CN107369736A - 一种利用质子辐照制备超快响应GaN光电导开关的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用质子辐照制备超快响应GaN光电导开关的方法，本发明利用质子束作为辐照源，采用两种不同能量和注量的质子束，先后辐照GaN光电导开关器件，以此获得超快响应特性。制作的GaN光电导开关包括蓝宝石衬底和GaN层，所述GaN层包括AlN成核层、GaN高温缓冲层、i‑GaN层和n‑GaN层，在n‑GaN层上引出Ni/Cr/Au金属电极。本发明采用的质子辐照条件为：质子注量为：1×1011～9×1018/cm2；质子能量为：0.5～10MeV。利用该方法可以明显改善和提高光电导器件的响应特性，制备超快响应照GaN光电导开关器件，可应用于超快光电子学和大功率电磁脉冲产生等领域，具有重大的科学价值和广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于超快光电探测领域，涉及一种光电导型GaN半导体光电导开关(PCSS)。
背景技术
GaN、SiC和金刚石等宽禁带半导体材料具有优异的耐高压特性，尤其是GaN光电导开关很适合应用于高电压、大功率光电转换系统。更为重要的是，作为直接带隙的GaN除了拥有和GaAs相当的亚皮秒响应速度外，还具有高电子饱和速率(2.5×107cm/s)、高热导率(1.3W/cm K)的特点，并且具有更高的击穿场强(3.5x106V/cm)和良好的线性工作模式，使其在制备高可靠性、快速响应、大功率固态光电开关方面，具有非常重要的研究价值和应用前景。
光电导开关的关键性能要求是：耐高压和超快光电响应。一方面，在尽可能高的偏压下，实现器件的暗态高电阻和开态低电阻，提高开关比；另一方面，提高时间响应速度，尤其是减少下降时间、缩短半高宽。要实现这两个目的，最直接有效的方法就是在GaN中引入深能级缺陷，成为有效载流子陷阱，光生载流子复合寿命变短，实现对载流子的快速俘获和释放。关态时，大量的背景载流子被陷阱俘获，实现高电阻率；而开态时，电阻率的降低主要由光照时，从深能级陷阱释放出的光生载流子数目决定。这些深能级缺陷由于浓度分布、能级位置以及电离能的不同，对暗态俘获、开态释放载流子的影响非常关键。
目前对GaN PCSS的研究，主要采用两种方法：一是，低温、低压法，在生长GaN时会产生少量深能级缺陷。但这种方法引入的缺陷数目非常有限，浓度分布的可控性较差，电阻率很难有较大提高。二是，利用Fe原子掺杂法，获得高电阻率的半绝缘GaN。
然而，Fe杂质掺杂也会存在以下问题：1)Fe原子在GaN中的固溶度仅为0.4％，Fe掺杂浓度增大时，很容易生成Fe单晶团簇，也易于和N结合生成Fe-N纳米团簇(如Fe3N)，薄膜质量下降，表面粗糙，晶体取向变差。载流子散射截面增大，导致迁移率下降严重，器件开态电流低；2)进入晶格的Fe原子，会替代Ga原子位置或填充原有的Ga空位，作为Fe3+深受主缺陷，先俘获电子后成为Fe2+态，再俘获空穴。而Fe掺入越多，又会引入更多的起受主作用的刃位错，与Fe3+之间会产生自补偿效应；并且随Fe掺入越多作用越明显，导致GaN电阻率增大程度受限。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种利用质子辐照制备超快响应GaN光电导开关的方法，该方法利用质子束作为辐照源，可以明显改善和提高光电导器件的响应特性，其作用在于：一方面，可以在GaN禁带中引入深能级缺陷，使费米能级向禁带中心漂移，多数载流子减少，降低材料的电导率，产生载流子去除效应，且减少量随辐射注量的增加而增加；另一方面，辐射缺陷还会对少数载流子寿命产生很大的影响，作为复合中心，降低少数载流子寿命。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明的一种超快响应GaN光电导开关，包括蓝宝石衬底和GaN层，所述GaN层包括AlN成核层、GaN高温缓冲层、i-GaN层和n-GaN层，在n-GaN层上引出Ni/Cr/Au金属电极。
