CN109301027A - 基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器及其制备方法 - Google Patents

基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器及其制备方法，所述制备方法包括：在衬底上生长成核层；在所述成核层上生长非极性GaN缓冲层；在所述非极性GaN缓冲层上生长非极性GaN沟道层；在所述非极性GaN沟道层上生长插入层；在所述插入层上生长非极性InAlN势垒层；依次对所述非极性InAlN势垒层、所述插入层、所述非极性GaN沟道层进行刻蚀，然后在所述非极性GaN沟道层上制备阴阳电极，最终完成所述辐照探测器的制备。通过这种制备方法，可以得到一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器，该类型探测器利用III族氮化物异质结构沟道内二维电子气高迁移率和高限域性的特点，具有很高的灵敏度和探测效率。

Description

基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器及其制备方法。
背景技术
脉冲星导航作为一种新兴的自主导航技术，无需地面设备支持，同时具有定位精度高、抗干扰能力强等优势，在空间科学领域发挥着至关重要的作用，已经成为各航天强国争相发展的尖端技术。实用化的脉冲星导航探测系统十分复杂，因此对匹配的辐照射线探测器的探测速度、灵敏度、精度、稳定性等提出了更高的要求，基于半导体材料的辐照射线探测器因为具有体积小、能量分辨率高、能量响应好、线性范围大、脉冲响应快等优势而得到了广泛关注。然而，基于Si、Ge等传统半导体材料的辐照射线探测器在抗辐照特性、快脉冲时间响应特性、稳定性等方面具有很大的局限性，探索新型半导体材料在辐照射线探测领域的应用成为必然趋势。氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的杰出代表，在辐照射线探测领域具有巨大的应用潜力。一方面，GaN具有直接带隙、禁带宽度大、击穿电场强度高、载流子迁移率高、材料稳定性好等突出优势，是非常理想的抗辐照和快响应辐射探测材料。另一方面，GaN基电子器件研究的飞速发展为GaN基辐照射线探测器的电学集成提供了新的发展契机。
目前GaN基辐照射线探测器的研究仍旧很不成熟，面临的主要问题有：1.单纯GaN体材料对于辐照射线波段光子吸收率低，探测器灵敏度依赖器件尺寸；2.氮化物体材料中载流子迁移率较低，大大限制探测灵敏度及探测效率；3.背景载流子过高使得探测器暗电流较大，器件信噪比难以满足需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的一个实施例提供了一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器的制备方法，包括：
在衬底上生长成核层；
在所述成核层上生长非极性GaN缓冲层；
在所述非极性GaN缓冲层上生长非极性GaN沟道层；
在所述非极性GaN沟道层上生长插入层；
在所述插入层上生长非极性InAlN势垒层；
依次对所述非极性InAlN势垒层、所述插入层、所述非极性GaN沟道层进行刻蚀，然后在所述非极性GaN沟道层上制备阴阳电极，最终完成所述辐照探测器的制备。
在本发明的一个实施例中，所述衬底材料为r面蓝宝石、m面SiC或(111)面Si。
在本发明的一个实施例中，依次对所述非极性InAlN势垒层、所述插入层、所述非极性GaN沟道层进行刻蚀，然后在所述非极性GaN沟道层上制备阴阳电极，之后还包括：
在所述阴阳电极以及所述非极性InAlN势垒层上生长保护层；
在所述保护层上制备金属互联层和辐照开孔区。
在本发明的一个实施例中，所述成核层为AIN成核层。
在本发明的一个实施例中，在所述成核层上生长非极性GaN缓冲层；包括：
在1050℃～1100℃的温度，5Torr～10Torr的压强下，采用低压MOCVD工艺，以三甲基镓作为Ga源，以氨气作为N源，在所述成核层上生长非极性GaN缓冲层，生长时间为50min～70min。
在本发明的一个实施例中，在所述非极性GaN缓冲层上生长非极性GaN沟道层；包括：
在1050℃～1100℃的温度，5Torr～10Torr的压强下，采用低压MOCVD工艺，以三甲基镓作为Ga源，以氨气作为N源，在所述非极性GaN缓冲层上生长非极性GaN沟道层，生长时间为30min～50min。
在本发明的一个实施例中，在所述插入层上生长非极性InAlN势垒层；包括：
在700℃～750℃的温度，180Tor～220Torr的压强下，采用低压MOCVD工艺，以三甲基铝作为Al源，以三甲基铟作为In源，以氨气作为N源，在所述插入层上生长非极性InAlN势垒层，生长时间为3min～6min。
在本发明的一个实施例中，所述非极性InAlN势垒层中Al的含量为80％～85％。
在本发明的一个实施例中，依次对所述非极性InAlN势垒层、所述插入层、所述非极性GaN沟道层进行刻蚀，然后在所述非极性GaN沟道层上制备阴阳电极，包括：
在所述非极性InAlN势垒层上光刻第一电极孔区和第二电极孔区；
分别刻蚀所述第一电极孔区以及所述第二电极孔区以下的所述非极性InAlN势垒层、所述插入层直到所述非极性GaN沟道层，形成第一接触电极孔和第二接触电极孔；
分别填充所述第一接触电极孔和所述第二接触电极孔形成阴阳电极。
本发明的另一个实施例提供了一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器，所述辐照探测器由上述实施例中任一所述的方法制备形成；
