CN109285914A - 一种AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器及其制备方法，包括衬底及在衬底上生长的外延层，所述外延层包括从下至上依次分布的缓冲层、n型欧姆接触层、施主掺杂AlmGa1‑mN层、非故意掺杂AlmGa1‑mN层、极化掺杂p型AlxGa1‑xN梯度渐变层、AlyGa1‑yN层、Al/Ga组分渐变的AlhGa1‑hN层、AlzGa1‑zN层及分布于欧姆接触层和AlzGa1‑zN层上的n型欧姆接触电极，其中Al组分x的起始值≤m‑0.1，终止值为y；m‑0.4≤y≤m‑0.2；h起始值为y、终止值为z；y+0.1≤z≤y+0.2。所得晶体管的晶体质量等设计性能好、可靠性高，所得探测器的光电特性佳。
Description
技术领域
本发明涉及Ⅲ族氮化物半导体紫外光电探测器的技术领域，尤其涉及一种AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器及其制备方法。
背景技术
随着信息技术的不断发展，人们对外界光信息的探测和捕获需求日益增长，对光探测灵敏度的要求也日益提高。光电探测从红外、可见光到紫外都取得了显著的进展，广泛运用于民用、工业和军事当中。其中，紫外探测作为光探测中的重要分支，覆盖UVC(100～280nm)、UVB(280～320nm)和UVA(320～400nm)波段，在天文观测、环境与生化检测、火焰探测、高压电晕放电检测、导弹尾焰探测等领域都有重要应用。传统的紫外光电探测主要是基于真空电子的光电倍增管和固态Si基光电探测器。在探测时需要加装滤波器，阻断长波长范围的光入射，不仅增加了器件体积，而且会导致光入射信号的减弱，降低探测灵敏度。今年来，随着GaN基材料制备与器件工艺技术的飞速发展，基于GaN基三元化合物AlGaN材料的紫外光电探测器愈来愈受到重视，成为研发的热点。AlGaN材料具有宽的直接带隙，其禁带宽度可以通过调节Al的组分而连续从3.43eV变化至6.2eV，对应波长范围从363nm～200nm，覆盖UVA至UVC波段，因而非常适合应用于可见光盲(280～363nm)以及日盲(100～280nm)区域的紫外信号检测。由于在臭氧层以下至地球表面的区域中，可见光盲波段的太阳紫外辐射十分微弱，而日盲波段的太阳光辐射更是被臭氧层完全吸收，因此基于AlGaN材料制作的紫外光电探测器，不仅具有宽-直接带隙半导体器件响应速度快、量子效率高、暗电流低、体积小、抗辐射的优点，而且可获得低背景噪声，从而可实现高灵敏度紫外探测。
另一方面，由于紫外光信号在大气传输过程中衰减严重，要求高灵敏度的紫外光电探测不仅要有暗电流低、量子效率高的性能，而且需要具有高的光电增益特性。高光电增益半导体光电探测器的主要器件包括雪崩光电二极管和异质结光电晶体管(heterojunction phototransistor，HPT)。异质结光电晶体管HPT是在双极型晶体管(heterojunction bipolar transistor，HBT)的基础上发展而来的，是指发射区由宽带隙材料构成，基区和收集区由窄带隙材料构成的一类光电晶体管，具有npn和pnp两种结构类型(即包括两个相距很近的pn结，两个pn结将其分为三部分，中间为基区，两侧为发射区和集电区。)。由于HPT具有内增益高、信噪比高、工作电压低等优点，在AlGaN基紫外光电探测中极具发展前景。
对于GaN基宽禁带半导体材料(包括GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlInGaN)，其p型层的常规受主掺杂杂质为Mg原子。由于Mg原子在GaN、AlGaN材料中的电离能较高(>150meV),导致受主Mg的掺杂效率不高，离化率通常只有几个百分点，因此难以获得较高的空穴浓度。更为关键的是，GaN基材料的外延生长主要是采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)法，在这种方法的外延生长中，受主掺杂杂质Mg的分布受热扩散与记忆效应的影响十分严重。不论是npn，还是pnp结构，在其p型层之后生长的n型层都会受到Mg受主杂质扩散和记忆效应的严重影响，而产生Mg的重新分布，导致器件偏离设计结构甚至失效。与pnp结构相比，npn结构可以少生长一层p型层，另外考虑到基区载流子的运输机制，即具有较低有效质量的电子具有更高的迁移率，故以电子作为基区少数载流子的npn结构的HPT可实现较高的基区渡越效率和响应速度，因此，GaN/AlGaN基HPT通常采用npn结构。
