CN109346551A - 一种AlGaN基紫外探测器极其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AlGaN基紫外探测器，从衬底向外依次包括AlN模板、AlGaN/AlN超晶格、第一N型AlGaN层、本征AlGaN层、P型AlGaN层及电极，所述AlGaN基紫外探测器包括第二N型AlGaN层；述第二N型AlGaN层设置在所述第一N型AlGaN层与所述本征AlGaN层之间；所述第二N型AlGaN层，从与所述第一N型AlGaN层的接触面到与所述本征AlGaN层的接触面Al组分逐渐降低。本发明通过引入Al组分渐变的第二N型AlGaN层，调控异质界面的极化电场，降低了探测器中的暗电流，减少了探测器工作过程中的噪声，提高了探测器响应度，此外，Al组分渐变的层的引入有效释放了光吸收层的应力，提高了光吸收AlGaN材料晶体质量。本发明同时提供了一种具有上述有益效果的AlGaN基紫外探测器的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及光电材料领域，特别是涉及一种AlGaN基紫外探测器极其制作方法。
背景技术
近年来，日盲紫外光电探测器在军事和民用领域都具有重要应用。在军事上紫外探测技术可用于导弹预警与制导，通过探测导弹羽烟中紫外辐射波来确定目标，为地面防御系统提供导弹预警跟踪和拦截。在民用上，紫外探测技术可用于重大火灾的探测，通过对火焰的检测监控，代替了传统的烟雾探测和热探测，更加有效地预防火灾。紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后，新的军民两用的光电技术，已成为当今光电探测技术发展的研究热点，而其中最具优势的，即为AlGaN材料的半导体光电探测器。
但在现有技术中，N型AlGaN层直接与本征AlGaN层接触，由于N型AlGaN层的Al组分与本征AlGaN层的Al组分相差太大，因此在N型AlGaN层与本征AlGaN层的接触面上，Al组分不同会导致晶格失配，位错密度高，产生较大的暗电流，影响微弱信号的探测，噪声过大，响应度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种AlGaN基紫外探测器极其制作方法，以解决现有技术中探测器由于暗电流较大导致的高噪声，低响应度的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种AlGaN基紫外探测器，从衬底向外依次包括AlN模板、AlGaN/AlN超晶格、第一N型AlGaN层、本征AlGaN层、P型AlGaN层及电极，所述AlGaN基紫外探测器包括第二N型AlGaN层；
所述第二N型AlGaN层设置在所述第一N型AlGaN层与所述本征AlGaN层之间；
所述第二N型AlGaN层，从与所述第一N型AlGaN层的接触面到与所述本征AlGaN层的接触面Al组分逐渐降低。
可选地，在所述AlGaN基紫外探测器中，所述AlN模板包括低温AlN层、第一高温AlN层、AlN插入层及第二高温AlN层。
可选地，在所述AlGaN基紫外探测器中，所述电极为高功函数金属构成的电极；
当所述电极为高功函数金属构成的电极时，所述P型AlGaN层不存在，所述电极与所述本征AlGaN层接触设置。
可选地，在所述AlGaN基紫外探测器中，所述电极的厚度为100纳米至200纳米，包括端点值。
可选地，在所述AlGaN基紫外探测器中，所述第二N型AlGaN层Al组分的渐变范围为55％至45％，包括端点值。
可选地，在所述AlGaN基紫外探测器中，所述第二N型AlGaN层的厚度范围为10纳米至50纳米，包括端点值。
本发明还提供了一种AlGaN基紫外探测器的制作方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次设置AlN模板、AlGaN/AlN超晶格及第一N型AlGaN层；
在所述第一N型AlGaN层表面设置第二N型AlGaN层；
在所述第二N型AlGaN层表面依次设置本征AlGaN层及电极；
通过封装技术得到所述AlGaN基紫外探测器。
可选地，在所述AlGaN基紫外探测器的制作方法中，所述设置AlN模板具体包括：
设置低温AlN层；
在所述低温AlN层表面设置第一高温AlN层；
在所述第一高温AlN层表面设置AlN插入层；
在所述AlN插入层表面设置第二高温AlN层，得到所述AlN模板。
可选地，在所述AlGaN基紫外探测器的制作方法中，所述AlN插入层生长时的环境温度的范围为1000摄氏度至1100摄氏度，所述AlN插入层的生长时间的范围为80秒至120秒，包括端点值。