所述辐照探测器包括：衬底层、成核层、GaN缓冲层、非极性GaN沟道层、插入层、非极性InAlN势垒层、阴电极、阳电极、保护层、金属互联层；
所述金属互联层、所述保护层、所述非极性InAlN势垒层、所述插入层、所述非极性GaN沟道层、所述非极性GaN缓冲层、所述成核层自上而下依次位于所述衬底层上；
所述阴电极和所述阳电极相对设置于所述非极性GaN沟道层上。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明制备的辐照探测器基于非极性InAlN/GaN异质结构，势垒层和沟道层中自发极化方向均平行于异质结构界面，在界面沟道处的自发极化强度差趋于零；另一方面，通过对InAlN势垒层组份的调整，非极性InAlN/GaN异质结构界面处能够实现面内晶格匹配，界面处压电极化强度同样趋近于零；因此，非极性InAlN/GaN异质结构能够通过对自发极化及压电极化的调制，抑制沟道内高密度极化电荷的产生，从而抑制探测器在非辐照条件下的暗电流大小，提高器件的信噪比；
2.本发明制备的辐照探测器中非极性InAlN势垒层中的高Al组份能够使异质结构在保证沟道内本征二维电子气浓度较低的基础上，保持势垒层与沟道层之间较大的能带带阶，当辐照能量进入器件，载流子在沟道内的深二维势阱中获得恢复，输运特性遵循准二维特性，具有很高的迁移率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器的截面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器的叉指状阴阳电极结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一：
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器的制备方法的流程示意图，该方法包括如下步骤：
步骤a：在衬底上生长成核层；
步骤b：在所述成核层上生长非极性GaN缓冲层；
步骤c：在所述非极性GaN缓冲层上生长非极性GaN沟道层；
步骤d：在所述非极性GaN沟道层上生长插入层；
步骤e：在所述插入层上生长非极性InAlN势垒层；
步骤f：依次对所述非极性InAlN势垒层、所述插入层、所述非极性GaN沟道层进行刻蚀，然后在所述非极性GaN沟道层上制备阴阳电极，最终完成所述辐照探测器的制备。
在一个具体实施例中，所述衬底材料为r面蓝宝石、m面SiC或(111)面Si。
在一个具体实施例中，依次对所述非极性InAlN势垒层、所述插入层、所述非极性GaN沟道层进行刻蚀，然后在所述非极性GaN沟道层上制备阴阳电极，之后还包括：
步骤f1：在所述阴阳电极以及所述非极性InAlN势垒层上生长保护层；
步骤f2：在所述保护层上制备金属互联层和辐照开孔区。
在一个具体实施例中，所述成核层为AIN成核层。
在一个具体实施例中，步骤b可以包括：
在1050℃～1100℃的温度，5Torr～10Torr的压强下，采用低压MOCVD工艺，以三甲基镓作为Ga源，以氨气作为N源，在所述成核层上生长非极性GaN缓冲层，生长时间为50min～70min。
在一个具体实施例中，步骤c包括：
在1050℃～1100℃的温度，5Torr～10Torr的压强下，采用低压MOCVD工艺，以三甲基镓作为Ga源，以氨气作为N源，在所述非极性GaN缓冲层上生长非极性GaN沟道层，生长时间为30min～50min。
在一个具体实施例中，步骤e可以包括：
在700℃～750℃的温度，180Tor～220Torr的压强下，采用低压MOCVD工艺，以三甲基铝作为Al源，以三甲基铟作为In源，以氨气作为N源，在所述插入层上生长非极性InAlN势垒层，生长时间为3min～6min。
在一个具体实施例中，所述非极性InAlN势垒层中Al的含量为80％～85％。
优选地，所述非极性InAlN势垒层中Al的含量为82％。
在一个具体实施例中，依次对所述非极性InAlN势垒层、所述插入层、所述非极性GaN沟道层进行刻蚀，然后在所述非极性GaN沟道层上制备阴阳电极，包括：
步骤f1：在所述非极性InAlN势垒层上光刻第一电极孔区和第二电极孔区；
步骤f2：分别刻蚀所述第一电极孔区以及所述第二电极孔区以下的所述非极性InAlN势垒层、所述插入层直到所述非极性GaN沟道层，形成第一接触电极孔和第二接触电极孔；
步骤f3：分别填充所述第一接触电极孔和所述第二接触电极孔形成阴阳电极。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器的截面结构示意图。该辐照探测器包括：衬底层1、成核层2、非极性GaN缓冲层3、非极性GaN沟道层4、插入层5、非极性InAlN势垒层6、阴电极7、阳电极8、保护层9、金属互联层10；所述金属互联层10、所述保护层9、所述非极性InAlN势垒层6、所述插入层5、所述非极性GaN沟道层4、所述非极性GaN缓冲层3、所述成核层2自上而下依次位于所述衬底层1上；所述阴电极7和所述阳电极8相对设置于所述非极性GaN沟道层4上。
本发明实施例，可以通过低压MOCVD工艺形成非极性InAlN/GaN异质结构，对于III族氮化物的异质结构，其沟道内的载流子由于能带势阱的限制作用，其输运特性遵循准二维的规律，因而具有非常高的迁移率，从而增强了辐照探测器的探测灵敏度以及探测效率。
实施例二：
本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的辐照探测器的制备方法进行详细描述。
步骤1：选取绝缘r面蓝宝石衬底，采用低压金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)工艺对绝缘蓝宝石衬底进行高温氮化处理。