传统方法中采用在GaN中掺杂Mg会因为Mg原子的电离能过高而导致Mg的掺杂效率不高。因此，对于npn型GaN/AlGaN基HPT而言，上置的n型层会受到Mg的热扩散和记忆效应双重的影响，相比于发射极上置(Emitter-up)而言，集电极上置(Collector-up)可相对降低Mg掺杂对晶体管性能的影响，所以一般采用集电极上置(Collector-up)的结构是更佳的选择。
但是，即使是集电极上置(Collector-up)结构的AlGaN基HPT，其集电极p-n结特性仍然会受到外延生长时Mg记忆效应的影响，即记忆效应使得受主掺杂原子Mg向施主掺杂区(集电区)扩散以使施主掺杂区(集电区)发生杂质补偿，从而导致受主掺杂区(基区)实际厚度不确定，出现器件结构与设计所需不符的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器，所述光电晶体管探测器无需掺杂受主杂质Mg，而是利用Ⅲ族氮化物半导体存在的自发极化效应和压电极化效应对基区进行p型极化掺杂以提高光电晶体管的晶体质量，所得探测器的光电特性佳。
本发明还公开了所述光电晶体管探测器的制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
提供一种AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器，为npn型结构，且p型基区采用极化掺杂生长，所述光电晶体管探测器包括衬底及在衬底上生长的外延层，所述外延层包括从下至上依次分布的缓冲层、n型欧姆接触层、施主掺杂AlmGa1-mN层、非故意掺杂AlmGa1-mN层、极化掺杂p型AlxGa1-xN梯度渐变层、AlyGa1-yN层、Al/Ga组分渐变的AlhGa1-hN层、AlzGa1-zN层及分布于欧姆接触层和AlzGa1-zN层上的n型欧姆接触电极，其中Al组分x的起始值≤m-0.1，终止值为y；m-0.4≤y≤m-0.2；h起始值为y、终止值为z；y+0.1≤z≤y+0.2。
晶体管，即半导体三极管，由发射区、基区和集电区三个区构成，加上工作电压后，对应产生发射极、基极和集电极三个电流极。其中基极电流最小，发射极电流最大。在基极加一很小的电流，在集电极就能输出很大的电流，因此三极管有放大作用。对于npn结构的晶体管，基区为p型，而发射区和集电区为n型；相反地，对于pnp结构的晶体管，基区为n型，而发射区和集电区为p型。此外，施主掺杂是指半导体中以贡献出电子方式形成电子电导的一种掺杂方式。受主掺杂是指半导体中以接受价带电子，而产生同数量空穴的一种掺杂方式。非故意掺杂是指在生长材料时，未经过人为的故意掺杂而导入的外来杂质。非故意掺杂层中的载流子浓度也可称为背景载流子浓度。极化掺杂是指运用极化效应来实现(提供)所需载流子浓度，此时的载流子浓度一般都比材料本征载流子浓度要高很多。
本发明所述光电晶体管探测器为npn型结构，且p型基区采用极化掺杂来提供所需的载流子(空穴)浓度，而非采用传统方法在p型基区掺杂受主杂质Mg；在衬底上利用金属有机化学气相沉积外延生长法(MOCVD)或分子束外延(MBE)的外延生长法以生长出所需的外延层；对光电晶体管采用加工工艺沉积得到n型欧姆接触电极。
由于N原子的电负性(3.04)比Ⅲ族原子(Al：1.61、Ga：1.81、In：1.78)的大很多，成键时N原子能够强烈吸收与之键合的Ⅲ族原子的电子云，使Ⅲ族氮化物共价键同时具有很强的离子性。强的离子性加上低的结构对称性，导致纤锌矿结构的Ⅲ族氮化物即使在没有外界应力影响下也有极化作用，称之为自发极化效应。这一特性也是其它Ⅲ-V族化合物所不具备的特点。当晶格受到应力作用产生形变时，正负离子芯发生偏移，也将产生极化，称之为压电极化效应。