可选地，在所述AlGaN基紫外探测器的制作方法中，所述封装技术具体为倒装芯片技术。
本发明所提供的AlGaN基紫外探测器，从衬底向外依次包括AlN模板、AlGaN/AlN超晶格、第一N型AlGaN层、本征AlGaN层、P型AlGaN层及电极，所述AlGaN基紫外探测器包括第二N型AlGaN层；述第二N型AlGaN层设置在所述第一N型AlGaN层与所述本征AlGaN层之间；所述第二N型AlGaN层，从与所述第一N型AlGaN层的接触面到与所述本征AlGaN层的接触面Al组分逐渐降低。本发明通过引入Al组分渐变的第二N型AlGaN层，调节异质界面的极化电荷密度，引入极化电场，致使探测器可在工作中产生更多的自由载流子，并加速自由载流子移动，使探测器灵敏度上升；同时由于第二N型AlGaN层中的Al组分是逐渐变化的，避免了现有技术中N型AlGaN层与本征AlGaN层的直接接触，也就有效减少了由于Al组分相差过大引起的晶格失配，减少了异质界面的位错密度，降低了探测器中的暗电流，减少了探测器工作过程中的噪声，提高了探测器响应度，此外，Al组分渐变的层的引入有效释放了光吸收层的应力，提高了光吸收AlGaN材料晶体质量。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中AlGaN基紫外探测器的结构示意图；
图2为本发明所提供的AlGaN基紫外探测器的一种具体实施方式的结构示意图；
图3为本发明所提供的AlGaN基紫外探测器的另一种具体实施方式的结构示意图；
图4为本发明所提供的AlGaN基紫外探测器的又一种具体实施方式的AlN模板的结构示意图；
图5为本发明所提供的AlGaN基紫外探测器的制作方法的一种具体实施方式的流程示意图；
图6为本发明所提供的AlGaN基紫外探测器的制作方法的另一种具体实施方式的流程示意图。
具体实施方式
为避免不清楚，需要注意的是，本申请中所述的光吸收层，主要指本征AlGaN层。
AlGaN基半导体材料制作紫外探测器的优点如下：
相比于紫外光电倍增管和Si基紫外探测器，宽禁带半导体紫外探测器具有化学稳定性良好、导热性能良好、电子饱和漂移速率高、成本低、体积小等明显优势。此外，由于宽禁带半导体材料的禁带宽度决定了光电探测器的探测光波范围，所以禁带宽度越大，探测器对紫外光越敏感，对可见光和红外光的敏感度越低，紫外/可见抑制比越高。AlGaN材料属于直接宽带隙材料，在带隙宽度、击穿电场强度及电热导性能方面具有明显的优势，这促进了日盲紫外探测器的快速发展。图1为现有技术中的AlGaN基紫外探测器的结构示意图。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种AlGaN基紫外探测器，其具体实施方式一的结构示意图如图2所示，从衬底101向外依次包括AlN模板102、AlGaN/AlN超晶格103、第一N型AlGaN层104、本征AlGaN层106、P型AlGaN层108及电极107，所述AlGaN基紫外探测器包括第二N型AlGaN层105；
所述第二N型AlGaN层105设置在所述第一N型AlGaN层104与所述本征AlGaN层106之间；
所述第二N型AlGaN层105，从与所述第一N型AlGaN层104的接触面到与所述本征AlGaN层106的接触面Al组分逐渐降低。
上述衬底101可以是蓝宝石衬底101或单晶硅衬底101。
上述第二N型AlGaN层105Al组分的渐变范围为55％至45％，包括端点值，如55.0％、50.0％或45.0％中的任一个。
上述第二N型AlGaN层105的厚度范围为10纳米至50纳米，包括端点值，如10.0纳米、40.2纳米或50.0纳米中的任一个。
上述第二N型AlGaN层105的载流子浓度的范围为1×1018cm-3至5×1018cm-3，包括端点值，如1.0×1018cm-3、3.0×1018cm-3或5.0×1018cm-3中的任一个。
上述第一N型AlGaN层104的厚度的范围为200纳米至400纳米，包括端点值，如200.0纳米、300.0纳米或400.0纳米中的任一个。
上述AlGaN/AlN超晶格103的周期数的范围为5至10，包括端点值。
上述本征AlGaN层106的厚度的范围为300纳米至500纳米，包括端点值，如300.0纳米、400.0纳米或500.0纳米中的任一个。
上述第二N型AlGaN层105与第一N型AlGaN层104的接触面为其Al组分最高的区域，其Al组分可与第一N型AlGaN层104的Al组分相同。
