CN108321222B - 一种AlGaP基紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AlGaP基紫外探测器及其制备方法，包括生长在衬底层上的AlP缓冲层，生长在AlP缓冲层上的非掺杂GaP层，非掺杂GaP层上的Si掺杂的n‑AlGaP层，所述Si掺杂的n‑AlGaP层的一侧表面覆盖有第一Au层，另一侧覆盖有i‑AlGaP层，所述i‑AlGaP层上覆盖有第二Au层。本发明提出的制备方法具有工艺简单、省时高效的优点，制备的紫外探测器可实现对紫外光的灵敏探测，可应用于紫外检测等领域，经济效益可观。
Description
技术领域
本发明涉及紫外探测器，特别涉及一种AlGaP基紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后开发的一种新型光电检测技术，由于良好的日盲特性，具有非视线通讯、低窃听率和没有背景信号干扰等优点，在军事和民用等方面应用广泛。在军事上，主要可应用于紫外通讯、用于导弹制导、导弹预警、紫外分析和生化分析等领域。在民用上，环境检测、生物医药分析、臭氧检测、明火探测和太阳照度检测等方面都有紫外探测的需求。目前，实现产业化广泛应用的主要是Si基光电二极管紫外探测器，但由于Si的探测区域包括可见光，只有装了滤光系统后才能实现对紫外光的探测，增加了体积和成本。另外，Si对紫外光的吸收能力很强，抗辐射能力弱，这限制了紫外探测器的发展。
第三代宽带隙半导体材料包含(Ga，Al，In) (N，P)以及三、四元化合物，因其具有禁带宽度大、电子迁移速率快、热稳定性好和抗辐射能力强等特性使其十分适合于制作频率高、功率大、集成度高和抗辐射的电子器件，在发光二极管、紫外探测器件和太阳能电池等许多领域得到广泛应用。AlGaP材料具有宽禁带、直接带隙，其禁带宽度能够通过调节合金的组分实现连续可调，这些特性使它无需滤光系统和做成浅结，是制备紫外探测器的理想材料之一。此外，随着AlGaP薄膜外延生长技术不断的成熟，晶体质量一直的提高，再加上成本也在不停的下降，这些共同作用，使得AlGaP基紫外探测器的前景越来越大。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种AlGaP基紫外探测器及其制备方法，制备得到的AlGaP基紫外探测器具有暗电流小、光响应度高等特点。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种AlGaP基紫外探测器，包括生长在衬底层上的AlP缓冲层，生长在AlP缓冲层上的非掺杂GaP层，非掺杂GaP层上的Si掺杂的n-AlGaP层，所述Si掺杂的n-AlGaP层的一侧表面覆盖有第一Au层，另一侧覆盖有i-AlGaP层，所述i-AlGaP层上覆盖有第二Au层。
所述的AlGaP基紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
（1）首先使用分子束外延技术在衬底上外延一层AlP缓冲层，工艺条件为：所用铝源为高纯Al金属（7N），磷源有一个热裂解区，其中P4被裂解为P2。衬底温度升至750~850 ℃，反应室压力控制为1~2×10-10 Torr，衬底以5~10 r/min的旋转速率恒定来保证缓冲层厚度的均匀性；
（2）在AlP缓冲层上采用金属有机化合物气相外延技术生长非掺杂GaP层，工艺条件为：衬底温度升至750~850 ℃，通入H2进行表面清洗20~25 min，H2流量为50~70 sccm，关闭H2，通入三甲基镓（TMGa）与PH3气体反应，载气为氮气，其中，保持TMGa流量为300~450sccm，PH3流量为10~15 slm，氮气流量为15~20 slm，控制反应压力为100~200 Torr；
（3）在非掺杂GaP层上采用金属有机化合物气相外延技术生长Si掺杂的n-AlGaP层，工艺条件为：衬底温度控制在650~750 ℃，通入TMGa、三甲基铝（TMAl）与PH3气体反应，载气为氮气，掺杂源为Si，掺杂浓度为1~9×1017 cm-3，其中，保持TMGa流量为0~450 sccm，TMAl流量为0~450 sccm，PH3流量为10~15 slm，氮气流量为20~25 slm，控制反应压力为150~200 Torr；