而由于晶格常数a大小不同(晶格常数a:InN>InGaN>GaN>AlGaN>AlN)，当在GaN晶膜上制备AliGa1-iN晶膜，厚度小于临界厚度时(即没有弛豫)，将形成应变异质结，由于GaN的晶格常数a比AliGa1-iN的大，因此后生长的AliGa1-iN材料层就会受到来自GaN的张应力，产生压电极化效应，形成二维电子气，如AliGa1-iN层在纵向上i有一个梯度的渐变，则可形成三维电子气；反之亦然，在AliGa1-iN上制备GaN层，由于AliGa1-iN的晶格常数a比GaN的小，因此后生长的会受到压应力，产生压电极化效应，形成二维空穴气体，如AliGa1-iN层在纵向上i有一个梯度的渐变，则可形成三维空穴气。
此外，一般在蓝宝石衬底上外延制备的GaN晶膜是沿[0001]或者方向上生长，当GaN晶膜的上表面为Ga原子下表面为N原子时，称为Ga面GaN，其自发极化强度Psp沿方向，即从表面指向内部。
利用Ⅲ族氮化物的极化效应，在外延层生长时，用极化掺杂的方法从GaN组分渐变生长到AlGaN，通过调节Al组分从低到高梯度渐变生长，可以得到一个因极化掺杂生长的n型层，即利用压电极化强度P在[0001]方向上的梯度变化而形成的三维电子气，再通过调节生长厚度，可以设计得到所需的电子浓度；而要获得三维空穴气，则需要调节Al组分从高向低梯度渐变生长，使得极化掺杂生长的p型层的压电极化强度P梯度变化的方向与[0001]方向相反，即形成三维空穴气。
本发明通过设计具有适当的生长厚度、Al组分x梯度渐变的AlxGa1-xN层，实现具有目标空穴浓度的极化掺杂p型AlxGa1-xN；并通过对AlGaN基HPT器件结构的整体设计，将此极化掺杂的p型AlxGa1-xN层导入AlGaN基npn型HPT器件中，代替传统的受主Mg掺杂p型基区。这一发明规避了因Mg原子的电离能过高而导致Mg的掺杂效率不高的问题，更为重要的是，消除了在外延层生长时掺杂杂质Mg的扩散与记忆效应对发射结与集电结p-n特性产生的不利影响。即，消除了因Mg的扩散与记忆效应而使得受主掺杂原子Mg在施主掺杂区(发射区与集电区)产生的分布。这种受主Mg的重新，会使施主掺杂的发射区和集电区发生杂质补偿。从而导致(1)受主掺杂区(基区)实际厚度不确定地增大，光电晶体管结构与设计所需不符，载流子注入和渡越基区的效率都无法掌控；(2)发射区和集电区因Mg杂质分布过多而产生集电/基极、发射/基极的pn结失效的问题。因此，本发明采用的极化掺杂p型基区，与传统Mg掺杂p型基区的AlGaN基紫外异质结光电晶体管相比，具有更高的外延结晶质量、更优良的npn结特性、更高的器件设计性能和更可靠的器件工作性能。
由于本发明的p型基区采用从高Al组分向低Al组分的极化掺杂生长方式，考虑到三极管在信号放大过程中电子注入的渡越问题，电子注入渡越基区时也是从高Al组分向低Al组分的方向进行。因此，优选采用集电极上置(Collector-up)的结构，即集电区位于基区的上方。
优选地，所述衬底为双面抛光蓝宝石衬底或AlN衬底；所述缓冲层为低温或者高温生长的AljGa1-jN，其中，Al组分j的取值范围为0.2-1，缓冲层厚度为0.5-3μm。缓冲层用于缓解光电晶体管的晶格和热膨胀系数失配，降低外延层生长的缺陷、应力和位错密度。
进一步优选地，所述欧姆接触层为高温生长的施主重掺杂AlkGa1-kN层，Al组分k≤j，欧姆接触层用作光电晶体管探测器的子发射区，且欧姆接触层的电子浓度为2×1018-5×1018cm-3，厚度为0.5-1.5μm。
进一步优选地，所述施主掺杂AlmGa1-mN层用作光电晶体管探测器的发射区，且m≤j，施主掺杂AlmGa1-mN层的电子浓度为8×1017-3×1018cm-3，厚度为80-200nm。
进一步优选地，所述非故意掺杂AlmGa1-mN层的电子浓度为1×1016-2×1017cm-3，厚度为5-15nm。采用非故意掺杂AlmGa1-mN层的目的在于实现发射区高低掺杂，减小发射结的界面由于能带的不连续而在界面的导带处产生能带尖峰和切口势阱，从而减小电子从发射区注入基区的过程中被势阱捕获而与基区的空穴发生电子-空穴复合，从而产生较大复合电流，影响光电晶体管探测器的增益特性。