将蓝宝石放置在石墨基座上方，保证衬底正常漂浮，随后将石墨基座放置在MOCVD反应室内，保证石墨基座能够正常自传和公转。打开反应室真空泵对反应室进行抽真空处理，使MOCVD反应室的真空度低于1×10-2Torr。将高纯氨气和氢气的混合气体通入反应室内，同时MOCVD反应室真空泵继续工作，保证反应室内持续有40Torr的高纯氨气氛围。通过射频源对石墨基座进行加热，使7min内石墨基座温度升高至920℃，并保持该温度5min。高温氮化过程不仅可以消除蓝宝石衬底表面悬挂键等不利因素，同时能够将蓝宝石衬底表面的Al原子进行氮化形成AlN预反应层，为后续反应提供良好的基板。
需要说明的是，悬挂键是指晶体因晶格在表面处突然终止，在表面的最外层的每个原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键；悬挂键会影响原子之间的成键结合，容易形成错位。
步骤2：采用低压MOCVD工艺，在蓝宝石衬底上生长低温AlN成核层。
控制石墨基座温度使其逐步降低至620℃，以氢气为载气，带入三甲基铝作为Al源，同时通入氨气作为N源，并保持反应室内压强为40Torr的动态平衡。其中，氢气流量为800sccm，氨气流量为1500sccm，三甲基铝流量为6sccm。其中，低温AlN成核层的生长时间为5min，厚度为30nm。
低温生长条件能够促进AlN的成核，同时有效缓解蓝宝石衬底与外延材料之间的应力。
步骤3：采用低压MOCVD工艺，在低温AlN成核层上生长高温AlN成核层。
控制石墨基座温度使其逐渐升高至1070℃，以氢气为载气，带入三甲基铝作为Al源，同时通入氨气作为N源，并保持反应室内压强为40Torr的动态平衡。其中，氢气流量为800sccm，氨气流量为3000sccm，三甲基铝流量为12sccm。其中，高温AlN成核层的生长时间为20min，厚度为200nm。
高温AlN成核层能够提升AlN的横向生长速率，为后续二维生长做好准备。
步骤4：采用低压MOCVD工艺，在高温AlN成核层上生长非极性GaN缓冲层。
控制石墨基座温度使其逐渐降低至1050℃～1100℃，以氢气为载气，带入三甲基镓作为Ga源，同时通入氨气作为N源，并保持反应室内压强为5Torr～10Torr的动态平衡。其中，氢气流量为720sccm～880sccm，氨气流量为900sccm～1100sccm，三甲基镓流量为90sccm～110sccm。其中，非极性GaN缓冲层的生长时间为60min，厚度为1500nm。
为提升材料结晶质量，生长非极性GaN缓冲层需要保持较高的生长温度、较低的氨气/三甲基镓摩尔流量比和较低的反应室压强。
优选地，石墨基座的温度为1000℃；氢气流量为800sccm；氨气流量为1000sccm；三甲基镓流量为100sccm；反应室内压强为10Torr。
步骤5：采用低压MOCVD工艺，在非极性GaN缓冲层上生长非极性GaN沟道层。
维持石墨基座温度为1000℃、反应室压强为10Torr，将氢气流量降低为80sccm，氨气流量降低为100sccm，三甲基镓流量为10sccm。其中，非极性GaN沟道层的生长时间为40min，厚度为200nm。
步骤6：采用低压MOCVD工艺，在非极性GaN沟道层上生长AlN插入层。
控制石墨基座温度和反应室压强使其保持稳定，以氢气为载气，带入三甲基铝作为Al源，同时通入氨气作为N源，其中，氢气流量为200sccm，氨气流量为100sccm，三甲基铝流量为5sccm。其中，AlN插入层的生长时间为0.5min，厚度为2nm。
需要说明的是，采用AlN作为插入层具有多个方面优势；第一，AlN的禁带宽度更大，利用AlN禁带宽度大的优势能够对异质结能带结构实现调制，显著的提升势垒与沟道之间的带阶高度，增大势阱深度，从而提高沟道内二维电子气的限域性；第二，AlN插入层能够在势垒层和沟道层之间形成有效的隔挡，抑制二维电子气的波函数扩散进入势垒层，从而抑制三元势垒材料中的合金无序散射对二维电子气输运的不利影响；第三，当势垒层与沟道层的生长条件不同时，条件转换过程会造成反应室内气流不均、温度不稳定等影响，AlN插入层可以起到生长条件转换的过渡作用，有效的消除生长条件突变对异质结特性的不利影响；第四，AlN插入层很大程度上可以起到平滑界面形貌，抑制界面粗糙度散射的作用。
步骤7：采用低压MOCVD工艺，在AlN插入层上生长非极性InAlN势垒层，完成外延材料的生长。
需要说明的是，外延材料指的是制备辐照探测器时，在蓝宝石衬底上生长的AlN成核层、非极性GaN缓冲层、非极性GaN沟道层、AlN插入层、非极性InAlN势垒层。
控制石墨基座温度使其逐渐降低至720℃，以氢气为载气，带入三甲基铝作为Al源，以氮气为载气，带入三甲基铟作为In源，同时通入氨气作为N源，并保持反应室内压强200Torr动态平衡。其中，氢气流量为800sccm，氨气流量为1000sccm，三甲基铝流量为12sccm，三甲基铟流量为80sccm。其中，非极性InAlN势垒层的生长时间为5min，厚度为12nm，铝组份为82％。由于铟原子与氮原子之间的结合能较低，因此生长非极性InAlN时应当保持反应腔内的富铟环境。
步骤8：在外延材料上制备有源区的电学隔离。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离工艺在非极性InAlN势垒层上光刻电隔离区域，随后对样品进行超纯水冲洗和氮气吹干，并将样品放在110℃的热板上烘烤2min。利用ICP(感应耦合等离子体刻蚀)工艺刻蚀电隔离区内的非极性InAlN势垒层、AlN插入层、非极性GaN沟道层和非极性GaN缓冲层，刻蚀深度为500nm。