（4）在Si掺杂的n-AlGaP层上采用金属有机化合物气相外延技术生长本征i-AlGaP层，工艺条件为：衬底生长温度控制为550~750 ℃，通入TMGa、TMAl与PH3气体反应，其中，保持TMGa流量为0~450 sccm，TMAl流量为0~450 sccm，PH3流量为10~15 slm，氮气流量为20~25 slm，控制反应压力为150~200 Torr；
（5）在本征i-AlGaP层采用磁控溅射或电子束蒸镀的方法蒸镀第二Au层，用作负电极；
（6）使用掩膜板遮住第二Au层上表面的左侧，使用感应耦合等离子刻蚀技术将步骤（5）所得样品的右侧刻蚀至n-AlGaP层，随后采用磁控溅射或电子束蒸镀的方法在所得样品的右侧生长一层第一Au层，用作正电极并形成欧姆接触；
（7）将做好电极的样品进行电镀压焊点、减薄、划片、引线键合等工艺，最后封装，经上述工艺后得到一种AlGaP基紫外探测器。
优选的，所述衬底的厚度为320~450 μm。
优选的，所述AlP缓冲层的厚度为120~200 nm。
优选的，所述非掺杂GaP层的厚度为1000~2500 nm。
优选的，所述Si掺杂的n-AlGaP层的厚度为1000~3000 nm。
优选的，所述第一Au层的厚度为1000~2000 nm。
优选的，所述i-AlGaP层的厚度为1000~3000 nm。
优选的，所述第二Au层的厚度为1000~2000 nm。
优选的，所述的衬底为蓝宝石、Si、LiGaO2或La0.3Sr1.7AlTaO6。
由以上所述的制备方法制得的一种AlGaP基紫外探测器，包括衬底层1、AlP缓冲层2、非掺杂GaP层3、Si掺杂的n-AlGaP层4、i-AlGaP层5、第一Au层6和第二Au层7，所述衬底层上覆盖着AlP缓冲层，AlP缓冲层上覆盖着非掺杂GaP层，非掺杂GaP层上覆盖着Si掺杂的n-AlGaP层；所述Si掺杂的n-AlGaP层上表面的一侧覆盖有i-AlGaP层，另一侧覆盖有第一Au层；所述i-AlGaP层上覆盖有第二Au层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
（1）本发明首先使用分子束外延在衬底上外延一层AlP缓冲层，Al缓冲层可为接下来的外延生长提供模板，减少了直接生长因为失配而导致的位错。本发明有利于制备高质量的薄膜，具有缺陷密度低、结晶质量好等特点，可广泛应用于紫外LED、LD、紫外探测器等领域。
（2）本发明采用了金属-半导体结构，相对于传统的PIN结构金属和半导体的接触面产生了肖特基接触，有效避免了电荷储存效应，其制备的探测器响应速度快于传统的PIN结构。
（3）本发明采用了AlGaP材料作为有源层材料，因为AlGaP材料的禁带宽度可以根据Al组分的不同从2.26 eV到3.63 eV连续可调，可以对波长为342 nm到548 nm的光进行有效探测。
（4）本发明制备的紫外探测器可实现对紫外光的灵敏探测，可应用于紫外检测等领域，经济效益可观。
（5）本发明提出的制备方法具有工艺简单、省时高效。
附图说明
图1为本发明的AlGaP基紫外探测器结构剖面示意图。
图2为实施例1制备的AlGaP基紫外探测器的暗电流随外加偏压变化的曲线图；
图3为实施例1制备的AlGaP基紫外探测器的响应度随波长响应曲线图；
图4为实施例2制备的AlGaP基紫外探测器的响应度随波长响应曲线图；
图5为实施例3制备的AlGaP基紫外探测器的响应度随波长响应曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种AlGaP基紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
（1）首先使用分子束外延技术在厚度为320 μm的蓝宝石衬底上外延一层厚度为120 nm的AlP缓冲层。工艺条件为：衬底温度升至750 ℃，反应室压力控制为1×10-10 Torr，衬底以5 r/min的旋转速率恒定来保证缓冲层厚度的均匀性；