优选地，所述AlxGa1-xN梯度渐变层为光电晶体管探测器的基区，采用线性梯度生长，从高Al组分线性梯度生长至低Al组分，AlxGa1-xN梯度渐变层的厚度为50-120nm，对应产生的理论极化掺杂空穴浓度为4.2×1017-4.0×1019cm-3。AlxGa1-xN梯度渐变层采用极化掺杂的方法来提供所需的空穴，并通过设计AlxGa1-xN梯度渐变层的厚度来达到所需的空穴浓度，优选为采用线性梯度生长，而非采用传统方法在GaN中掺杂受主杂质Mg，从而消除Mg原子在掺杂过程中对光电晶体管探测器特性的影响。
优选地，所述AlyGa1-yN层为非故意掺杂的光吸收层，且AlyGa1-yN层用作光电晶体管探测器的集电区，所述AlyGa1-yN层的电子浓度为1×1016-2×1017cm-3，厚度为100-300nm。
优选地，所述AlhGa1-hN层的Al组分呈线性变化，且AlhGa1-hN层的电子浓度为1×1016-1×1017cm-3，厚度为10-100nm。设置Al组分呈线性变化的AlhGa1-hN层用于降低生长时的缺陷、应力和位错，使外延层获得更好的材料质量。
优选地，所述AlzGa1-zN层为施主掺杂的光入射窗口层，且AlzGa1-zN层用作光电晶体管探测器的子集电区，所述AlzGa1-zN层的电子浓度为2×1018-5×1018cm-3，厚度为80-200nm。
一种AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1在AlzGa1-zN层上旋涂一层光刻胶，采用配有光电晶体管探测器图形的光刻版进行光刻显影后，暴露出需要刻蚀的AlzGa1-zN层部分，而其余未显影的光刻胶层作为一次掩膜；
S2使用干法刻蚀技术来刻蚀暴露的外延层，并在刻蚀深度为n型欧姆接触层处形成台阶结构；
S3对干法刻蚀后的光电晶体管在纯氮气氛围保护下进行快速热退火处理及湿法处理，以恢复干法刻蚀在光电晶体管表面形成的损伤；
S4采用真空蒸镀技术将Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pd/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au或Cr/Pd/Au的一种金属层组合沉积在AlzGa1-zN层和n型欧姆接触层的上表面边缘处，以形成环形金属接触；
S5对环形金属接触进行合金化处理，形成n型欧姆接触电极；
S6利用有机溶液、去离子水清洗光电晶体管探测器的表面，再采用等离子增强化学气相沉积法或低压化学气相沉积法在光电晶体管探测器的表面镀制氧化硅或氮化物钝化薄膜，以保护除n型欧姆接触电极以外的光电晶体管探测器表面。
步骤S5的n型欧姆接触电极是通过电子束蒸发、溅射等真空蒸镀技术，将欧姆接触电极的金属层组合沉积在AlzGa1-zN层和n型欧姆接触层的上表面边缘处，再通过合金热处理得到。其中，金属层采用Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pd/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au、或Cr/Pd/Au的一种。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明的AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器利用Ⅲ族氮化物半导体存在的自发极化效应和压电极化效应对p型基区进行极化掺杂以提供所需的空穴，即调节Al组分从高向低梯度渐变生长以形成三维空穴气，从而获得极化掺杂p型AlxGa1-xN梯度渐变层，以代替传统的受主Mg掺杂p型基区，消除受主Mg原子在掺杂过程中的扩散与记忆效应对光电晶体管探测器特性的影响。这种HPT的外延结构和制作方法不仅可避免因重掺杂Mg所导致的AlGaN结晶质量劣化，而且可以提高AlGaN基紫外HPT探测器结构设计的可行度、提升器件性能。
附图说明
图1为本发明所述光电晶体管探测器的结构示意图；
图2为实施例2所述光电晶体管探测器的结构示意图；
图3为实施例3所述光电晶体管探测器的结构示意图；
附图标号说明：101衬底；102缓冲层；103欧姆接触层；104施主掺杂AlmGa1-mN层；105非故意掺杂AlmGa1-mN层；106AlxGa1-xN梯度渐变层；107AlyGa1-yN层；108AlhGa1-hN层；109AlzGa1-zN层；110欧姆接触电极。