然后将样品依次放入丙酮溶液、乙醇溶液中进行清洗，以移除电隔离区外的光刻胶，再用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
需要说明的是，有源区指的是电学隔离刻蚀槽内部的器件区域。
需要说明的是，由于实际实验中，一个蓝宝石衬底上会形成多个辐照探测器，为了使辐照探测器之间互不干扰，需要通过电隔离区将其隔离。
步骤9：在电隔离区内的外延材料上刻蚀形成第一接触电极孔和第二接触电极孔。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离工艺在电隔离区内的非极性InAlN势垒层上光刻第一电极孔区和第二电极孔区，并对样品进行超纯水冲洗和氮气吹干，并将样品放在110℃的热板上烘烤2min。利用ICP(感应耦合等离子体刻蚀)工艺分别刻蚀第一电极孔区和第二电极孔区的非极性InAlN势垒层、AlN插入层和少量非极性GaN沟道层，形成第一接触电极孔和第二接触电极孔，刻蚀深度为30nm。
步骤10：分别填充第一接触电极孔和第二接触电极孔形成阴阳电极。
分别在第一接触电极孔内和第二接触电极内部以及外部的光刻胶上蒸发肖特基金属形成阴阳电极。肖特基金属是自下而上依次由Ni和Au两层金属组成的金属堆栈结构，其中，Ni的厚度为Au的厚度为
在一个具体实施例中，利用叉指状阴阳电极来增加接触电极的吸收收集效率，请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器的叉指状阴阳电极结构示意图；图中，叉指状电极宽度为10μm，指间距为10μm，电极总面积为900×950μm2。将形成阴阳电极的样品放入丙酮中进行超声处理，超声时间设定为10min，以去除光刻胶，之后将样品放入NMP(N-甲基吡咯烷酮)溶液中超声去除剥离胶，再用异丙醇、超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
步骤11：采用PECVD工艺，在非极性InAlN势垒层和阴阳电极上制备SiN保护层；
对完成阴阳电极制备的样品进行表面清洗，并利用PECVD工艺生长厚度为5nm的SiN保护层，其生长的工艺条件为：采用NH3和SiH4作为反应气体，反应温度为300℃，反应腔室压力为600mTorr，RF(射频)功率为30W。SiN保护层厚度较薄，避免影响器件接受辐照效率。
需要说明的是，SiN层作为介质层用来保护制备的辐照探测器不受外界条件的影响，同时SiN保护层对于减小辐照探测器漏电、抑制电流崩塌效应具有一定的效果。
步骤12：在SiN保护层上制备金属互联层和辐照开孔区。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离、刻蚀等工艺在SiN保护层上制备金属互联开孔区，然后利用电子束蒸发工艺在金属互联开孔区上淀积互联金属，形成金属互联层。
该金属互联层是自下向上依次由Ti和Au两层金属组成的金属堆栈结构，以引出电极。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离、刻蚀等工艺在SiN保护层上制备辐照吸收开孔区。
需要说明的是，辐照开孔区能够保证辐照探测器最大限度的接收到外界辐照，提升器件的探测效率和探测灵敏度。
步骤13：清洗，完成辐照探测器的制备。
将完成金属互联层的样品放入丙酮中进行超声处理，超声时间为10min，以去除金属互联层外的金属和光刻胶，之后将样品放入NMP(N-甲基吡咯烷酮)溶液中超声去除剥离胶，再用异丙醇、超纯水冲洗样品并用氮气吹干，完成辐照探测器的制备。
实施例三
本发明实施例提供了另一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器的制备方法。包括以下步骤：
步骤200：选取m面SiC衬底，采用低压MOCVD工艺对m面SiC衬底进行高温氮化处理。
将SiC衬底放置在石墨基座上方，保证衬底正常漂浮，随后将石墨基座放置在MOCVD反应室内，保证基座能够正常自传和公转。打开反应室真空泵对反应室进行抽真空处理，使MOCVD反应室的真空度低于1×10-2Torr。将高纯氨气和氢气的混合气体通入MOCVD反应室内，同时MOCVD反应室真空泵继续工作，保证MOCVD反应室内持续有40Torr的高纯氨气氛围。通过射频源对石墨基座进行加热，使7min内石墨基座温度升高至920℃，并保持该温度5min。高温氮化过程可以消除半绝缘SiC衬底表面悬挂键等不利因素，为后续反应提供良好的基板。
需要说明的是，悬挂键是指晶体因晶格在表面处突然终止，在表面的最外层的每个原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键；悬挂键会影响原子之间的成键结合，容易形成错位。
步骤201：采用低压MOCVD工艺，在SiC衬底上生长高温AlN成核层。
由于SiC衬底与外延结构晶格失配较小，故氮化完成后直接生长高温AlN成核层以提高外延材料横向生长速率。控制石墨基座温度使其逐渐升高至1070℃，以氢气为载气，带入三甲基铝作为Al源，同时通入氨气作为N源，并保持反应室内压强为40Torr的动态平衡。其中，氢气流量为800sccm，氨气流量为3000sccm，三甲基铝流量为12sccm。其中，高温AlN成核层的生长时间为20min，厚度为200nm。
步骤202：采用低压MOCVD工艺，在高温AlN成核层上生长非极性GaN缓冲层。
控制石墨基座温度使其逐渐降低至1050℃～1100℃，以氢气为载气，带入三甲基镓作为Ga源，同时通入氨气作为N源，并保持反应室内压强为5Torr～10Torr的动态平衡。其中，氢气流量为720sccm～880sccm，氨气流量为900sccm～1100sccm，三甲基镓流量为90sccm～110sccm。其中，非极性GaN缓冲层的生长时间为60min，厚度为1500nm。