进一步，所述蓝宝石衬底厚度为200～500μm；
所述AlN成核层厚度为80～180nm；
所述GaN高温缓冲层厚度为1.0～1.5μm；
所述i-GaN层厚度为50～150nm、电子浓度为1×1016～2×1017/cm3；
所述n-GaN层厚度为50～150nm、电子浓度为1×1019～6×1021/cm3。
进一步，所述n-GaN层欧姆接触电极采用Ni/Cr/Au合金材料；n-GaN层欧姆接触电极采用平行电极，电极宽度为0.5～5mm，电极间距为0.5mm～5mm。
进一步，所述n-GaN层欧姆接触电极，其宽度为500～1000nm，间距为1000～3000nm。
相应地，本发明给出了一种利用质子辐照制备超快响应GaN光电导开关的方法，所采用的质子辐照条件为：质子注量为：1×1011～9×1018/cm2；质子能量为：0.5～10MeV；所采用的辐照对象为光电导型GaN光电导开关，包括如下步骤：
1)在蓝宝石衬底上，采用MOCVD法生长80～180nm厚的AlN成核层；
2)在AlN成核层上依次生长1.0～1.5μm厚的GaN高温缓冲层、50～150nm i-InGaN层和50～150nm厚的n-GaN层；
3)将样品置于大气中600℃退火5～10min；
4)采用电子束蒸发法在n-GaN层制备出Ni/Cr/Au金属电极，并在大气中550℃退火10min，即完成GaN光电导开关制作。
进一步，其中所述的生长AlN成核层的工艺条件是：生长温度为800～1100℃；TMGa流量为50～300sccm；SiH4流量为20～200sccm；氨气流量为2000～5000sccm；反应室气压为150～250torr。
进一步，其中所述的生长GaN高温缓冲层的工艺条件是：生长温度为800～1100℃；TMGa流量为50～300sccm；氨气流量为2000～5000sccm；反应室气压为150～250torr。
进一步，其中生长i-GaN层的工艺条件是：生长温度为700～950℃；TMGa流量为50～300sccm；氨气流量为2000～5000sccm；反应室气压为150～250torr。
进一步，其中生长n-GaN层的工艺条件是：生长温度为800～1100℃；TMGa流量为50～300sccm；SiH4流量为20～200sccm；氨气流量为2000～5000sccm；反应室气压为150～250torr。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出利用质子辐照，在GaN中引入单纯与Ga和N原生原子相关的缺陷，达到对非掺杂GaN材料改性的目的，获得耐高压、快速响应开关器件。在质子辐照能在半导体禁带中引入深能级缺陷，可以明显改变光电导开关的响应特性。辐照对材料学性质产生较大影响：使费米能级向禁带中心漂移，多数载流子减少，降低材料的电导率，产生载流子去除效应，且减少量随辐射注量的增加而增加；由于散射，辐照缺陷还引起迁移率变化，随着注量增加而降低；辐射缺陷还对少数载流子寿命产生很大的影响，作为复合中心，降低少数载流子寿命。
该器件可借助天线辐射出超宽带太赫兹(THz)电磁波，在超快光电子学和大功率电磁脉冲产生等领域，如物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文，尤其是卫星通讯和军用雷达、国防安检等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明GaN光电导开关的结构示意图；
图2(a)-图2(g)是本发明制作超快响应GaN光电导开关的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，一种超快响应GaN光电导开关，包括蓝宝石衬底和GaN层，所述GaN层包括AlN成核层11、GaN高温缓冲层12、i-GaN层13和n-GaN层14，在n-GaN层14上引出Ni/Cr/Au金属电极15。AlN成核层11厚度为80～180nm；GaN高温缓冲层12厚度为1.0～1.5μm；i-GaN层13厚度为50～150nm、电子浓度为1×1016～2×1017/cm3；n-GaN层14厚度为50～150nm、电子浓度为1×1019～6×1021/cm3，电极宽度为0.5～5mm，电极间距为0.5～5mm。Ni/Cr/Au欧姆接触电极15，其宽度为500～1000nm，间距为1000～3000nm。