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；为了更好的说明所述实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，这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的省略是可以理解的。为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器，如图1所示，为npn型结构，且p型基区采用极化掺杂生长，所述光电晶体管探测器包括衬底101及在衬底101上生长的外延层，所述外延层包括从下至上依次分布的缓冲层102、n型欧姆接触层103、施主掺杂AlmGa1-mN层104、非故意掺杂AlmGa1-mN层105、极化掺杂p型AlxGa1-xN梯度渐变层106、AlyGa1-yN层107、Al/Ga组分渐变的AlhGa1-hN层108、AlzGa1-zN层109及分布于欧姆接触层103和AlzGa1-zN层109上的n型欧姆接触电极110，其中Al组分x的起始值≤m-0.1，终止值为y；m-0.4≤y≤m-0.2；h起始值为y、终止值为z；y+0.1≤z≤y+0.2。
本发明利用Ⅲ族氮化物的极化效应，在外延层生长时，通过调节AlxGa1-xN的Al组分从高向低梯度渐变，使得AlxGa1-xN层中压电极化强度P的梯度变化方向与[0001]方向相反，形成具有三维空穴气的p型AlxGa1-xN层；而通过设计适当的生长厚度可得到需要的空穴浓度，以代替传统的采用受主掺杂Mg的p型基区层。本发明规避了因Mg原子的电离能过高而导致Mg的掺杂效率不高的问题；更为重要的是，消除了在外延层生长时Mg的扩散与记忆效应对集电结与发射结p-n特性产生的不利影响。，通过本发明，可以使AlGaN基紫外异质结光电晶体管具有更高的结晶质量，器件设计性能更符合要求、器件工作性能更可靠，同时光电增益也因基区没有Mg杂质散射而提高。
由于本发明的p型基区采用从高Al组分向低Al组分的极化掺杂生长方式，考虑到三极管在信号放大过程中电子注入的渡越问题，电子注入渡越基区时也是从高Al组分向低Al组分的方向进行，因此，优选采用集电极上置(Collector-up)的结构，即集电区位于基区的上方。
其中，所述衬底101为双面抛光蓝宝石衬底或AlN衬底；所述缓冲层102为低温或者高温生长的AljGa1-jN，其中，Al组分j的取值范围为0.2-1，缓冲层102厚度为0.5-3μm。缓冲层102用于缓解光电晶体管的晶格和热膨胀系数失配，降低外延层生长的缺陷、应力和位错密度。
具体地，所述欧姆接触层103为高温生长的施主重掺杂AlkGa1-kN层，Al组分k≤j，欧姆接触层103用作光电晶体管探测器的子发射区，且欧姆接触层103的电子浓度为2×1018-5×1018cm-3，厚度为0.5-1.5μm。重掺杂指的是掺入半导体材料中的杂质量比较多。
具体地，所述施主掺杂AlmGa1-mN层104用作光电晶体管探测器的发射区，且m≤j，施主掺杂AlmGa1-mN层104的电子浓度为8×1017-3×1018cm-3，厚度为80-200nm。
具体地，所述非故意掺杂AlmGa1-mN层105的电子浓度为1×1016-2×1017cm-3，厚度为5-15nm。采用非故意掺杂AlmGa1-mN层105的目的在于实现发射区高低掺杂，减小发射结的界面由于能带的不连续而在界面的导带处产生能带尖峰和切口势阱，从而减小电子从发射区注入基区的过程中被势阱捕获而与基区的空穴发生电子-空穴复合，从而产生较大复合电流，影响光电晶体管探测器的增益特性。
其中，所述AlxGa1-xN梯度渐变层106为光电晶体管探测器的基区，采用线性梯度生长，从高Al组分线性梯度生长至低Al组分，AlxGa1-xN梯度渐变层106的厚度为50-120nm，对应产生的理论极化掺杂空穴浓度为4.2×1017-4.0×1019cm-3。AlxGa1-xN梯度渐变层106采用极化掺杂的方法来提供所需的空穴，并通过设计AlxGa1-xN梯度渐变层106的厚度来达到所需的空穴浓度，优选为采用线性梯度生长，而非采用传统方法在GaN中掺杂受主杂质Mg，从而消除Mg原子在掺杂过程中对光电晶体管探测器特性的影响。