为提升材料结晶质量，生长非极性GaN缓冲层需要保持较高的生长温度、较低的氨气/三甲基镓摩尔流量比和较低的反应室压强。
优选地，石墨基座的温度为1000℃；氢气流量为800sccm；氨气流量为1000sccm；三甲基镓流量为100sccm；反应室内压强为10Torr。
步骤203：采用低压MOCVD工艺，在非极性GaN缓冲层上生长非极性GaN沟道层。
维持石墨基座温度为1000℃、反应室压强为10Torr，将氢气流量降低为80sccm，氨气流量降低为100sccm，三甲基镓流量为10sccm。其中，非极性GaN沟道层的生长时间为40min，厚度为200nm。
步骤204：采用低压MOCVD工艺，在非极性GaN沟道层上生长AlN插入层。
控制石墨基座温度和反应室压强使其保持稳定，以氢气为载气，带入三甲基铝作为Al源，同时通入氨气作为N源，其中，氢气流量为200sccm，氨气流量为100sccm，三甲基铝流量为5sccm。其中，AlN插入层的生长时间为0.5min，厚度为2nm。
需要说明的是，采用AlN作为插入层具有多个方面优势；第一，AlN的禁带宽度更大，利用AlN禁带宽度大的优势能够对异质结能带结构实现调制，显著的提升势垒与沟道之间的带阶高度，增大势阱深度，从而提高沟道内二维电子气的限域性；第二，AlN插入层能够在势垒层和沟道层之间形成有效的隔挡，抑制二维电子气的波函数扩散进入势垒层，从而抑制三元势垒材料中的合金无序散射对二维电子气输运的不利影响；第三，当势垒层与沟道层的生长条件不同时，条件转换过程会造成反应室内气流不均、温度不稳定等影响，AlN插入层可以起到生长条件转换的过渡作用，有效的消除生长条件突变对异质结特性的不利影响；第四，AlN插入层很大程度上可以起到平滑界面形貌，抑制界面粗糙度散射的作用。
步骤205：采用低压MOCVD工艺，在AlN插入层上生长非极性InAlN势垒层，完成外延材料的生长。
需要说明的是，外延材料指的是制备辐照探测器时，在SiC衬底上生长的AlN成核层、非极性GaN缓冲层、非极性GaN沟道层、AlN插入层、非极性InAlN势垒层。
控制石墨基座温度使其逐渐降低至720℃，以氢气为载气，带入三甲基铝作为Al源，以氮气为载气，带入三甲基铟作为In源，同时通入氨气作为N源，并保持反应室内压强200Torr动态平衡。其中，氢气流量为800sccm，氨气流量为1000sccm，三甲基铝流量为12sccm，三甲基铟流量为80sccm。其中，非极性InAlN势垒层的生长时间为5min，厚度为12nm，铝组份为82％。由于铟原子与氮原子之间的结合能较低，因此生长非极性InAlN时应当保持反应腔内的富铟环境。
步骤206：在外延材料上制备有源区的电学隔离。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离工艺在非极性InAlN势垒层上光刻电隔离区，并对样品进行超纯水冲洗和氮气吹干，并将样品放在110℃的热板上烘烤2min。利用ICP(感应耦合等离子体刻蚀)工艺刻蚀电隔离区内的非极性InAlN势垒层、AlN插入层、非极性GaN沟道层和非极性GaN缓冲层，刻蚀深度为500nm。
然后将样品依次放入丙酮溶液、乙醇溶液中进行清洗，以移除电隔离区外的光刻胶，再用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
需要说明的是，有源区指的是电学隔离刻蚀槽内部的器件区域。
需要说明的是，由于实际实验中，一个蓝宝石衬底上会形成多个辐照探测器，为了使辐照探测器之间互不干扰，需要通过电隔离区将其隔离。
步骤207：在电隔离区内的外延材料上刻蚀形成第一接触电极孔和第二接触电极孔。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离工艺在电隔离区内的非极性InAlN势垒层上光刻第一电极孔区和第二电极孔区，并对样品进行超纯水冲洗和氮气吹干，并将样品放在110℃的热板上烘烤2min。利用ICP(感应耦合等离子体刻蚀)工艺分别刻蚀第一电极孔区和第二电极孔区的非极性InAlN势垒层、AlN插入层和少量非极性GaN沟道层，形成第一接触电极孔和第二接触电极孔，刻蚀深度为30nm。
将刻蚀完成的样品依次放入丙酮溶液、乙醇溶液中进行清洗，以移除电隔离区域外的光刻胶，再用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
步骤208：分别填充第一接触电极孔和第二接触电极孔形成阴阳电极。
分别在第一接触电极孔内和第二接触电极孔内部以及外部光刻胶上蒸发肖特基金属形成阴阳电极。肖特基金属是由下向上依次由Ni和Au两层金属组成的金属堆栈结构，其中，Ni的厚度为Au的厚度为
在一个具体实施例中，利用图3中的叉指状电极来增加接触电极的吸收收集效率。将形成阴阳电极的样品放入丙酮中进行超声处理，超声时间设定为10min，以去除光刻胶，之后将样品放入NMP(N-甲基吡咯烷酮)溶液中超声去除剥离胶，再用异丙醇、超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
步骤209：采用PECVD工艺，在非极性InAlN势垒层和阴阳电极上制备SiN保护层。
对完成阴阳电极制备的样品进行表面清洗，并利用PECVD工艺生长厚度为5nm的SiN保护层，其生长的工艺条件为：采用NH3和SiH4作为反应气体，反应温度为300℃，反应腔室压力为600mTorr，RF(射频)功率为30W。SiN保护层厚度较薄，避免影响器件接受辐照效率。
