CN107681017B - 一种自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，属于半导体技术领域。本发明解决了AlGaN基探测器阵列制备过程中，刻蚀工艺需要有毒气体、刻蚀工艺复杂、刻蚀后器件存在漏电通道的问题，所述方法包括以下步骤：(1)生长N型AlGaN基材料；(2)制备掩膜材料；(3)制备生长窗口；(4)生长I型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料；(5)分别在N型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料上制备欧姆接触电极。本发明方法避免了AlGaN基探测器阵列制备过程中有毒气体的使用，解决了刻蚀台面存在漏电通道的问题，并且工艺简单，成本低廉，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法。
背景技术
AlGaN基材料属于直接宽带隙半导体材料，通过调节AlGaN中的Al的组分，AlGaN的禁带宽度能够在3.4ev～6.2ev范围内连续可调，进而使得AlGaN基紫外探测器能够实现对200nm～365nm波段紫外光的本征探测。另外，AlGaN基材料具有化学稳定性和热稳定性，抗辐照能力强等优势，因此，AlGaN基材料是研制紫外及深紫外探测器的理想材料，AlGaN紫外及深紫外探测器具有全固态，体积小，抗辐照能力强，适合在苛刻条件下工作等优势。与传统的Si紫外探测器和光电倍增管相比，AlGaN紫外探测器能够本征实现对紫外及深紫外光探测，避免了Si紫外探测器复杂的光过滤系统的使用；与传统的光电倍增管相比，AlGaN紫外探测器具有全固态，无需制冷系统等优势。
近年来，由于国内外的许多研究组都纷纷将研究重心转移到AlGaN基紫外及深紫外光电材料和器件的研究上，所以在AlGaN基紫外及深紫外探测器研究方面取得了一定的突破和进展，成功研制了各种结构的AlGaN基紫外及深紫外探测器，其中，包括金属-半导体-金属结构、肖特基结构和PIN结构的探测器。其中PIN结构探测器具有响应速度快、暗电流低、便于集成等优势被视为最有前景的AlGaN基紫外及深紫外探测器的结构，使得AlGaN基紫外及深紫外探测器备受关注。
但是，到目前为止，AlGaN基紫外及深紫外探测器通常利用自上而下的刻蚀工艺来实现，即在蓝宝石等衬底上，利用金属有机化学气相沉积的方法(MOCVD)或者分子束外延的方法(MBE)生长PIN结构的AlGaN基材料外延层，然后通过光刻工艺界定AlGaN基紫外及深紫外探测器光敏面的尺寸，接下来利用干法刻蚀工艺刻蚀台面。由于生长AlGaN基材料的衬底为蓝宝石等绝缘衬底，因此AlGaN基光电子器件和微电子器件需采用平面结构。对于自上而下依次为P型AlGaN-I型AlGaN-N型AlGaN-衬底的结构材料而言，需要通过刻蚀工艺刻蚀至N型AlGaN基材料，获得PIN结构台面。然后利用介电材料，如SiO2对刻蚀台面进行钝化，以减少漏电通道，最后，通过分别在P型AlGaN和N型AlGaN材料上制备欧姆接触电极，完成AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列。其中，AlGaN基材料刻蚀工艺困难，由于AlGaN基材料化学稳定性好，湿法腐蚀及一般的干法腐蚀所用气体均无法与AlGaN基材料反应，AlGaN基材料的刻蚀气体为反应活性高的Cl2等，而Cl2是有毒气体，因此AlGaN基材料刻蚀存在安全隐患和环境污染隐患。此外，AlGaN基材料的刻蚀对刻蚀系统要求苛刻，需要整个系统均需耐腐蚀系统。而且，刻蚀后的AlGaN基材料台面存在很多漏电通道，需要进一步做钝化处理，增加了AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的工艺难度。
因此，如果能够通过有效的手段解决AlGaN基材料的刻蚀问题，将大大推动AlGaN基紫外及深紫外探测器的发展和应用。
发明内容
本发明针对目前利用自上而下制备AlGaN基紫外及深紫外探测器过程中刻蚀气体为Cl2和BCl3等有毒气体、台面刻蚀工艺复杂和台面刻蚀后漏电严重的技术问题，提供一种利用自下而上的方式生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，通过调节AlGaN基材料的生长参数，生长后获得的AlGaN基材料直接为PIN结构的AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列。
本发明提供的一种自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上生长N型AlGaN基材料；
(2)在N型AlGaN基材料表面制备掩膜材料；
(3)刻蚀掩膜材料，制备AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列生长窗口；
(4)通过选择外延，在AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的生长窗口上依次生长I型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料；
