CN106409987B - 基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管及其制作方法。该方法包括：选取β‑Ga2O3衬底；在β‑Ga2O3衬底表面生长β‑Ga2O3材料形成同质外延层；在同质外延层表面生长上生长Ir2O3材料形成异质外延层；刻蚀异质外延层和同质外延层形成梯形结构；在异质外延层表面形成顶电极；在β‑Ga2O3衬底下表面形成底电极，最终形成APD探测器二极管。本发明采用β‑Ga2O3材料，发挥该材料在深紫外光区域和可见光区域的极高光透率和透明度，并确保了APD探测器的耐压极高、击穿电场较高，适合高频、高辐射、高温高压等极端环境，在极端环境下不仅器件可靠性大幅提高，探测性能也将优于目前的APD探测器。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管及其制作方法。
背景技术
随着近年来天文、高能物理、空间技术等领域的研究与探索工作的不断深入，及其在宇宙探测、人造卫星等方面应用前景的迅速拓展，对于光线尤其紫外光的探测器的要求越来越高，如光电对抗中紫外对抗与反对抗技术就愈发受到军方的关注。通常波长在10～400nm的电磁波成为紫外线，既不同于可见光辐射，又不同于红外辐射；其中来自太阳辐射的紫外线中被大气层几乎完全吸收的谱区被称为日盲区，是紫外探测中较难探测到的区域。
雪崩光电二极管(AvalanchePhoto Diode,简称APD)探测器是一种PN结型的光电检测二极管，利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光信号以提高检测灵敏度，一般可测量紫外到红外光区域，在军事高技术与民品市场的开发中具有很大的使用价值，如在日盲区对尾烟或羽烟中能释放大量紫外辐射的飞行目标进行实时探测或有效跟踪。
然后，对于目前的APD探测器由于不具备极高的耐压性和抗击穿性，因此并不适合高频、高辐射、高温高压等极端环境下的应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于 Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管及其制作方法。
本发明的一个实施例提供了一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管的制作方法，包括：
步骤1、选取β-Ga2O3衬底；
步骤2、在所述β-Ga2O3衬底表面生长β-Ga2O3材料形成同质外延层；
步骤3、在所述同质外延层表面生长上生长Ir2O3材料形成异质外延层；
步骤4、刻蚀所述异质外延层和所述同质外延层形成梯形结构；
步骤5、在所述异质外延层表面形成顶电极；
步骤6、在所述β-Ga2O3衬底下表面形成底电极，最终形成所述APD 探测器二极管。
在本发明的一个实施例中，在所述β-Ga2O3衬底表面生长β-Ga2O3材料形成同质外延层，包括：
利用分子束外延工艺，在所述β-Ga2O3衬底表面生长掺杂浓度为1× 1015～1×1016cm-3的N型所述β-Ga2O3材料以形成所述同质外延层；其中，所述同质外延层的厚度根据雪崩增益系数调节。
在本发明的一个实施例中，在所述同质外延层表面生长上分别生长 Ir2O3材料形成异质外延层，包括：
利用CVD工艺，在所述同质外延层表面生长掺杂浓度为1×1019～1× 1020cm-3的P型所述Ir2O3材料以形成所述异质外延层。
在本发明的一个实施例中，刻蚀所述异质外延层和所述同质外延层形成梯形结构，包括：
采用第一光刻掩膜版，利用倾斜刻蚀工艺刻蚀所述异质外延层以在所述异质外延层内形成第一梯形结构；
采用第二光刻掩膜板，利用选择性倾斜刻蚀工艺刻蚀所述同质外延层以在所述同质外延层内形成第二梯形结构，以形成所述梯形结构。
在本发明的一个实施例中，在所述异质外延层表面形成顶电极，包括：
采用第三光刻掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述异质外延层表面溅射第一复合金属材料形成所述顶电极。
在本发明的一个实施例中，在所述异质外延层表面形成顶电极，包括：
采用第三光刻掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述异质外延层表面溅射第一复合金属材料形成所述顶电极。
在本发明的一个实施例中，利用磁控溅射工艺在所述异质外延层表面溅射第一复合金属材料，包括：
将Ti材料作为溅射靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔内，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，工作频率为100W的条件下，在所述异质外延层表面溅射形成Ti层；
将Au材料作为溅射靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔内，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，工作频率为100W的条件下，在所述Ti层表面溅射形成Au层，以形成所述第一复合金属材料。
在本发明的一个实施例中，在所述β-Ga2O3衬底下表面形成底电极，包括：
利用磁控溅射工艺在所述β-Ga2O3衬底下表面溅射第二复合金属材料形成所述底电极。
在本发明的一个实施例中，利用磁控溅射工艺在所述β-Ga2O3衬底下表面溅射第二复合金属材料，包括：
将Ti材料作为溅射靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔内，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，工作频率为100W的条件下，在所述β-Ga2O3衬底下表面溅射形成Ti层；
将Au材料作为溅射靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔内，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，工作频率为100W的条件下，在所述Ti层表面溅射形成Au层，以形成所述第二复合金属材料。