需要说明的是，SiN保护层作为介质层用来保护制备的辐照探测器不受外界条件的影响，同时SiN保护层对于减小辐照探测器漏电、抑制电流崩塌效应具有一定的效果。
步骤210：在SiN保护层上制备金属互联层和辐照开孔区。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离、刻蚀等工艺在SiN保护层上制备金属互联开孔区，然后利用电子束蒸发工艺在金属互联开孔区上淀积互联金属，形成金属互联层。
该金属互联层是自下向上依次由Ti和Au两层金属组成的金属堆栈结构，以引出电极。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离、刻蚀等工艺在SiN保护层上制备辐照开孔区。
需要说明的是，辐照开孔区能够保证辐照探测器最大限度的接收到外界辐照，提升器件的探测效率和探测灵敏度。
步骤211：清洗，完成辐照探测器的制备。
将完成互联金属层的样品放入丙酮中进行超声处理，超声时间为10min，以去除互联金属层外的金属和光刻胶，之后将样品放入NMP(N-甲基吡咯烷酮)溶液中超声去除剥离胶，再用异丙醇、超纯水冲洗样品并用氮气吹干，完成辐照探测器的制备。
实施例四
本发明实施例提供了又一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器的制备方法。包括以下步骤：
步骤300：选取(111)面Si衬底，采用低压MOCVD工艺对半绝缘Si衬底进行高温氮化处理。
由于高温条件下Si衬底会与氨气反应生成SiN，对后续外延材料生长产生不利的影响。因此在对Si衬底高温处理前，需要往MOCVD反应室内通入三甲基铝源，使Al淀积在Si衬底表面，起到保护Si衬底的作用。随后，将高纯氨气和氢气的混合气体通入MOCVD反应室内，同时MOCVD反应室真空泵继续工作，保证MOCVD反应室内持续有40Torr的高纯氨气氛围。最后，通过射频源对石墨基座进行加热，使7min内石墨基座温度升高至920℃，并保持该温度5min。高温氮化过程可以消除Si衬底表面悬挂键等不利因素，为后续反应提供良好的基板。
需要说明的是，悬挂键是指晶体因晶格在表面处突然终止，在表面的最外层的每个原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键；悬挂键会影响原子之间的成键结合，容易形成错位。
步骤301：采用低压MOCVD工艺，在Si衬底上生长低温AlN成核层。
控制石墨基座温度使其逐步降低至620℃，以氢气为载气，带入三甲基铝作为Al源，同时通入氨气作为N源，并保持反应室内压强为40Torr的动态平衡。其中，氢气流量为800sccm，氨气流量为1500sccm，三甲基铝流量为6sccm。其中，低温AlN成核层的生长时间为5min，厚度为30nm。
低温AlN成核层能够有效缓解Si衬底与外延材料之间的应力。
步骤302：采用低压MOCVD工艺，在低温AlN成核层上生长高温AlN成核层。
控制石墨基座温度使其逐渐升高至1070℃，以氢气为载气，带入三甲基铝作为Al源，同时通入氨气作为N源，并保持反应室内压强为40Torr的动态平衡。其中，氢气流量为800sccm，氨气流量为3000sccm，三甲基铝流量为12sccm。其中，高温AlN成核层的生长时间为20min，厚度为200nm。
高温AlN成核层能够提升AlN的横向生长速率，为后续二维生长做好准备。
步骤303：采用低压MOCVD工艺，在高温AlN成核层上生长Al组份渐变的AlGaN成核层。
由于Si衬底与外延材料之间的晶格失配很大，因此需要生长Al组份从高到低渐变的AlGaN成核层来进一步释放外延材料中的应力。控制石墨基座温度使其逐渐降低至1000℃，以氢气为载气，带入三甲基镓和三甲基铝作为Ga源和Al源，同时通入氨气作为N源，并保持反应室内压强为40Torr的动态平衡。其中，氢气流量为800sccm，氨气流量为3000sccm，三甲基Ga流量为从0sccm逐步升高至100sccm，三甲基铝流量为从12sccm逐步降低至0sccm。其中，AlGaN成核层的生长时间为40min，厚度为600nm。
Al组份渐变的AlGaN成核层不仅能够有效消除外延层中的应力，同时能够避免寄生沟道的产生。
步骤304：采用低压MOCVD工艺，在AlGaN成核层上生长非极性GaN缓冲层。
控制石墨基座温度使其逐渐降低至1050℃～1100℃，以氢气为载气，带入三甲基镓作为Ga源，同时通入氨气作为N源，并保持反应室内压强为5Torr～10Torr的动态平衡。其中，氢气流量为720sccm～880sccm，氨气流量为900sccm～1100sccm，三甲基镓流量为90sccm～110sccm。其中，非极性GaN缓冲层的生长时间为60min，厚度为1500nm。
为提升材料结晶质量，生长非极性GaN缓冲层需要保持较高的生长温度、较低的氨气/三甲基镓摩尔流量比和较低的反应室压强。
优选地，石墨基座的温度为1000℃；氢气流量为800sccm；氨气流量为1000sccm；三甲基镓流量为100sccm；反应室内压强为10Torr。
步骤305：采用低压MOCVD工艺，在非极性GaN缓冲层上生长非极性GaN沟道层。
维持石墨基座温度为1000℃、反应室压强为10Torr，将氢气流量降低为80sccm，氨气流量降低为100sccm，三甲基镓流量为10sccm。其中，非极性GaN沟道层的生长时间为40min，厚度为200nm。
步骤306：采用低压MOCVD工艺，在非极性GaN沟道层上生长AlN插入层。
控制石墨基座温度和反应室压强使其保持稳定，以氢气为载气，带入三甲基铝作为Al源，同时通入氨气作为N源，其中，氢气流量为200sccm，氨气流量为100sccm，三甲基铝流量为5sccm。其中，AlN插入层的生长时间为0.5min，厚度为2nm。