一种利用质子辐照制备超快响应GaN光电导开关的方法，所采用的质子辐照条件为：质子注量为：1×1011～9×1018/cm2；质子能量为：0.5～10MeV；所采用的辐照对象为光电导型GaN光电导开关，包括如下步骤：
1)在蓝宝石衬底上，采用MOCVD法生长80～180nm厚的AlN成核层11；
2)在AlN成核层11上依次生长1.0～1.5μm厚的GaN高温缓冲层12、50～150nm i-InGaN层13和50～150nm厚的n-GaN层14；
3)将样品置于大气中600℃退火5～10min；
4)采用电子束蒸发法在n-GaN层14制备出Ni/Cr/Au金属电极15，并在大气中550℃退火10min，即完成GaN光电导开关制作。
其中生长AlN成核层11的工艺条件是：生长温度为800～1100℃；TMGa流量为50～300sccm；SiH4流量为20～200sccm；氨气流量为2000～5000sccm；反应室气压为150～250torr。
其中生长GaN高温缓冲层12的工艺条件是：生长温度为800～1100℃；TMGa流量为50～300sccm；氨气流量为2000～5000sccm；反应室气压为150～250torr。
其中生长i-GaN层13的工艺条件是：生长温度为700～950℃；TMGa流量为50～300sccm；氨气流量为2000～5000sccm；反应室气压为150～250torr。
其中生长n-GaN层14的工艺条件是：生长温度为800～1100℃；TMGa流量为50～300sccm；SiH4流量为20～200sccm；氨气流量为2000～5000sccm；反应室气压为150～250torr。
本发明给出制作超快响应GaN光电导开关的以下三种实施例：
实施例1：
本发明的GaN光电导开关自下而上依次包括：蓝宝石衬底，AlN成核层11，GaN高温缓冲层12，i-GaN层13，n-GaN层14。其中AlN成核层11厚度为100nm；GaN高温缓冲层12厚度为1.0μm；i-GaN层13厚度为100nm，电子浓度为8×1016/cm3；n-GaN层14厚度为100nm，电子浓度为1×1020/cm3。n-GaN层14表面为Ni/Cr/Au平行欧姆接触金属电极15，电极宽度为5mm，电极间距为0.5mm。
实施例2：
本发明的GaN光电导开关自下而上依次包括：蓝宝石衬底，AlN成核层11，GaN高温缓冲层12；i-GaN层13，n-GaN层14。其中AlN成核层11厚度为80nm；GaN高温缓冲层12厚度为1.5μm；i-GaN层13厚度为400nm，电子浓度为1×1016/cm3；n-GaN层14厚度为150nm，电子浓度为6×1021/cm3。n-GaN层14表面为Ni/Cr/Au平行欧姆接触金属电极15，电极宽度为3mm，电极间距为3mm。
实施例3：
本发明的GaN光电导开关自下而上依次包括：蓝宝石衬底，AlN成核层11，GaN高温缓冲层12，i-GaN层13，n-GaN层14。其中AlN成核层11厚度为180nm；GaN高温缓冲层12厚度为1.2μm；i-GaN层13厚度为200nm，电子浓度为2×1017/cm3；n-GaN层14厚度为50nm，电子浓度为6×1021/cm3。n-GaN层14表面为Ni/Cr/Au平行欧姆接触金属电极15，电极宽度为0.5mm，电极间距为5mm。
实施例A：
A1)用丙酮和乙醇溶液对p-Si衬底进行超声清洗；
A2)在蓝宝石衬底上，采用MOCVD法生长AlN成核层，其工艺条件是：生长温度为950℃；TMGa流量为100sccm；SiH4流量为50sccm；氨气流量为3000sccm；反应室气压为200torr，如图2(a)、图2(b)所示；