在本发明的一个实施例中，在所述β-Ga2O3衬底表面生长β-Ga2O3材料形成同质外延层之前，包括：
将所述β-Ga2O3衬底分别在甲醇、丙酮和甲醇浸泡，之后采用去离子水和流动去离子水冲洗以完成有机清洗；
将所述β-Ga2O3衬底在去离子水浸泡后在SPM溶液或者Piranha溶液中浸泡，之后在去离子水中浸泡并加热，冷却处理后以完成酸清洗。
本发明的另一个实施例提供了一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管，其中，所述APD探测二极管由上述实施例中任一所述的方法制备形成。
本发明实施例的基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管，相对于现有技术至少具有如下优点：
1、本发明的紫外APD探测器首次采用了光学性能卓越的Ga2O3材料，充分发挥该材料在深紫外光区域和可见光区域的极高光透率和透明度，该材料在深紫外光区域光透率可达80％以上，此外该材料的电学特性确保了本发明的新型紫外APD探测器的耐压极高、击穿电场较高，其远超SiC、 GaN等材料的高禁带宽度使得本发明的新型紫外APD探测器比起目前的 APD探测器更加适合高频、高辐射、高温高压等极端环境，在极端环境下不仅器件可靠性大幅提高，探测性能也将优于目前的APD探测器。
2、本发明的新型紫外APD探测器的器件结构是在传统APD探测器，即雪崩光电二极管的基础上加以改进，可有效提高体雪崩击穿电压从而提高雪崩增益系数M，同时通过调节结构中N/P型导电的Ga2O3层厚度可以调节M，选择合适的M使得该发明的信噪比良好，具有较低的超额噪声，使器件达到最优光电探测灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管的截面示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管的俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管的制作方法流程示意图；
图4a-图4g为本发明实施例提供的一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD 探测二极管的制作方法示意图；
图5为本发明实施例提供的一种第一光刻掩膜版的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种第二光刻掩膜版的示意图；以及
图7为本发明实施例提供的一种第三光刻掩膜版的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
宽禁带半导体材料Ga2O3，因材料在日盲区的光透率可达80％甚至90％以上而极适合于深紫外光日盲区的光电探测，其光电灵敏度高，兼具蓝宝石的透明性与SiC的导电性，是光电器件尤其深紫外光探测器研究的理想半导体材料。
请参见图1及图2，图1为本发明实施例提供的一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管的截面示意图；图2为本发明实施例提供的一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管的俯视示意图。该APD探测二极管包括β-Ga2O3衬底1、N型同质外延层2、P层异质外延层3、顶电极4、底电极5组成。所述β-Ga2O3衬底为无掺杂或掺杂Sn、Si、Al的β-Ga2O3(-201)、β-Ga2O3(010)或β-Ga2O3(001)材料；所述N型同质外延层2 为掺杂Sn、Si、Al的β-Ga2O3层，掺杂浓度在1015cm-3量级；所述P型异质外延层3为Ir2O3层，掺杂浓度在1019-1020cm-3量级；所述顶电极和底电极为Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等金属材料、包含这些金属中2种以上合金或ITO等导电性化合物形成。另外，可以具有由不同的2种以上金属构成的2层结构，例如Al/Ti或者Ti/Au。
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管的制作方法流程示意图。该方法包括如下步骤：
步骤1、选取β-Ga2O3衬底；
步骤2、在所述β-Ga2O3衬底表面生长β-Ga2O3材料形成同质外延层；
步骤3、在所述同质外延层表面生长上分别生长Ir2O3材料形成异质外延层；
步骤4、刻蚀所述异质外延层和所述同质外延层形成梯形结构；
步骤5、在所述异质外延层表面形成顶电极；
步骤6、在所述β-Ga2O3衬底下表面形成底电极，最终形成所述APD 探测器二极管。
对于步骤2，可以包括：
利用分子束外延工艺，在所述β-Ga2O3衬底表面生长掺杂浓度为1× 1015～1×1016cm-3的N型所述β-Ga2O3材料以形成所述同质外延层；其中，所述同质外延层的厚度根据雪崩增益系数调节。
对于步骤3，可以包括：
利用CVD工艺，在所述同质外延层表面生长掺杂浓度为1×1019～1× 1020cm-3的P型所述Ir2O3材料以形成所述异质外延层。
对于步骤4，可以包括：
步骤41、采用第一光刻掩膜版，利用倾斜刻蚀工艺刻蚀所述异质外延层以在所述异质外延层内形成第一梯形结构；
步骤42、采用第二光刻掩膜板，利用选择性倾斜刻蚀工艺刻蚀所述同质外延层以在所述同质外延层内形成第二梯形结构，以形成所述梯形结构。。
对于步骤5，可以包括：
采用第三光刻掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述异质外延层表面溅射第一复合金属材料形成所述顶电极。
其中，利用磁控溅射工艺在所述异质外延层表面溅射第一复合金属材料，包括：
将Ti材料作为溅射靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔内，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，工作频率为100W的条件下，在所述异质外延层表面溅射形成Ti层；