需要说明的是，采用AlN作为插入层具有多个方面优势；第一，AlN的禁带宽度更大，利用AlN禁带宽度大的优势能够对异质结能带结构实现调制，显著的提升势垒与沟道之间的带阶高度，增大势阱深度，从而提高沟道内二维电子气的限域性；第二，AlN插入层能够在势垒层和沟道层之间形成有效的隔挡，抑制二维电子气的波函数扩散进入势垒层，从而抑制三元势垒材料中的合金无序散射对二维电子气输运的不利影响；第三，当势垒层与沟道层的生长条件不同时，条件转换过程会造成反应室内气流不均、温度不稳定等影响，AlN插入层可以起到生长条件转换的过渡作用，有效的消除生长条件突变对异质结特性的不利影响；第四，AlN插入层很大程度上可以起到平滑界面形貌，抑制界面粗糙度散射的作用。
步骤307：采用低压MOCVD工艺，在AlN插入层上生长非极性InAlN势垒层，完成外延材料的生长。
需要说明的是，外延材料指的是制备辐照探测器时，在Si衬底上生长的AlN成核层、非极性GaN缓冲层、非极性GaN沟道层、AlN插入层、非极性InAlN势垒层。
控制石墨基座温度使其逐渐降低至720℃，以氢气为载气，带入三甲基铝作为Al源，以氮气为载气，带入三甲基铟作为In源，同时通入氨气作为N源，并保持反应室内压强200Torr动态平衡。其中，氢气流量为800sccm，氨气流量为1000sccm，三甲基铝流量为12sccm，三甲基铟流量为80sccm。其中，非极性InAlN势垒层的生长时间为5min，厚度为12nm，铝组份为82％。由于铟原子与氮原子之间的结合能较低，因此生长非极性InAlN时应当保持反应腔内的富铟环境。
步骤308：在外延材料上制备有源区的电学隔离。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离工艺在非极性InAlN势垒层上光刻电隔离区，随后对样品进行超纯水冲洗和氮气吹干，并将样品放在110℃的热板上烘烤2min。利用ICP(感应耦合等离子体刻蚀)工艺刻蚀电隔离区内的非极性InAlN势垒层、AlN插入层、非极性GaN沟道层和非极性GaN缓冲层，刻蚀深度为500nm。
然后将样品依次放入丙酮溶液、乙醇溶液中进行清洗，以移除第一电极孔区和第二电极孔区外的光刻胶，再用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
需要说明的是，有源区指的是非极性InAlN势垒层、AlN插入层、以及GaN沟道层。
需要说明的是，由于实际实验中，一个Si衬底上会形成多个辐照探测器，为了使辐照探测器之间互不干扰，需要通过电隔离区将其隔离。
步骤309：在电隔离区内的外延材料上刻蚀形成第一接触电极孔和第二接触电极孔。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离工艺在电隔离区内的非极性InAlN势垒层上光刻第一电极孔区和第二电极孔区，并对样品进行超纯水冲洗和氮气吹干，并将样品放在110℃的热板上烘烤2min。利用ICP(感应耦合等离子体刻蚀)工艺分别刻蚀第一电极孔区和第二电极孔区的非极性InAlN势垒层、AlN插入层和少量非极性GaN沟道层，形成第一接触电极孔和第二接触电极孔，刻蚀深度为30nm。
步骤310：分别填充第一接触电极孔和第二接触电极孔形成阴阳电极。
分别在第一接触电极孔内和第二接触电极孔内部以及外部光刻胶上蒸发肖特基金属形成阴阳电极。肖特基金属是自下而上依次由Ni和Au两层金属组成的金属堆栈结构，其中，Ni的厚度为Au的厚度为
在一个具体实施例中，利用图3中的叉指状电极来增加接触电极的吸收收集效率。将形成阴阳电极的样品放入丙酮中进行超声处理，超声时间设定为10min，以去除光刻胶，之后将样品放入NMP(N-甲基吡咯烷酮)溶液中超声去除剥离胶，再用异丙醇、超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
步骤311：采用PECVD工艺，在非极性InAlN势垒层和阴阳电极上制备SiN保护层。
对完成阴阳电极制备的样品进行表面清洗，并利用PECVD工艺生长厚度为5nm的SiN保护层，其生长的工艺条件为：采用NH3和SiH4作为反应气体，衬底温度为300℃，反应腔室压力为600mTorr，RF(射频)功率为30W。SiN保护层厚度较薄，避免影响器件接受辐照效率。
需要说明的是，SiN保护层作为介质层用来保护制备的辐照探测器不受外界条件的影响，同时SiN保护层对于减小辐照探测器漏电、抑制电流崩塌效应具有一定的效果。
步骤312：在SiN保护层上制备金属互联层和辐照开孔区。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离、刻蚀等工艺在SiN保护层上制作金属互联开孔区，然后利用电子束蒸发工艺在金属互联开孔区上淀积互联金属，形成金属互联层。
该金属互联层是自下向上依次由Ti和Au两层金属组成的金属堆栈结构，以引出电极。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离、刻蚀等工艺在SiN保护层上制作辐照开孔区。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离、刻蚀等工艺在SiN保护层上制备辐照开孔区。
需要说明的是，辐照开孔区能够保证辐照探测器最大限度的接收到外界辐照，提升器件的探测效率和探测灵敏度。
步骤313：清洗，完成辐照探测器的制备。