(5)分别在N型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料上制备欧姆接触电极，得到PIN结构的AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列。
优选的，步骤(1)在衬底上生长N型AlGaN基材料所用的衬底为蓝宝石、硅或碳化硅。
优选的，步骤(1)在衬底上生长N型AlGaN基材料的生长方法为金属有机化合物气相沉积法(MOCVD)或者分子束外延法(MBE)。
在衬底上生长N型AlGaN基材料的生长方法采用“两步生长法”生长AlGaN基材料，通过调整N型AlGaN材料生长的工艺参数，主要包括源流量、生长温度、III-VI比、反应室压强等，获得不同组分和掺杂浓度的N型AlGaN基材料。
优选的，步骤(2)在N型AlGaN材料表面制备掩膜材料，掩膜材料为SiO2或TiN。
掩膜材料需具备以下条件：a)掩膜材料能够有效阻止后续外延的AlGaN在其表面生长；b)在二次选择外延N型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料时，掩膜材料不与AlGaN基材料反应。
优选地，步骤(2)在N型AlGaN基材料表面制备掩膜材料的方法为等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)。
优选的，步骤(3)中生长窗口的制备方法包括光刻和刻蚀掩膜材料的步骤。
步骤(3)所述的光刻胶为通用光刻胶，根据不同AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的单元器件尺寸，界定AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的单元器件的生长窗口。
优选的，步骤(3)中掩膜材料的刻蚀方法为干法刻蚀或者湿法刻蚀。通过刻蚀工艺刻蚀掩膜材料，获得AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的生长窗口。
优选的，步骤(4)选择外延所用的方法为金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)。
通过调整源流量、掺杂剂流量、生长温度及反应室压强等工艺参数，在AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的生长窗口区的N型AlGaN基材料上依次生长I型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料。
优选的，步骤(5)分别在N型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料上制备欧姆接触电极的方法包括套刻、蒸镀金属电极和退火的步骤，完成AlGaN基紫外级深紫外探测器阵列的N型AlGaN欧姆接触电极和P型AlGaN欧姆接触电极的制备。
本发明利用自下而上的方式直接生长PIN结构的AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，避免了传统的自上而下，通过刻蚀工艺制备AlGaN基探测器阵列中Cl2等有毒气体的使用，简化了AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的工艺流程，刻蚀后不存在漏电通道的问题。该方法工艺简单，重复性强，利于推广，为研制高性能AlGaN基PIN结构紫外探测器提供了新思路。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法流程图；
图2为本发明提供的自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的结构示意图。
附图标记说明：
1、衬底；2、N型AlGaN基材料；3、掩膜材料；4、生长窗口；5、I型AlGaN基材料；6、P型AlGaN基材料；7、N型AlGaN欧姆接触电极；8、P型AlGaN欧姆接触电极。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1所示；
本发明的一种自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法流程图，包括以下步骤：
(1)在衬底上生长N型AlGaN基材料。
优选的，步骤(1)在衬底上生长N型AlGaN基材料所用的衬底为蓝宝石、硅或碳化硅。
优选的，步骤(1)在衬底上生长N型AlGaN基材料的生长方法为金属有机化合物气相沉积法(MOCVD)或者分子束外延法(MBE)。
在衬底上生长N型AlGaN基材料的生长方法采用“两步生长法”生长AlGaN基材料，通过调整N型AlGaN材料生长的工艺参数，主要包括源流量、生长温度、III-VI比、反应室压强等，获得不同组分和掺杂浓度的N型AlGaN基材料。
例如，所用衬底为蓝宝石等常规衬底，利用“两步生长法”生长AlGaN基材料，利用AlN或者GaN作为缓冲层，或者在AlN或者GaN模板上生长N型AlGaN基材料。不同Al组分的AlGaN基材料通过调整生长参数获得，主要包括生长温度、源流量、III-V比以及反应室压力等。
(2)在N型AlGaN基材料表面制备掩膜材料。
优选的，步骤(2)在N型AlGaN材料表面制备掩膜材料，掩膜材料为SiO2或TiN。
掩膜材料需具备以下条件：a)掩膜材料能够有效阻止后续外延的AlGaN在其表面生长；b)在二次选择外延N型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料时，掩膜材料不与AlGaN基材料反应。