本发明所提供的AlGaN基紫外探测器，从衬底101向外依次包括AlN模板102、AlGaN/AlN超晶格103、第一N型AlGaN层104、本征AlGaN层106、P型AlGaN层108及电极107，所述AlGaN基紫外探测器包括第二N型AlGaN层105；述第二N型AlGaN层105设置在所述第一N型AlGaN层104与所述本征AlGaN层106之间；所述第二N型AlGaN层105，从与所述第一N型AlGaN层104的接触面到与所述本征AlGaN层106的接触面Al组分逐渐降低。本发明通过引入Al组分渐变的第二N型AlGaN层105，调节异质界面的极化电荷密度，引入极化电场，致使探测器可在工作中产生更多的自由载流子，并加速自由载流子移动，使探测器灵敏度上升；同时由于第二N型AlGaN层105中的Al组分是逐渐变化的，避免了现有技术中N型AlGaN层与本征AlGaN层106的直接接触，也就有效减少了由于Al组分相差过大引起的晶格失配，减少了异质界面的位错密度，降低了探测器中的暗电流，减少了探测器工作过程中的噪声，提高了探测器响应度，此外，Al组分渐变的层的引入有效释放了光吸收层的应力，提高了光吸收AlGaN材料晶体质量。
在具体实施方式一的基础上，进一步寻找P型AlGaN层108的替代物，得到具体实施方式二，其结构示意图如图3所示，从衬底101向外依次包括AlN模板102、AlGaN/AlN超晶格103、第一N型AlGaN层104、本征AlGaN层106及电极107，所述AlGaN基紫外探测器包括第二N型AlGaN层105；
所述第二N型AlGaN层105设置在所述第一N型AlGaN层104与所述本征AlGaN层106之间；
所述第二N型AlGaN层105，从与所述第一N型AlGaN层104的接触面到与所述本征AlGaN层106的接触面Al组分逐渐降低；
所述电极107为高功函数金属构成的电极107。
本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于，用特殊材质的电极107兼顾了具体实施方式一中P型AlGaN层108的作用，其他结构均与上述具体实施方式中相同，在此不做赘述。
上述高功函数金属为金等元素。
上述电极107的厚度为100纳米至200纳米，包括端点值，如100.0纳米、150.0纳米或200.0纳米中的任一个。
传统的光电探测器件为获得高响应度，采用PIN结构。然而，高Al组分AlGaN材料p型掺杂困难，在p型掺杂过程中Mg激活能随Al组分增大而增大，激活率低。这将导致p型AlGaN材料电阻率高，载流子迁移率低，欧姆接触性能不好，器件性能差。因此，在避免使用p型AlGaN材料的前提下获得高响应度的AlGaN日盲紫外探测器是人们一直以来的追求。
本具体实施方式中，用高功函数的金属代替传统PIN结构中p型AlGaN材料，金属与半导体接触，当金属的功函数大于半导体的功函数时就会形成肖特基结。形成的肖特基结的势垒高度越高，探测器的性能越好，克服了AlGaN材料的p型掺杂困难、欧姆接触性能差等问题，降低了工艺难度，提高了器件性能。
在具体实施方式二的基础上，进一步对所述AlGaN基紫外探测器的AlN模板102做改进，得到具体实施方式三，其AlN层的结构示意图如图4所示，从衬底101向外依次包括AlN模板102、AlGaN/AlN超晶格103、第一N型AlGaN层104、本征AlGaN层106及电极107，所述AlGaN基紫外探测器包括第二N型AlGaN层105；
所述第二N型AlGaN层105设置在所述第一N型AlGaN层104与所述本征AlGaN层106之间；
所述第二N型AlGaN层105，从与所述第一N型AlGaN层104的接触面到与所述本征AlGaN层106的接触面Al组分逐渐降低；
所述电极107为高功函数金属构成的电极107；
所述AlN模板102包括低温AlN层、第一高温AlN层、AlN插入层及第二高温AlN层。
本具体实施方式与上述具体实施方式的区别在于，进一步改进了上述AlN层的结构，其他结构与上述具体实施方式相同，在此不再赘述。
上述AlN模板102的厚度的范围为100纳米至300纳米，包括端点值，如100.0纳米、200.0纳米或300.0纳米中的任一个。
在现有技术中，AlN模板102分为低温AlN层及高温AlN层，其中，高温AlN层厚度大，生长过程中易有缺陷或位错随之生长，形成较大的缺陷和位错降低器件灵敏度，增大干扰，而在本具体实施方式中，在现有技术的AlN模板102中，引入AlN插入层，阻断了位错的延伸，同时引入了压应力，提高了外延材料的晶体质量，减小了器件在工作中的噪声，提升了器件灵敏度。
本发明还提供了一种AlGaN基紫外探测器的制作方法，称其为具体实施方式四，其流程示意图如图5所示，包括：
步骤S101：提供衬底101。
衬底101为通入氢气进行过清洁的衬底101，氢气清洁时的温度为1200摄氏度。
步骤S102：在所述衬底101上依次设置AlN模板102、AlGaN/AlN超晶格103及第一N型AlGaN层104。
