CN107482070B - 一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器 - Google Patents
一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器。器件结构包括衬底（10）及生长于衬底（10）之上的外延层，其中，外延层自下而上的顺序依次为缓冲层（11），过渡层（12），非故意掺杂InxGa1‑xN有源层（13），在InxGa1‑xN有源层（13）上镀制的肖特基金属‑半导体‑金属（MSM）器件结构的插指状电极（14）和插指状电极（15），其中电极（14）沉积在原生InxGa1‑xN（13）的表面，电极（15）沉积在插指状凹槽（16）中。凹槽（16）采用干法或湿法刻蚀在有源层（13）上形成。与传统平面MSM结构相比，具有凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光探测器利用凹槽侧壁阻断载流子因InGaN原表面变程跃迁所产生的漏电流，可显著降低探测器的暗电流；同时，凹槽电极改善了电极间的电场分布，可有效提升光电流。
Description
技术领域
本发明涉及光电子的技术领域，更具体地，涉及一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器。
背景技术
可见光通信 (Visible Light Communication，VLC) 技术逐渐兴起，现今在VLC系统中采用的Si基、AlGaAs、GaP基探测器，不仅存在着响应峰值与光源主发光波长不一致而导致的探测灵敏度低的问题，而且存在需要外加光滤波器而导致的成本增加、体积增大、滤波器减弱入射光信号的缺点。而GaP 基光电探测器虽然在可见光波段响应，由于其为间接带隙材料器件，存在量子效率低的问题。三元化合物半导体InxGa1-xN作为直接带隙半导材料，具有量子效率高、响应速度快等特点，可以通过调节In组分使禁带宽度在3.44至0.63eV间变化(360~1968 nm)，覆盖了整个可见光区域，因而在制作高灵敏度可见光通信用光接收器件上具有很大的潜力。
然而，InGaN材料制备却面临着很多问题。首先，二元化合物GaN和InN两者的原子间距和生长温度有着较大的差异。 InN和GaN的共价半径分别为1.44 and 1.26 Å ,这一差异会使InGaN材料产生内应力，并导致外延层中出现位错、相分离、In分布不均匀。其次，InGaN表面存在表面的悬挂键，晶格缺陷等造成的高密度表面态。InGaN的相分离在水平方向上表现为In组分剧烈波动，而在垂直方向上则表现为In组分牵引，即In组分变动较少。InGaN相分离会导致能带变化，在水平方向能带波动较大形成局域态，而纵向却是渐变的能带变化，即水平方向的局域态远多于垂直方向的局域态。由于InGaN中强烈的局域态效应，表面电子有较高局域能，可以克服势垒在局域态间传导。因此，表面跃迁传导可以在InGaN表面发生，而且In组分越高的样品，往往组分波动越明显，局域态越强，对应的表面变迁传导也更严重。
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，提供一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，利用InGaN外延层垂直方向上局域态远少于水平方向上局域态的特点，在InGaN有源层上制作凹槽，利用其侧壁阻断载流子因InGaN原表面变程跃迁所产生的漏电流,可显著降低探测器的暗电流；同时，凹槽电极改善了电极间的电场分布，可有效提升光电流。
本发明的技术方案是：一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，包括衬底、缓冲层及过渡层，其中，在非故意掺杂InxGa1-xN有源层表面采用干法或湿法刻蚀制作凹槽，然后再镀制插指状电极，其中电极沉积在原生InxGa1-xN的表面，电极沉积在插指状凹槽中，使相邻的插指状电极之间存在一个台阶；具体包括以下步骤：
S1. 将样品先进行有机和无机清洗，以去除表面杂质以及氧化层；
S2. 制作凹槽：采用光刻技术制作掩膜层，刻蚀样品；
S3. 修复刻蚀后对表面的损伤；
S4. 制作电极图形：采用光刻技术制作掩膜层，在样品表面制作出MSM器件的电极图形，镀制电极，剥离后得到插指状的金属条电极；
S5. 对电极进行退火处理，形成肖特基接触。
具体的，所述的步骤S2中，凹槽深度是有源层的厚度减去10 nm，宽度为1~10 μm，自下而上地称为台阶（Mesa）。
所述的步骤S2中，凹槽制作方法可以是干法刻蚀或湿法刻蚀。
所述的步骤S2中，所刻蚀的凹槽是等间距条型状的；凹槽深度是有源层的厚度减去10 nm，宽度为1~10 μm，自下而上地称为台阶。
所述的步骤S4中，制备的MSM器件相邻两电极指存在一台阶，即插指状电极沉积原生InxGa1-xN表面上，其中插指状电极沉积在凹槽中。
所述的步骤S4中，制备的MSM器件的插指电极金属条宽小于凹槽的宽度，沉积在凹槽中的插指电极金属不与凹槽的侧壁接触。
器件包括衬底及生长于衬底之上的外延层，其中，外延层自下而上的顺序依次为缓冲层，过渡层，非故意掺杂InxGa1-xN层，通过电子束蒸发沉积在InxGa1-xN层上的电极、和凹槽中的电极。
所述的衬底可以是 Si 衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底、GaN衬底中的任一种。
所述的缓冲层材料可以是AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合。
所述的过渡层材料可以是Ⅲ族氮化物中的二元化合物、三元化合物或四元化合物的任意一种或者组合，用作位错过滤、应力调控、组分渐变、滤波等等。
所述的非故意掺杂InxGa1-xN层中带隙宽度所对应的波长范围是380-780nm，InGaN层的厚度为60~300nm。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提出了一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，利用凹槽侧壁阻断载流子因InGaN原表面变程跃迁所产生的漏电流,可显著降低探测器的暗电流；同时，凹槽电极改善了电极间的电场分布，可有效提升光电流，从而提高拒绝比。我们通过这种凹槽结构，验证InGaN材料的表面变程跃迁传导现象，并作为一种改善手段，来提高器件性能。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是实施例1示意图。
图3是本实施例与传统平面结构的暗电流对比图。