（2）在AlP缓冲层上采用金属有机化合物气相外延技术生长厚度为1000 nm的非掺杂GaP层，衬底温度为750 ℃，通入H2进行表面清洗20 min，H2流量为50 sccm，关闭H2，通入TMGa和PH3气体反应，载气为氮气，其中，保持TMGa流量为300 sccm，PH3流量为10 slm，氮气流量为15 slm，控制反应压力为100 Torr；
（3）在非掺杂GaP层上采用金属有机化合物气相外延技术生长厚度为1000 nm的Si掺杂的n-AlGaP层，衬底温度控制在650 ℃，通入TMGa、TMAl与PH3气体反应，载气为氮气，掺杂源为Si，Si掺杂浓度为1×1017 cm-3，其中，保持TMGa流量为450 sccm，TMAl流量为0 sccm，PH3流量为10 slm，氮气流量为20 slm，控制反应压力为150 Torr；
（4）在Si掺杂的n-AlGaP层上采用金属有机化合物气相外延技术生长厚度为1000nm的本征i-AlGaP层，衬底生长温度为550 ℃，通入TMGa、TMAl与PH3气体反应，其中，保持TMGa流量为450 sccm，TMAl流量为0 sccm，PH3流量为10 slm，氮气流量为20 slm，控制反应压力为150 Torr；
（5）在本征i-AlGaP层采用磁控溅射的方法生长一层厚度为1000 nm的第二Au层，用作负电极；
（6）使用掩膜板遮住第二Au层上表面的左侧，使用感应耦合等离子刻蚀技术将步骤（5）所得样品的右侧刻蚀至n-AlGaP层，随后采用磁控溅射的方法生长一层厚度为1000nm的第一Au层，用作正电极并形成欧姆接触；
（7）将做好电极的样品进行电镀压焊点、减薄、划片、引线键合等工艺，最后封装，经上述工艺后得到一种AlGaP基紫外探测器。
如图1所示，本实施例的一种AlGaP基紫外探测器，它包括蓝宝石衬底层1，生长在蓝宝石衬底层上的AlP缓冲层2，生长在AlP缓冲层上的非掺杂GaP层3，非掺杂GaP层上的Si掺杂的n-AlGaP层4，所述Si掺杂的n-AlGaP层的一侧表面覆盖有i-AlGaP层5，另一侧覆盖有第一Au层6，所述i-AlGaP层上覆盖有第二Au层7。
所制备的AlGaP基紫外探测器的暗电流随外加偏压变化的曲线图如图2所示，由图2可知，暗电流随着外加偏压的增大而增大，而且在1V偏压下，暗电流仅为0.67 μA；在5V偏压下，暗电流为6.77 μA，说明制备的紫外探测器具有良好的暗电流特性。
所制备的AlGaP基紫外探测器的光谱响应曲线图如图3所示，由图3可知，响应度（@5V）在545 nm后开始迅速下降，呈现陡峭的截止边，这说明制备的紫外探测器具有十分灵敏的探测效果。此外，545 nm对应的材料禁带宽度约为2.27 eV，证明实现了Al组分为0的AlGaP材料。
实施例2
一种AlGaP基紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
（1）首先使用分子束外延技术在厚度为400 μm的蓝宝石衬底上外延一层厚度为160 nm的AlP缓冲层。工艺条件为：衬底温度升至800 ℃，反应室压力控制为1.5×10-10 Torr，衬底以7 r/min的旋转速率恒定来保证缓冲层厚度的均匀性；
（2）在AlP缓冲层上采用金属有机化合物气相外延技术生长厚度为1800 nm的非掺杂GaP层，衬底温度为800 ℃，通入H2进行表面清洗22 min，H2流量为60 sccm，关闭H2，通入TMGa和PH3气体反应，载气为氮气，其中，保持TMGa流量为380 sccm，PH3流量为12 slm，氮气流量为18 slm，控制反应压力为150 Torr；
（3）在非掺杂GaP层上采用金属有机化合物气相外延技术生长厚度为2000 nm的Si掺杂的n-AlGaP层，衬底温度控制在700 ℃，通入TMGa、TMAl与PH3气体反应，载气为氮气，掺杂源为Si，Si掺杂浓度为5×1017 cm-3，其中，保持TMGa流量为300 sccm，TMAl流量为300sccm，PH3流量为12 slm，氮气流量为22 slm，控制反应压力为180 Torr；
（4）在Si掺杂的n-AlGaP层上采用金属有机化合物气相外延技术生长厚度为1800nm的本征i-AlGaP层，衬底生长温度为600 ℃，通入TMGa、TMAl与PH3气体反应，其中，保持TMGa流量为300 sccm，TMAl流量为300 sccm，PH3流量为12 slm，氮气流量为22 slm，控制反应压力为180 Torr；