将Au材料作为溅射靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔内，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，工作频率为100W的条件下，在所述Ti层表面溅射形成Au层，以形成所述第一复合金属材料。
对于步骤6，可以包括：
利用磁控溅射工艺在所述β-Ga2O3衬底下表面溅射第二复合金属材料形成所述底电极。
其中，利用磁控溅射工艺在所述β-Ga2O3衬底下表面溅射第二复合金属材料，包括：
将Ti材料作为溅射靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔内，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，工作频率为100W的条件下，在所述β-Ga2O3衬底下表面溅射形成Ti层；
将Au材料作为溅射靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔内，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，工作频率为100W的条件下，在所述Ti层表面溅射形成Au层，以形成所述第二复合金属材料。
另外，在步骤2之前，还包括：
步骤x1、将所述β-Ga2O3衬底分别在甲醇、丙酮和甲醇浸泡，之后采用去离子水和流动去离子水冲洗完成有机清洗；
步骤x2、将所述β-Ga2O3衬底在去离子水浸泡后在SPM溶液或者 Piranha溶液中浸泡，之后在去离子水中浸泡并加热，冷却处理完成酸清洗。
本发明实施例，本发明首次提出了基于Ga2O3材料的新型紫外APD探测器的制备方法。本发明采用了Ga2O3材料，充分发挥该材料在深紫外光区域和可见光区域的极高光透率和透明度，该材料其远超SiC、GaN等材料的高禁带宽度等特性确保了APD探测器的耐压极高、击穿电场较高，使得本发明的新型紫外APD探测器比起之前的APD探测器更加适合高频、高辐射、高压等极端环境，该材料极优的热稳定性和化学稳定性在高温极端环境下器件可靠性相对以往APD探测器有所提高，其探测性能也将优于之前的APD探测器。
另外，通过调节结构中N/P型导电的Ga2O3层厚度可以调节雪崩增益系数M，选择合适的M使得该发明的信噪比良好，具有较低的超额噪声，使器件达到最优光电探测灵敏度。
实施例二
请参见图4a-图4g及图5、图6和图7。图4a-图4g为本发明实施例提供的一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管的制作方法示意图；图5为本发明实施例提供的一种第一光刻掩膜版的示意图；图6为本发明实施例提供的一种第二光刻掩膜版的示意图；以及图7为本发明实施例提供的一种第三光刻掩膜版的示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管的制作方法进行详细说明如下：
步骤1：请参见图4a，准备衬底β-Ga2O3，厚度为200μm-600μm，对衬底进行预处理清洗。
其中，衬底选用β-Ga2O3理由：属于新一代超宽禁带半导体材料，其禁带宽度为4.7～4.9eV、理论击穿场强为8MV/cm，优于SiC和GaN传统宽禁带材料，此外其单晶衬底材料可以通过溶液法获得，制备成本较低。材料本身为透明状，具有较高的光透射率，因此采用β-Ga2O3制备的APD探测器对深紫外(波长范围200nm～280nm)探测更为敏感且工作偏置电压要求不高。。
对衬底先进行有机清洗，第一步甲醇浸泡3min，第二步丙酮浸泡3min，第三步甲醇浸泡3min，第四步去离子水冲洗3min，第五步流动去离子水清洗5min；
对衬底进行酸清洗，第一步去离子水浸泡并加热到90℃，第二步用去离子水：30％过氧化氢：96％浓硫酸＝1:1:4比例配制SPM溶液，SPM溶液浸泡5min，第二步或者用30％过氧化氢：98％浓硫酸＝1:3比例配制Piranha 溶液，Piranha溶液浸泡1min，第三步去离子水浸泡并加热到90℃，之后冷却到室温。
衬底可选用200μm-600μm硅衬底热氧化1μm的SiO2替代，但替代后不需以上清洗步骤，改用RCA标准清洗，替代后绝缘效果变差，且制作过程更为复杂。
步骤2：请参见图4b，在步骤1所准备的β-Ga2O3衬底上通过分子束外延生长N型掺杂的β-Ga2O3材料形成同质外延层，掺杂元素可为Sn、Si、 Al，掺杂浓度1015cm-3量级，在厚度在5-10um。
步骤3：请参见图4c，在步骤2所准备的N型同质外延层上通过CVD 工艺生长P型掺杂区Ir2O3，掺杂浓度1019～1020cm-3量级，厚度在5-10um。
步骤4：请参见图4d及图5，在步骤3形成的整个衬底表面使用第一光刻掩膜版并通过倾斜刻蚀工艺在P型异质外延层3中形成梯形结构；
步骤5：请参见图4e及图6，在步骤4形成的整个衬底表面使用第二光刻掩膜版通过选择性倾斜刻蚀工艺在N型同质外延层2中形成梯形结构；
具体地，倾斜刻蚀工艺即倾斜台面刻蚀工艺，具体工艺如下：首先采用BCl3基刻蚀气体进行ICP干法刻蚀5秒，随后在5％的HF溶液中浸泡 10s；交替上述工艺进行循环，直至被刻蚀的材料被完全刻蚀。
步骤6：请参见图4f及图7，在步骤5所准备的P型异质外延层3上使用第三光刻掩膜版，通过磁控溅射生长顶电极Ti/Au；
具体地：溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Ti，以质量百分比纯度为 99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa、氩气流量为20～30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为100W的条件下，制备顶电极Ti，电极厚度为20nm-30nm。
溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Au，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa、氩气流量为 20～30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W～100W的条件下，制备顶电极金，电极厚度为200nm～300nm，之后在氮气或氩气环境下500℃退火3min形成欧姆接触。