图4是本实施例与传统平面结构的光电流对比图。
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。
实施例1
如图2所示，本方法主要是给出了一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，器件结构由下往上依次包括c面蓝宝石衬底20及生长于衬底20之上的外延层，其中，外延层自下而上的顺序依次为低温GaN缓冲层21，非故意掺杂GaN层22，非故意掺杂InxGa1-xN有源层23，通过电子束蒸发沉积在InxGa1-xN层23上的电极24、凹槽26中的电极25。其中非故意掺杂InxGa1-xN层中带隙宽度所对应的波长范围是380-780 nm，InGaN层的厚度为60~300 nm。
工艺流程包括以下步骤：
（1）表面清洗：将样品分别置于丙酮和异丙醇，并超声震荡进行有机清洗，然后将样品置于50%的盐酸中，以去除表面的氧化层，用纯氮气枪吹干；
（2）制作凹槽：进行涂胶，光刻，显影暴露出需要刻蚀的部分，然后使用电感耦合等离子体干法刻蚀样品，并用去胶剂去胶；
（3）表面修复：采用煮沸王水处理，再使用快速热退火（RTA）在N2气氛下退火；
（4）制作电极图形：进行涂胶，光刻，显影在样品表面制作出MSM器件的电极图形，然后使用电子束蒸发技术，蒸镀上10 nm的金属铱（Ir），用去胶剂剥离后得到插指电极图形；
（5）退火：使用RTA在O2气氛退火，使金属Ir氧化成为具有高功函数的透明导电电极IrO2，形成肖特基接触。
至此，完成了凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器的所有过程。图3是本实施例与传统平面结构的暗电流对比图，实线表示本发明凹槽型电极结构的MSM器件的暗电流，虚线表示传统平面结构MSM器件的暗电流；
图4是本实施例与传统平面结构的光电流对比图，实线表示本发明凹槽型电极结构的MSM器件的光电流，虚线表示传统平面结构MSM器件的光电流。从图3和图4中结果对比可得出知，相比于传统平面型结构的MSM可见光光电探测器，本发明提出的凹槽型电极结构的可见光光电探测器的暗电流显著降低，在5 V偏压处降低了一个数量级以上；另一方面，探测器的光电流在低偏压下略有下降，是由于抑制了光照下的表面变程跃迁，而在3.5 V偏压下有小幅提升，则是由于凹槽电极结构与平面电极结构相比，插指间的电场分布得到改善（电场强度增强），促进了光生电子-空穴对的收集效率。因此本发明提出的结构可改善光电探测器件的性能。
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 (10)
1.一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，包括衬底（10）、缓冲层（11）及过渡层（12），其特征在于，在非故意掺杂InxGa1-xN有源层（13）表面采用干法或湿法刻蚀制作凹槽（16），然后再镀制插指状电极（14）和（15），其中电极（14）沉积在原生InxGa1-xN（13）的表面，电极（15）沉积在插指状凹槽（16）中，使相邻的插指状电极（14）和（15）之间存在一个台阶；具体包括以下步骤：
S1. 将样品先进行有机和无机清洗，以去除表面杂质以及氧化层；
S2. 制作凹槽：采用光刻技术制作掩膜层，刻蚀样品；
S3. 修复刻蚀后对表面的损伤；
S4. 制作电极图形：采用光刻技术制作掩膜层，在样品表面制作出MSM器件的电极图形，镀制电极，剥离后得到插指状的金属条电极；
S5. 对电极进行退火处理，形成肖特基接触。
2.根据权利要求1所述的一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，其特征在于：所述的步骤S2中，凹槽（16）制作方法是干法刻蚀或湿法刻蚀。
3.根据权利要求1所述的一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，其特征在于：所述的步骤S2中，所刻蚀的凹槽（16）是等间距条型状的；凹槽（16）深度是有源层（13）的厚度减去10 nm，宽度为1~10 μm，自下而上地称为台阶。
4.根据权利要求1所述的一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，其特征在于：所述的步骤S4中，制备的MSM器件中，相邻两电极间存在一台阶，即插指状电极（14）沉积原生InxGa1-xN（13）表面上，其中插指状电极（15）沉积在凹槽（16）中。
5.根据权利要求1所述的一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，其特征在于：所述的步骤S4中，制备的MSM器件的插指电极金属条宽小于凹槽（16）的宽度，沉积在凹槽中的插指电极金属不与凹槽的侧壁接触。
6.根据权利要求1所述的一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，其特征在于：器件包括衬底（10）及生长于衬底（10）之上的外延层，其中，外延层自下而上的顺序依次为缓冲层（11），过渡层（12），非故意掺杂InxGa1-xN层（13），通过电子束蒸发沉积在InxGa1-xN层（13）上的电极（14）、和凹槽（16）中的电极（15）。
7.根据权利要求6所述的一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，其特征在于：所述的衬底（10）是 Si 衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底、GaN衬底中的任一种。
8.根据权利要求6所述的一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，其特征在于：所述的缓冲层（11）材料是AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合。
9.根据权利要求6所述的一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，其特征在于：所述的过渡层（12）材料是Ⅲ族氮化物中的二元化合物、三元化合物或四元化合物的任意一种或者组合，用作位错过滤、应力调控、组分渐变、滤波。
10.根据权利要求6所述的一种凹槽型电极结构的InGaN基MSM可见光光电探测器，其特征在于：所述的非故意掺杂InxGa1-xN层（13）中带隙宽度所对应的波长范围是380-780nm，InGaN层的厚度为60~300nm。
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