（5）在本征i-AlGaP层采用磁控溅射的方法生长一层厚度为1500 nm的第二Au层，用作负电极；
（6）使用掩膜板遮住第二Au层上表面的左侧，使用感应耦合等离子刻蚀技术将步骤（5）所得样品的右侧刻蚀至n-AlGaP层，随后采用磁控溅射的方法生长一层厚度为1500nm的第一Au层，用作正电极并形成欧姆接触；
（7）将做好电极的样品进行电镀压焊点、减薄、划片、引线键合等工艺，最后封装，经上述工艺后得到一种AlGaP基紫外探测器。
如图1所示，本实施例的一种AlGaP基紫外探测器，它包括蓝宝石衬底层1，生长在蓝宝石衬底层上的AlP缓冲层2，生长在AlP缓冲层上的非掺杂GaP层3，非掺杂GaP层上的Si掺杂的n-AlGaP层4，所述Si掺杂的n-AlGaP层的一侧表面覆盖有i-AlGaP层5，另一侧覆盖有第一Au层6，所述i-AlGaP层上覆盖有第二Au层7。
所制备的AlGaP基紫外探测器的光谱响应曲线图如图4所示，由图4可知，响应度（@5V）在442 nm后开始迅速下降，呈现陡峭的截止边，这说明制备的紫外探测器具有十分灵敏的探测效果。此外，442 nm对应的材料禁带宽度约为2.80 eV，证明实现了Al组分为0.5的AlGaP材料。
实施例3
一种AlGaP基紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
（1）首先使用分子束外延技术在厚度为450 μm的蓝宝石衬底上外延一层厚度为200 nm的AlP缓冲层。工艺条件为：衬底温度升至850 ℃，反应室压力控制为2×10-10 Torr，衬底以10 r/min的旋转速率恒定来保证缓冲层厚度的均匀性；
（2）在AlP缓冲层上采用金属有机化合物气相外延技术生长厚度为2500 nm的非掺杂GaP层，衬底温度为850 ℃，通入H2进行表面清洗25 min，H2流量为70 sccm，关闭H2，通入TMGa和PH3气体反应，载气为氮气，其中，保持TMGa流量为450 sccm，PH3流量为15 slm，氮气流量为20 slm，控制反应压力为200 Torr；
（3）在非掺杂GaP层上采用金属有机化合物气相外延技术生长厚度为3000 nm的Si掺杂的n-AlGaP层，衬底温度控制在750 ℃，通入TMGa、TMAl与PH3气体反应，载气为氮气，掺杂源为Si，Si掺杂浓度为9×1017 cm-3，其中，保持TMGa流量为0 sccm，TMAl流量为450 sccm，PH3流量为15 slm，氮气流量为25 slm，控制反应压力为200 Torr；
（4）在Si掺杂的n-AlGaP层上采用金属有机化合物气相外延技术生长厚度为3000nm的本征i-AlGaP层，衬底生长温度为750 ℃，通入TMGa、TMAl与PH3气体反应，其中，保持TMGa流量为0 sccm，TMAl流量为450 sccm，PH3流量为15 slm，氮气流量为25 slm，控制反应压力为200 Torr；
（5）在本征i-AlGaP层采用磁控溅射的方法生长一层厚度为2000 nm的第二Au层，用作负电极；
（6）使用掩膜板遮住第二Au层上表面的左侧，使用感应耦合等离子刻蚀技术将步骤（5）所得样品的右侧刻蚀至n-AlGaP层，随后采用磁控溅射的方法生长一层厚度为2000nm的第一Au层，用作正电极并形成欧姆接触；
（7）将做好电极的样品进行电镀压焊点、减薄、划片、引线键合等工艺，最后封装，经上述工艺后得到一种AlGaP基紫外探测器。
如图1所示，本实施例的一种AlGaP基紫外探测器，它包括蓝宝石衬底层1，生长在蓝宝石衬底层上的AlP缓冲层2，生长在AlP缓冲层上的非掺杂GaP层3，非掺杂GaP层上的Si掺杂的n-AlGaP层4，所述Si掺杂的n-AlGaP层的一侧表面覆盖有i-AlGaP层5，另一侧覆盖有第一Au层6，所述i-AlGaP层上覆盖有第二Au层7。