A3)在AlN成核层上，采用MOCVD法生长GaN高温缓冲层，其工艺条件是：生长温度为800℃；TMGa流量为300sccm；氨气流量为4000sccm；反应室气压为250torr，如图2(c)所示；
A4)在GaN高温缓冲层上生长i-GaN层，其工艺条件是：生长温度为800℃；TMGa流量为300sccm；氨气流量为3000sccm；反应室气压为150torr，如图2(d)所示；
A5)在i-InGaN层上生长n-GaN层，其工艺条件是：生长温度为800℃；TMGa流量为100sccm；SiH4流量为20sccm；氨气流量为3500sccm；反应室气压为150torr，如图2(e)所示；
A6)将样品置于大气中进行退火处理，退火温度为600℃，时间为5min；
A7)采用两束质子束先后辐照材料结构，其工艺条件是：第一束质子束辐照，能量为0.5MeV，注量为1×1011/cm2；再采用第二束质子束辐照，能量为3MeV，注量为1×1011/cm2，如图2(f)所示；
A8)对辐照后的样品进行光刻，再用电子束蒸发法在n-GaN层上沉积Ni/Cr/Au欧姆电极，然后在550℃大气中合金化处理10min，完成GaN光电导开关的制作,如图2(g)所示。
实施例B：
B1)用丙酮和乙醇溶液对p-Si衬底进行超声清洗；
B2)在蓝宝石衬底上，采用MOCVD法生长AlN成核层，其工艺条件是：生长温度为800℃；TMGa流量为300sccm；SiH4流量为150sccm；氨气流量为2000sccm；反应室气压为250torr，如图2(a)、图2(b)所示；
B3)在AlN成核层上，采用MOCVD法生长GaN高温缓冲层，其工艺条件是：生长温度为1100℃；TMGa流量为50sccm；氨气流量为2000sccm；反应室气压为150torr，如图2(c)所示；
B4)在GaN高温缓冲层上生长i-GaN层，其工艺条件是：生长温度为950℃；TMGa流量为200sccm；氨气流量为2000sccm；反应室气压为250torr，如图2(d)所示；
B5)在i-InGaN层上生长n-GaN层，其工艺条件是：生长温度为950℃；TMGa流量为300sccm；SiH4流量为200sccm；氨气流量为5000sccm；反应室气压为200torr，如图2(e)所示；
B6)将样品置于大气中进行退火处理，退火温度为600℃，时间为5min；
B7)采用两束质子束先后辐照材料结构，其工艺条件是：第一束质子束辐照，能量为2MeV，注量为5×1015/cm2；再采用第二束质子束辐照，能量为7MeV，注量为5×1015/cm2，如图2(f)所示；
B8)对辐照后的样品进行光刻，再用电子束蒸发法在n-GaN层上沉积Ni/Cr/Au欧姆电极，然后在550℃大气中合金化处理10min，完成GaN光电导开关的制作,如图2(g)所示。
实施例C：
C1)用丙酮和乙醇溶液对p-Si衬底进行超声清洗；
C2)在蓝宝石衬底上，采用MOCVD法生长AlN成核层，其工艺条件是：生长温度为1100℃；TMGa流量为50sccm；SiH4流量为200sccm；氨气流量为5000sccm；反应室气压为150torr，如图2(a)、图2(b)所示；
C3)在AlN成核层上，采用MOCVD法生长GaN高温缓冲层，其工艺条件是：生长温度为900℃；TMGa流量为100sccm；氨气流量为5000sccm；反应室气压为200torr，如图2(c)所示；
C4)在GaN高温缓冲层上生长i-GaN层，其工艺条件是：生长温度为700℃；TMGa流量为200sccm；氨气流量为5000sccm；反应室气压为200torr，如图2(d)所示；
C5)在i-InGaN层上生长n-GaN层，其工艺条件是：生长温度为1100℃；TMGa流量为50sccm；SiH4流量为20sccm；氨气流量为2000sccm；反应室气压为150torr，如图2(e)所示；
C6)将样品置于大气中进行退火处理，退火温度为600℃，时间为5min；
