏电通道，能有效抑制了器件在结边缘的提前击穿，提高器件表面耐高压性能。
本实施例如图3，图中给出了一种三台面p-π-n结构雪崩光电探测器，包括：蓝宝石衬底1及依次生长在衬底至上的的低温、高温GaN缓冲层2，n型GaN层3，轻掺杂p型GaN层4，p型掺杂GaN层5，重掺杂p型氮化物欧姆电极接触层6，以及制作于n型GaN上的n型欧姆接触电极7，p型GaN的p型欧姆接触电极8。
器件结构上，自衬底和缓冲层而上，优选地，所述的n型掺杂氮化物欧姆电极接触层3厚度为0.3-5 μm，所述的n型掺杂浓度为5×1017cm-3-1×1019cm-3；优选地，所述的π有源层为轻掺杂p型层，厚度为0.1-1μm，所述的π型有源层中空穴浓度为1×1016cm-3-1×1017cm-3；优选地，所述的p型掺杂氮化物层，厚度为10-450 nm，层中空穴浓度为3×1017cm-3-5×1018cm-3；优选地，所述的重掺杂p型氮化物欧姆接触层，厚度为5-12 nm，层中掺杂浓度为1×1019cm-3- 1×1020cm-3；优选地，在p型掺杂氮化物层上的台面深度（自重掺杂p型欧姆电极接触层表面至台面）在10-460 nm；优选地，在π型有源层上的台面深度（自重掺杂p型欧姆电极接触层表面至台面）在100 nm-1460 nm。优选地，在n型掺杂层上的台面深度（自重掺杂p型欧姆电极接触层表面至台面）在0.12-2.5 μm。
图4至图9为本发明一种三台面结构的p-π-n结构GaN基雪崩光电探测器制备方法的制备流程示意图，具体制备流程如下：
（1）材料生长利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法或分子束外延（MBE）法在蓝宝石、SiC、GaN、AlN或者硅衬底1上依次生长缓冲层2，n型GaN层3，轻掺杂p型GaN层（π型GaN层）4，p型掺杂GaN层5，重掺杂p型GaN欧姆电极接触层6。
（2）采用光刻技术制作掩模层，利用干法或者湿法刻蚀方法依次制作n型掺杂GaN层上的器件台面（即Mesa1）。
（3）采用光刻技术制作掩膜层，利用干法或湿法刻蚀方法制作π型掺杂层上的台面（即Mesa2）。
（4）采用光刻技术制作掩膜层，利用干法或湿法刻蚀方法制作p型掺杂GaN层上的台面（即Mesa3）。
（5）台面刻蚀后，进行表面处理，修复刻蚀的晶格损伤。
（6）台面刻蚀后，进行表面处理，器件热退火，进行p型掺杂GaN层受主的活化，同时修复刻蚀引入的晶格损伤。
（7）采用光刻图形刻出n型欧姆接触区域，利用电子束蒸发方法蒸镀n型金属Ti/Al/Ni/Au，在氮气环境中合金形成n型欧姆接触7。
（8）采用光刻图形刻出p型欧姆接触区域，利用电子束蒸发方法蒸镀p型金属Ni/Au，在空气环境中合金形成p型欧姆接触8。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，包括衬底（1），利用外延生长法依次生长在衬底（1）上的缓冲层（2），n型掺杂氮化物欧姆电极接触层（3），π型氮化物有源层（4），p型掺杂氮化物层（5），重掺杂p型氮化物欧姆接触层（6），制作在n型层上的n型欧姆接触电极（7），制作于p型层上的p型欧姆接触电极（8）。
2.根据权利要求1所述的一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于：所述的n型掺杂氮化物欧姆电极接触层（3）厚度为0.3-5 μm，层中的电子浓度为5×1017cm-3-1×1019cm-3。
3.根据权利要求1所述的一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于：所述的π型氮化物有源层（4）的厚度为0.1-1 μm，层中空穴浓度为5×1015 cm-3- 1×1017cm-3；利用π型氮化物有源层（4）的导电类型与上方p型掺杂氮化物层（5）的导电类型相同来改变电场分布。
4.根据权利要求1所述的一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于：所述的p型掺杂氮化物层（5）的厚度为10-450 nm，层中空穴浓度为3×1017cm-3-5×1018cm-3。
5.根据权利要求1所述的一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于：所述的重掺杂p型氮化物欧姆接触层（6）的厚度为5-12 nm，层中受主掺杂浓度为1×1019cm-3-2×1020cm-3。
6.根据权利要求1所述的一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于：在n型掺杂氮化物欧姆电极接触层（3）刻蚀一层台面，自下而上地称为Mesa1，其深度为0.12-2.5 μm。
7.根据权利要求1所述的一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于：在π型氮化物有源层（4）刻蚀一层台面，自下而上地称为Mesa2，其深度为100-1460nm。
8.根据权利要求1所述的一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于：在p型掺杂氮化物层（5）刻蚀一层台面，自下而上地称为Mesa3，其深度为10-460nm。
9.一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1. 衬底（1）上依次生长缓冲层（2）、n型掺杂氮化物欧姆电极接触层（3）、π型氮化物有源层（4）、p型掺杂氮化物层（5）、重掺杂p型氮化物欧姆接触层（6）；
S2. 采用光刻技术制作掩膜层，利用干法或湿法刻蚀方法制作器件n型掺杂氮化物欧姆电极接触层（3）的台面Mesa1；
S3. 采用光刻技术制作掩膜层，利用干法或湿法刻蚀方法制作π型氮化物有源层（4）的台面Mesa2；
S4. 采用光刻技术制作掩膜层，利用干法或湿法刻蚀方法制作p型掺杂氮化物层（5）的台面Mesa3；
S5. 台面刻蚀后，进行表面处理，修复刻蚀的晶格损伤；
S6. 台面刻蚀后，进行表面处理，器件热退火，进行p型掺杂氮化物层（5）受主的活化，同时修复刻蚀引入的晶格损伤；
S7. 采用光刻图形刻出n型欧姆接触区域，利用电子束蒸发或溅射方法蒸镀n型金属，在氮气环境中合金形成n型欧姆接触；
S8. 采用光刻图形刻出p型欧姆接触区域，利用电子蒸发方法或溅射方法蒸镀p型金属，通过退火合金形成p型欧姆接触。
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