所制备的AlGaP基紫外探测器的光谱响应曲线图如图5所示，由图5可知，响应度（@5V）在343 nm后开始迅速下降，呈现陡峭的截止边，这说明制备的紫外探测器具有十分灵敏的探测效果。此外，343 nm对应的材料禁带宽度约为3.61 eV，证明实现了Al组分为1的AlGaP材料。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种AlGaP基紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）首先使用分子束外延技术在衬底上外延一层AlP缓冲层，工艺条件为：衬底温度升至750~850 ℃，反应室压力为1~2×10-10 Torr，衬底以5~10 r/min的旋转速率恒定来保证缓冲层厚度的均匀性；
（2）在AlP缓冲层上采用金属有机化合物气相外延技术生长非掺杂GaP层，衬底温度为750~850 ℃，通入TMGa和PH3气体反应；
（3）在非掺杂GaP层上采用金属有机化合物气相外延技术生长Si掺杂的n-AlGaP层，Si掺杂浓度为1~9×1017 cm-3，衬底生长温度为550~750 ℃；
（4）在Si掺杂的n-AlGaP层上采用金属有机化合物气相外延技术生长本征i-AlGaP层，衬底生长温度为550~750 ℃；
（5）在本征i-AlGaP层采用磁控溅射或电子束蒸镀的方法生长一层第二Au层，用作负电极；
（6）使用掩膜板遮住第二Au层上表面的左侧，使用感应耦合等离子刻蚀技术将步骤（5）所得样品的右侧刻蚀至n-AlGaP层，随后采用磁控溅射或电子束蒸镀的方法在所得样品的右侧生长一层第一Au层，用作正电极并形成欧姆接触；
（7）将步骤（6）做好电极的样品进行电镀压焊点、减薄、划片、引线键合，最后封装，得到一种AlGaP基紫外探测器。
2.根据权利要求1所述的一种AlGaP基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述衬底的厚度为320~450 μm。
3.根据权利要求1所述的一种AlGaP基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述AlP缓冲层的厚度为120~200 nm。
4.根据权利要求1所述的一种AlGaP基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述非掺杂GaP层的厚度为1000~2500 nm。
5.根据权利要求1所述的一种AlGaP基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述Si掺杂的n-AlGaP层的厚度为1000~3000 nm。
6.根据权利要求1所述的一种AlGaP基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述第一Au层的厚度为1000~2000 nm。
7.根据权利要求1所述的一种AlGaP基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述i-AlGaP层的厚度为1000~3000 nm。
8.根据权利要求1所述的一种AlGaP基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述第二Au层的厚度为1000~2000 nm。
9.根据权利要求1所述的一种AlGaP基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述的衬底为蓝宝石衬底、Si衬底、LiGaO2衬底或La0.3Sr1.7AlTaO6衬底。
10.由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的一种AlGaP基紫外探测器，其特征在于，包括衬底层（1）、AlP缓冲层（2）、非掺杂GaP层（3）、Si掺杂的n-AlGaP层（4）、i-AlGaP层（5）、第一Au层（6）和第二Au层（7），所述衬底层（1）上覆盖着AlP缓冲层（2），AlP缓冲层（2）上覆盖着非掺杂GaP层（3），非掺杂GaP层（3）上覆盖着Si掺杂的n-AlGaP层（4）；所述Si掺杂的n-AlGaP层（4）上表面的一侧覆盖有i-AlGaP层（5），另一侧覆盖有第一Au层（6）；所述i-AlGaP层（5）上覆盖有第二Au层（7）。
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