C7)采用两束质子束先后辐照材料结构，其工艺条件是：第一束质子束辐照，能量为3MeV，注量为9×1018/cm2；再采用第二束质子束辐照，能量为10MeV，注量为9×1018/cm2，如图2(f)所示；
C8)对辐照后的样品进行光刻，再用电子束蒸发法在n-GaN层上沉积Ni/Cr/Au欧姆电极，然后在550℃大气中合金化处理10min，完成GaN光电导开关的制作,如图2(g)所示。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种超快响应GaN光电导开关，其特征在于，包括蓝宝石衬底和GaN层，所述GaN层包括AlN成核层(11)、GaN高温缓冲层(12)、i-GaN层(13)和n-GaN层(14)，在n-GaN层(14)上引出Ni/Cr/Au金属电极(15)。
2.根据权利要求1所述的一种超快响应GaN光电导开关，其特征在于，所述蓝宝石衬底厚度为200～500μm；
所述AlN成核层(11)厚度为80～180nm；
所述GaN高温缓冲层(12)厚度为1.0～1.5μm；
所述i-GaN层(13)厚度为100～400nm、电子浓度为1×1016～2×1017/cm3；
所述n-GaN层(14)厚度为50～150nm、电子浓度为1×1019～6×1021/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种超快响应GaN光电导开关，其特征在于，所述Ni/Cr/Au金属电极(15)采用平行电极，电极宽度为0.5～5mm，电极间距为0.5mm～5mm。
4.一种利用质子辐照制备超快响应GaN光电导开关的方法，其特征在于，所采用的质子辐照条件为：质子注量为：1×1011～9×1018/cm2；质子能量为：0.5～10MeV；所采用的辐照对象为光电导型GaN光电导开关，包括如下步骤：
1)在蓝宝石衬底上，采用MOCVD法生长80～180nm厚的AlN成核层(11)；
2)在AlN成核层(11)上依次生长1.0～1.5μm厚的GaN高温缓冲层(12)、50～150nm i-InGaN层(13)和50～150nm厚的n-GaN层(14)；
3)将样品置于大气中600℃退火5～10min；
4)采用电子束蒸发法在n-GaN层(14)制备出Ni/Cr/Au金属电极(15)，并在大气中550℃退火10min，即完成GaN光电导开关制作。
5.如权利要求4所述的利用质子辐照制备超快响应GaN光电导开关制作方法，其中所述的生长AlN成核层(11)的工艺条件是：生长温度为800～1100℃；TMGa流量为50～300sccm；SiH4流量为20～200sccm；氨气流量为2000～5000sccm；反应室气压为150～250torr。
6.如权利要求4所述的利用质子辐照制备超快响应GaN光电导开关的方法，其中所述的生长GaN高温缓冲层(12)的工艺条件是：生长温度为800～1100℃；TMGa流量为50～300sccm；氨气流量为2000～5000sccm；反应室气压为150～250torr。
7.如权利要求4所述的利用质子辐照制备超快响应GaN光电导开关的方法，其中生长i-GaN层(13)的工艺条件是：生长温度为700～950℃；TMGa流量为50～300sccm；氨气流量为2000～5000sccm；反应室气压为150～250torr。
8.如权利要求4所述的利用质子辐照制备超快响应GaN光电导开关的方法，其中生长n-GaN层(14)的工艺条件是：生长温度为800～1100℃；TMGa流量为50～300sccm；SiH4流量为20～200sccm；氨气流量为2000～5000sccm；反应室气压为150～250torr。
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| 白云等: "《GaN基PN紫外探测器的质子辐照效应》", 《激光与红外》 * |
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