其中，所述AlyGa1-yN层107为非故意掺杂的光吸收层，且AlyGa1-yN层107用作光电晶体管探测器的集电区，所述AlyGa1-yN层107的电子浓度为1×1016-2×1017cm-3，厚度为100-300nm。
其中，所述AlhGa1-hN层108的Al组分呈线性变化，且AlhGa1-hN层108的电子浓度为1×1016-1×1017cm-3，厚度为10-100nm。设置Al组分呈线性变化的AlhGa1-hN层108用于降低生长时的缺陷、应力和位错，使外延层获得更好的材料质量。
其中，所述AlzGa1-zN层109为施主掺杂的光入射窗口层，且AlzGa1-zN层109用作光电晶体管探测器的子集电区，所述AlzGa1-zN层109的电子浓度为2×1018-5×1018cm-3，厚度为80-200nm。
一种AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1在AlzGa1-zN层109上旋涂一层光刻胶，采用配有光电晶体管探测器图形的光刻版进行光刻显影后，暴露出需要刻蚀的AlzGa1-zN层109部分，而其余未显影的光刻胶层作为一次掩膜；
S2使用干法刻蚀技术来刻蚀暴露的外延层，并在刻蚀深度为n型欧姆接触层103处形成台阶结构；
S3对干法刻蚀后的光电晶体管在纯氮气氛围保护下进行快速热退火处理及湿法处理，以恢复干法刻蚀在光电晶体管表面形成的损伤；
S4采用真空蒸镀技术将Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pd/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au或Cr/Pd/Au的一种金属层组合沉积在AlzGa1-zN层109和n型欧姆接触层103的上表面边缘处，以形成环形金属接触；
S5对环形金属接触进行合金化处理，形成n型欧姆接触电极110；
S6利用有机溶液、去离子水清洗光电晶体管探测器的表面，再采用等离子增强化学气相沉积法或低压化学气相沉积法在光电晶体管探测器的表面镀制氧化硅或氮化物钝化薄膜，以保护除n型欧姆接触电极110以外的光电晶体管探测器表面。
步骤S5的n型欧姆接触电极110是通过电子束蒸发、溅射等真空蒸镀技术，将n型欧姆接触电极110的金属层组合沉积在AlzGa1-zN层和n型欧姆接触层103的上表面边缘处，再通过合金热处理得到。其中，金属层采用Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pd/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au、或Cr/Pd/Au的一种。
实施例2
本实施例所述的一种AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器，如图2所示，采用npn型结构，且p型基区采用极化掺杂生长来提供需要的载流子(空穴)，所述光电晶体管探测器包括c面蓝宝石衬底及外延层，所述外延层的结构包括厚度为0.5μm的AlN缓冲层；厚度为1μm的施主重掺杂n型Al0.6Ga0.4N欧姆接触层，电子浓度为3.5×1018cm-3；厚度为100nm的施主掺杂Al0.4Ga0.6N层，电子浓度为1×1018cm-3；厚度为10nm非故意掺杂Al0.4Ga0.6N层；厚度为100nm极化掺杂AlxGa1-xN梯度渐变层，Al组分采用线性梯度生长，从高Al组分线性梯度生长至低Al组分，Al组分x＝0.3～0，其共格生长条件下的测算空穴浓度为5.4×1018cm-3；厚度为150nm的非故意掺杂GaN层；厚度为50nm的Al/Ga合金组分渐变AlhGa1-hN层，其Al组分h＝0～0.1，电子浓度为5×1016cm-3；厚度为100nm的施主掺杂Al0.1Ga0.9N层，电子浓度为3×1018cm-3；利用电子束蒸发技术在施主重掺杂n型Al0.6Ga0.4N欧姆接触层和施主掺杂Al0.1Ga0.9N层上沉积Ti/Al/Ni/Au金属层后，进行合金处理得到n型欧姆接触电极。
所述光电晶体管探测器为AlGaN基可见光盲紫外光电探测器，器件为集电极上置的结构，采用正入射的形式。采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)的外延生长方法生长AlGaN基可见光盲紫外异质结光电晶体管。