优选地，步骤(2)在N型AlGaN基材料表面制备掩膜材料的方法为等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)。
例如，在N型AlGaN基材料上利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等方式沉积一定厚度的掩膜材料，如SiO2和TiN等。
(3)利用光刻胶刻蚀掩膜材料，制备AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的生长窗口。
优选的，步骤(3)中生长窗口的制备方法包括光刻和刻蚀掩膜材料的步骤。
步骤(3)所述的光刻胶为通用光刻胶，根据不同AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的单元器件尺寸，界定AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的单元器件的生长窗口。
优选的，步骤(3)中掩膜材料的刻蚀方法为干法刻蚀或者湿法刻蚀。通过刻蚀工艺刻蚀掩膜材料，获得AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的生长窗口。
例如，利用传统光刻工艺，通过匀胶、前烘、曝光、显影、后烘等工艺完成生长窗口的界定，其中生长窗口根据探测器的需求尺寸选择一定尺寸的掩膜版。然后利用刻蚀工艺，干法刻蚀或者湿法刻蚀，去除AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列生长窗口的掩膜材料。
(4)通过选择外延，在AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的生长窗口上依次生长I型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料。
优选的，步骤(4)选择外延所用的方法为金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)。
例如，利用金属有机化学气相沉积或者分子束外延的方法，通过调整源流量、掺杂剂流量、生长温度及反应室压强等工艺参数，在AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的生长窗口区的N型AlGaN基材料上依次生长一定厚度的I型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料。
(5)分别在N型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料上制备欧姆接触电极。
优选的，步骤(5)分别在N型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料上制备欧姆接触电极的方法包括套刻、蒸镀金属电极和退火的步骤，完成自下而上生长的PIN结构的AlGaN基紫外级深紫外探测器阵列的N型AlGaN欧姆接触电极和P型AlGaN欧姆接触电极的制备。
实施例1
参照图2，一种自下而上生长PIN结构AlGaN基紫外级深紫外探测器阵列的方法，包括以下步骤：
(1)采用蓝宝石作为衬底1，利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法在衬底1上生长N型AlGaN基材料2，其中AlGaN基材料2生长过程中，三甲基镓和氨气分别作为III族源和V族源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，氢气(H2)作为载气。在N型AlGaN基材料2生长过程中，利用“两步生长法”生长，首先在蓝宝石的衬底1上550℃下生长AlGaN低温缓冲层，然后将生长温度增加到1050℃，生长1μm的非故意掺杂AlGaN，接下来利用SiH4作为N型掺杂剂，生长温度为1050℃，生长1μm的N型AlGaN基材料2。
(2)利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法，SiO2作为的掩膜材料3，反应气体为SiH4和N2O，衬底加热温度为300℃，生长100nm掩膜材料3。
(3)利用光刻工艺，获得AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的生长窗口3。其中，利用通用光刻胶，如BP212，光刻工艺如下：a)匀胶：其中匀胶转速为3500转/分；b)前烘：烘烤温度为65℃，时间为30分钟；c)曝光：200mw的曝光灯下接触曝光时间为15秒，光刻版为8×8的直径为150μm、周期为350μm的圆形点阵；d)显影：利用碱性显影液，显影时间为30秒；e)后烘：温度为120℃，时间为30分钟。最终获得与光刻版图形一致的8×8的直径为150μm、周期为350μm的圆形点阵的生长窗口3。
然后利用湿法腐蚀工艺腐蚀生长窗口3的SiO2掩膜材料2，其中腐蚀液为HF溶液。最后利用丙酮溶液去除光刻胶，在N型AlGaN基材料2上获得8×8圆形阵列，其中，每个阵列单元的直径为150μm，阵列周期为350μm。