将完成互联金属层的样品放入丙酮中进行超声处理，超声时间为10min，以去除互联金属层外的互连、光刻胶，之后将样品放入NMP溶液中超声去除剥离胶，再用异丙醇、超纯水冲洗样品并用氮气吹干，完成辐照探测器的制备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明实施例通过将III族氮化物异质结构应用到辐照探测领域，其沟道内的载流子由于能带势阱的限制作用，其输运特性遵循准二维的规律，因而具有非常高的迁移率；
2.本发明实施例制备的辐照探测器具有InAlN/GaN异质结构，不仅有效拓宽辐照探测器的敏感吸收波段，同时能够大幅提升器件的探测灵敏度；
3.本发明实施例制备的辐照探测器利用III族氮化物异质结构的极化特性，有效抑制了器件的暗电流大小，使器件的信噪比满足需求。
实施例五
请参见图4，图4为本发明实施例提供的另一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器的制备方法的流程示意图。该方法包括如下步骤：
步骤400：对外延衬底进行高温氮化处理。
步骤401：在外延衬底上生长成核层。
步骤402：在成核层上生长非极性GaN缓冲层。
步骤403：在非极性GaN缓冲层上生长非极性GaN沟道层。
步骤404：在非极性GaN沟道层上生长AlN插入层。
步骤405：在非极性GaN沟道层上生长非极性InAlN势垒层。
步骤406：在非极性GaN缓冲层制备辐照探测器之间的电学隔离。
步骤407：在非极性GaN沟道层上刻蚀接触电极孔。
步骤408：填充接触电极孔制备阴阳电极。
步骤409：在非极性InAlN势垒层和阴阳电极上淀积SiN保护层。
步骤410：在SiN保护层上开孔并制备金属互联层。
步骤411：清洗并完成辐照探测器的制备。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上生长成核层；
在所述成核层上生长非极性GaN缓冲层；
在所述非极性GaN缓冲层上生长非极性GaN沟道层；
在所述非极性GaN沟道层上生长插入层；
在所述插入层上生长非极性InAlN势垒层；
依次对所述非极性InAlN势垒层、所述插入层、所述非极性GaN沟道层进行刻蚀，然后在所述非极性GaN沟道层上制备阴阳电极，最终完成所述辐照探测器的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底材料为r面蓝宝石、m面SiC或(111)面Si。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，依次对所述非极性InAlN势垒层、所述插入层、所述非极性GaN沟道层进行刻蚀，然后在所述非极性GaN沟道层上制备阴阳电极，之后还包括：
在所述阴阳电极以及所述非极性InAlN势垒层上生长保护层；
在所述保护层上制备金属互联层和辐照开孔区。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述成核层为AIN成核层。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述成核层上生长非极性GaN缓冲层；包括：
在1050℃～1100℃的温度，5Torr～10Torr的压强下，采用低压MOCVD工艺，以三甲基镓作为Ga源，以氨气作为N源，在所述成核层上生长非极性GaN缓冲层，生长时间为50min～70min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述非极性GaN缓冲层上生长非极性GaN沟道层；包括：
在1050℃～1100℃的温度，5Torr～10Torr的压强下，采用低压MOCVD工艺，以三甲基镓作为Ga源，以氨气作为N源，在所述非极性GaN缓冲层上生长非极性GaN沟道层，生长时间为30min～50min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述插入层上生长非极性InAlN势垒层；包括：
在700℃～750℃的温度，180Tor～220Torr的压强下，采用低压MOCVD工艺，以三甲基铝作为Al源，以三甲基铟作为In源，以氨气作为N源，在所述插入层上生长非极性InAlN势垒层，生长时间为3min～6min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述非极性InAlN势垒层中Al的含量为80％～85％。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，依次对所述非极性InAlN势垒层、所述插入层、所述非极性GaN沟道层进行刻蚀，然后在所述非极性GaN沟道层上制备阴阳电极，包括：
在所述非极性InAlN势垒层上光刻第一电极孔区和第二电极孔区；
分别刻蚀所述第一电极孔区以及所述第二电极孔区以下的所述非极性InAlN势垒层、所述插入层直到所述非极性GaN沟道层，形成第一接触电极孔和第二接触电极孔；
分别填充所述第一接触电极孔和所述第二接触电极孔形成阴阳电极。
10.一种基于非极性InAlN/GaN异质结构的辐照探测器，其特征在于，所述辐照探测器由权利要求1～9任一项所述的方法制备形成；
所述辐照探测器包括：衬底层(1)、成核层(2)、非极性GaN缓冲层(3)、非极性GaN沟道层(4)、插入层(5)、非极性InAlN势垒层(6)、阴电极(7)、阳电极(8)、保护层(9)、金属互联层(10)；
所述金属互联层(10)、所述保护层(9)、所述非极性InAlN势垒层(6)、所述插入层(5)、所述非极性GaN沟道层(4)、所述非极性GaN缓冲层(3)、所述成核层(2)自上而下依次位于所述衬底层(1)上；
所述阴电极(7)和所述阳电极(8)相对设置于所述非极性GaN沟道层(5)上。
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