所述AlGaN基可见光盲紫外异质结光电晶体管探测器的制备方法如下：
S1在施主掺杂Al0.1Ga0.9N层上旋涂一层光刻胶，采用配有光电晶体管探测器图形的光刻版进行光刻显影后，暴露出需要刻蚀施主掺杂Al0.1Ga0.9N层部分，而其余未显影的光刻胶层作为一次掩膜；
S2使用干法刻蚀技术来刻蚀暴露的外延层，并在刻蚀深度为施主重掺杂n型Al0.6Ga0.4N欧姆接触层处，形成台阶结构；
S3对干法刻蚀后的光电晶体管在纯氮气氛围保护下进行快速热退火处理及湿法处理，以恢复干法刻蚀在光电晶体管表面形成的损伤；
S4采用真空蒸镀技术将Ti/Al/Ni/Au金属层组合沉积在施主掺杂Al0.1Ga0.9N层和施主重掺杂n型Al0.6Ga0.4N欧姆接触层的上表面边缘处，以形成环形金属接触；
S5对环形金属接触进行合金化处理，形成n型欧姆接触电极。
S6利用有机溶液、去离子水清洗光电晶体管探测器的表面，再采用等离子增强化学气相沉积法或低压化学气相沉积法在光电晶体管探测器的表面镀制氧化硅或氮化物钝化薄膜，以保护除n型欧姆接触电极以外的光电晶体管探测器表面。
实施例3
本实施例所述光电晶体管探测器为AlGaN基日盲紫外异质结光电晶体管，其制备方法与实施例1基本一致，其区别在于，如图3所示，所述外延层的结构包括厚度为0.5μm的AlN缓冲层；厚度为1μm的施主重掺杂n型Al0.75Ga0.25N欧姆接触层，电子浓度为3.5×1018cm-3；厚度为100nm的施主掺杂Al0.7Ga0.3N层，电子浓度为1×1018cm-3；厚度为10nm非故意掺杂Al0.7Ga0.3N层；厚度为100nm极化掺杂AlxGa1-xN梯度渐变层，Al组分采用线性梯度生长，从高Al组分线性梯度生长至低Al组分，Al组分x＝0.7～0.4，其共格生长条件下的测算空穴浓度为3.6×1018cm-3；厚度为150nm的非故意掺杂Al0.4Ga0.6N层；厚度为50nm的Al/Ga合金组分渐变AlhGa1-hN层，其Al组分h＝0.4～0.5，电子浓度为5×1016cm-3；厚度为100nm的施主掺杂Al0.5Ga0.5N层，电子浓度为3×1018cm-3；利用电子束蒸发技术在施主重掺杂n型Al0.75Ga0.25N欧姆接触层和施主掺杂Al0.5Ga0.5N层上沉积Ti/Al/Ni/Au金属层后，进行合金处理得到n型欧姆接触电极。
所述光电晶体管探测器为AlGaN基日盲紫外光电探测器，器件为集电极上置的结构，可采用正入射或背入射的形式。采用背入射方式时，c面蓝宝石衬底为双面抛光衬底。
本发明的上述实施例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AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器，其特征在于，为npn型结构，且p型基区采用极化掺杂生长，所述光电晶体管探测器包括衬底(101)及在衬底(101)上生长的外延层，所述外延层包括从下至上依次分布的缓冲层(102)、n型欧姆接触层(103)、施主掺杂AlmGa1-mN层(104)、非故意掺杂AlmGa1-mN层(105)、极化掺杂p型AlxGa1-xN梯度渐变层(106)、AlyGa1-yN层(107)、Al/Ga组分渐变的AlhGa1-hN层(108)、AlzGa1-zN层(109)及分布于欧姆接触层(103)和AlzGa1-zN层(109)上的n型欧姆接触电极(110)，其中Al组分x的起始值≤m-0.1，终止值为y；m-0.4≤y≤m-0.2；h起始值为y、终止值为z；y+0.1≤z≤y+0.2。
2.根据权利要求1所述AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器，其特征在于，所述衬底(101)为双面抛光蓝宝石衬底或AlN衬底；所述缓冲层(102)为低温或者高温生长的AljGa1- jN，其中，Al组分j的取值范围为0.2-1，缓冲层(102)厚度为0.5-3μm。