(4)再次利用MOCVD的方法，在生长窗口3直接生长I型AlGaN基材料5和P型AlGaN基材料6。其中I型AlGaN基材料5和P型AlGaN基材料6的生长温度均为1050℃，三甲基镓作为Ga源，NH3作为N源，生长150nm的I型AlGaN基材料5，然后利用二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，生长100nm的P型AlGaN基材料6。
(5)分别在N型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料上制备欧姆接触电极。其中N型AlGaN基材料5的欧姆接触电极材料为Ti/Al/Ni/Au(10nm/30nm/50nm/200nm)，利用电子束蒸发制备，并在600℃下退火30秒。P型AlGaN基材料6的欧姆接触电极材料为Ni/Au(10nm/20nm)，电极形状为环形，并在450℃退火180秒。至此，完成自下而上生长的N型AlGaN欧姆接触电极7和P型AlGaN欧姆接触电极8的制备，得到PIN结构的AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列。
在上述技术方案中，本发明提供的自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，避免了利用传统方法通过自上而下的刻蚀方式中刻蚀气体为有毒气体、刻蚀工艺复杂、刻蚀后存在漏电通道的问题，为AlGaN基PIN结构探测器阵列的研制提供了新方法。
本发明方法不限于上述实施例，本发明通过自下而上生长的方式实现AlGaN基PIN结构紫外及深紫外探测器阵列，适用于所有的GaN基光电子及微电子器件中需要刻蚀工艺的器件。
显然，上述实施方式仅仅是为了清楚的说明所作的举例，在上述说明的基础上还可以做出其他形式的变动或变化。因此，由此所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在衬底上生长N型AlGaN基材料；
(2)在N型AlGaN基材料表面制备掩膜材料；
(3)利用光刻胶刻蚀掩膜材料，制备AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列生长窗口；
(4)通过选择外延，在AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的生长窗口上依次生长I型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料；
(5)分别在N型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料上制备欧姆接触电极，得到PIN结构的AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列；
在衬底上生长N型AlGaN基材料的生长方法采用“两步生长法”生长N型AlGaN基材料，即先生长AlGaN低温缓冲层，再升温生长非故意掺杂AlGaN并利用N型掺杂剂进行掺杂而生长N型AlGaN基材料。
2.根据权利要求1所述的自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，其特征在于，步骤(1)在衬底上生长N型AlGaN基材料所用的衬底为蓝宝石、硅或碳化硅。
3.据权利要求1所述的自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，其特征在于，步骤(1)在衬底上生长N型AlGaN基材料的生长方法为金属有机化合物气相沉积法或者分子束外延法。
4.据权利要求1所述的自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，其特征在于，步骤(2)所述掩膜材料为SiO2或TiN。
5.据权利要求1所述的自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，其特征在于，步骤(2)在N型AlGaN基材料表面制备掩膜材料的方法为等离子体增强化学气相沉积法。
6.据权利要求1所述的自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，其特征在于，步骤(3)中生长窗口的制备方法包括光刻和刻蚀掩膜材料的步骤。
7.据权利要求6所述的自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，其特征在于，步骤(3)中掩膜材料的刻蚀方法为干法刻蚀或者湿法刻蚀。
8.据权利要求1所述的自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，其特征在于，步骤(4)选择外延所用的方法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法。
9.据权利要求1所述的自下而上生长AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的方法，其特征在于，步骤(5)分别在N型AlGaN基材料和P型AlGaN基材料上制备欧姆接触电极的方法包括套刻、蒸镀金属电极和退火的步骤，一次完成AlGaN基紫外及深紫外探测器阵列的N型AlGaN欧姆接触电极和P型AlGaN欧姆接触电极的制备。
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