顶电极的金属可选Au、Al、Ti等不同元素及其组成的2层结构，也可选用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金属替代。其中Au\Ag\Pt化学性质稳定；Al\Ti\Ni成本低。
步骤7：请参见图4g，在衬底下表面通过磁控溅射生长底电极Ti/Au；
具体地，溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Ti，以质量百分比纯度为 99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4-1.3×10-3Pa、氩气流量为20-30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为100W的条件下，制备栅电极Ti，电极厚度为20nm-30nm。
溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Au，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa、氩气流量为 20～30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W～100W的条件下，制备栅电极金，电极厚度为200nm～300nm，之后在氮气或氩气环境下500℃退火3min形成欧姆接触。
底电极的金属可选Au、Al、Ti等不同元素及其组成的2层结构，也可选用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金属替代。其中Au\Ag\Pt化学性质稳定；Al\Ti\Ni成本低。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管的制作方法，其特征在于，包括：
步骤1、选取β-Ga2O3衬底；
步骤2、在所述β-Ga2O3衬底表面生长β-Ga2O3材料形成同质外延层；
步骤3、利用CVD工艺，在所述同质外延层表面生长掺杂浓度为1×1019～1×1020cm-3的P型Ir2O3材料以形成异质外延层；
步骤4、刻蚀所述异质外延层和所述同质外延层形成梯形结构；
步骤5、在所述异质外延层表面形成顶电极；
步骤6、在所述β-Ga2O3衬底下表面形成底电极，最终形成所述APD探测器二极管。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述β-Ga2O3衬底表面生长β-Ga2O3材料形成同质外延层，包括：
利用分子束外延工艺，在所述β-Ga2O3衬底表面生长掺杂浓度为1×1015～1×1016cm-3的N型所述β-Ga2O3材料以形成所述同质外延层；其中，所述同质外延层的厚度根据雪崩增益系数调节。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，刻蚀所述异质外延层和所述同质外延层形成梯形结构，包括：
采用第一光刻掩膜版，利用倾斜刻蚀工艺刻蚀所述异质外延层以在所述异质外延层内形成第一梯形结构；
采用第二光刻掩膜板，利用选择性倾斜刻蚀工艺刻蚀所述同质外延层以在所述同质外延层内形成第二梯形结构，以形成所述梯形结构。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述异质外延层表面形成顶电极，包括：
采用第三光刻掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述异质外延层表面溅射第一复合金属材料形成所述顶电极。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用磁控溅射工艺在所述异质外延层表面溅射第一复合金属材料，包括：
将Ti材料作为溅射靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔内，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，工作频率为100W的条件下，在所述异质外延层表面溅射形成Ti层；
将Au材料作为溅射靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔内，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，工作频率为100W的条件下，在所述Ti层表面溅射形成Au层，以形成所述第一复合金属材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述β-Ga2O3衬底下表面形成底电极，包括：
利用磁控溅射工艺在所述β-Ga2O3衬底下表面溅射第二复合金属材料形成所述底电极。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用磁控溅射工艺在所述β-Ga2O3衬底下表面溅射第二复合金属材料，包括：
将Ti材料作为溅射靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔内，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，工作频率为100W的条件下，在所述β-Ga2O3衬底下表面溅射形成Ti层；
将Au材料作为溅射靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔内，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，工作频率为100W的条件下，在所述Ti层表面溅射形成Au层，以形成所述第二复合金属材料。
8.一种基于Ir2O3/Ga2O3的深紫外APD探测二极管，其特征在于，所述APD探测二极管由权利要求1-7任一项所述的方法制备形成。
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