3.根据权利要求2所述AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器，其特征在于，所述欧姆接触层(103)为高温生长的施主重掺杂AlkGa1-kN层，Al组分k≤j，欧姆接触层(103)用作光电晶体管探测器的子发射区，且欧姆接触层(103)的电子浓度为2×1018-5×1018cm-3，厚度为0.5-1.5μm。
4.根据权利要求2或3所述AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器，其特征在于，所述施主掺杂AlmGa1-mN层(104)用作光电晶体管探测器的发射区，且m≤j，施主掺杂AlmGa1-mN层(104)的电子浓度为8×1017-3×1018cm-3，厚度为80-200nm。
5.根据权利要求4所述AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器，其特征在于，所述非故意掺杂AlmGa1-mN层(105)的电子浓度为1×1016-2×1017cm-3，厚度为5-15nm。
6.根据权利要求1所述AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器，其特征在于，所述AlxGa1-xN梯度渐变层(106)为光电晶体管探测器的基区，采用线性梯度生长，从高Al组分线性梯度生长至低Al组分，AlxGa1-xN梯度渐变层(106)的厚度为50-120nm，对应产生的理论极化掺杂空穴浓度为4.2×1017-4.0×1019cm-3。
7.根据权利要求1所述AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器，其特征在于，所述AlyGa1-yN层(107)为非故意掺杂的光吸收层，且AlyGa1-yN层(107)用作光电晶体管探测器的集电区，所述AlyGa1-yN层(107)的电子浓度为1×1016-2×1017cm-3，厚度为100-300nm。
8.根据权利要求1所述AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器，其特征在于，所述AlhGa1-hN层(108)的Al组分呈线性变化，且AlhGa1-hN层(108)的电子浓度为1×1016-1×1017cm-3，厚度为10-100nm。
9.根据权利要求1所述AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器，其特征在于，所述AlzGa1-zN层(109)为施主掺杂的光入射窗口层，且AlzGa1-zN层(109)用作光电晶体管探测器的子集电区，所述AlzGa1-zN层(109)的电子浓度为2×1018-5×1018cm-3，厚度为80-200nm。
10.一种权利要求1-9任一项所述AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1在AlzGa1-zN层(109)上旋涂一层光刻胶，采用配有光电晶体管探测器图形的光刻版对所述光刻胶进行光刻显影后，暴露出需要刻蚀的AlzGa1-zN层(109)部分，而其余未显影的光刻胶层作为一次掩膜；
S2使用干法刻蚀技术来刻蚀暴露的外延层，并在刻蚀深度为n型欧姆接触层(103)处形成台阶结构；
S3对干法刻蚀后的光电晶体管在纯氮气氛围保护下进行快速热退火处理及湿法处理，以恢复干法刻蚀在光电晶体管表面形成的损伤；
S4采用真空蒸镀技术将Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pd/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au或Cr/Pd/Au的一种金属层组合沉积在AlzGa1-zN层(109)和n型欧姆接触层(103)的上表面边缘处，以形成环形金属接触；
S5对金属组合层进行合金化处理，形成n型欧姆接触电极(110)；
S6利用有机溶液、去离子水清洗光电晶体管探测器的表面，再采用等离子增强化学气相沉积法或低压化学气相沉积法在光电晶体管探测器的表面镀制氧化硅或氮化物钝化薄膜，以保护除n型欧姆接触电极(110)以外的光电晶体管探测器表面。
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