上述AlGaN/AlN超晶格103的生长温度为1200摄氏度，压强为50mbar。
步骤S103：在所述第一N型AlGaN层104表面设置第二N型AlGaN层105。
步骤S104：在所述第二N型AlGaN层105表面依次设置本征AlGaN层106及电极107。
上述第一N型AlGaN层104、第二N型AlGaN层105及本征AlGaN层106生长时的环境温度为1150摄氏度，当然，可根据实际情况做相应调整，压强为50mbar。
步骤S105：通过封装技术得到所述AlGaN基紫外探测器。
特别需要注意的是，上述封装技术为倒装芯片技术，由于正装状态下电极107接触处会吸收入射光，造成入射光损失，同时倒装芯片技术成本更低，效率更高，因此倒装芯片技术更适合本发明。
本发明所提供的AlGaN基紫外探测器的制作方法，通过提供衬底101；在所述衬底101上依次设置AlN模板102、AlGaN/AlN超晶格103及第一N型AlGaN层104；在所述第一N型AlGaN层104表面设置第二N型AlGaN层105；在所述第二N型AlGaN层105表面依次设置本征AlGaN层106及电极107；通过封装技术得到所述AlGaN基紫外探测器。本发明通过引入Al组分渐变的第二N型AlGaN层105，调节异质界面的极化电荷密度，引入极化电场，致使探测器可在工作中产生更多的自由载流子，并加速自由载流子移动，使探测器灵敏度上升；同时由于第二N型AlGaN层105中的Al组分是逐渐变化的，避免了现有技术中N型AlGaN层与本征AlGaN层106的直接接触，也就有效减少了由于Al组分相差过大引起的晶格失配，减少了异质界面的位错密度，降低了探测器中的暗电流，减少了探测器工作过程中的噪声，提高了探测器响应度，此外，Al组分渐变的层的引入有效释放了光吸收层的应力，提高了光吸收AlGaN材料晶体质量。
在具体实施方式四的基础上，进一步限定AlN层的制作方法，得到具体实施方式五，其流程示意图如图6所示，包括：
步骤S201：提供衬底101。
步骤S2021：在所述衬底101上设置低温AlN层。
上述低温AlN层生长温度为950摄氏度，生长时间为4分钟，当然，可根据实际情况做相应改动。
可进一步升温至1300摄氏度，进行退火重结晶，释放晶格失配造成的应力。
步骤S2022：在所述低温AlN层表面设置第一高温AlN层。
上述第一高温AlN层生长温度为1350摄氏度，生长时间为30分钟，当然，可根据实际情况做相应改动。
步骤S2023：在所述第一高温AlN层表面设置AlN插入层。
上述AlN插入层生长时的环境温度的范围为1000摄氏度至1100摄氏度，包括端点值，如1000.0摄氏度、1050.0摄氏度或1100.0摄氏度中的任一个；
上述AlN插入层的生长时间的范围为80秒至120秒，包括端点值，如80.0秒、100.0秒或120.0秒中的任一个。
步骤S2024：在所述AlN插入层表面设置第二高温AlN层，得到所述AlN模板102。
上述第二高温AlN层生长温度为1350摄氏度，生长时间为40分钟，当然，可根据实际情况做相应改动。
步骤S203：在所述AlN模板102表面依次设置AlGaN/AlN超晶格103及第一N型AlGaN层104。
步骤S204：在所述第一N型AlGaN层104表面设置第二N型AlGaN层105。
步骤S205：在所述第二N型AlGaN层105表面依次设置本征AlGaN层106及电极107。
步骤S206：通过封装技术得到所述AlGaN基紫外探测器。
本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于具体限定了上述AlN模板102的制作步骤，其余步骤均与上述具体实施方式相同，在此不再赘述。
本具体实施方式中，在现有技术的高温AlN层生长过程中加入了AlN插入层，阻断了位错的延伸，同时引入了压应力，提高了外延材料的晶体质量，减小了器件在工作中的噪声，提升了器件灵敏度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的AlGaN基紫外探测器及其制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种AlGaN基紫外探测器，从衬底向外依次包括AlN模板、AlGaN/AlN超晶格、第一N型AlGaN层、本征AlGaN层、P型AlGaN层及电极，其特征在于，所述AlGaN基紫外探测器包括第二N型AlGaN层；
所述第二N型AlGaN层设置在所述第一N型AlGaN层与所述本征AlGaN层之间；
所述第二N型AlGaN层，从与所述第一N型AlGaN层的接触面到与所述本征AlGaN层的接触面Al组分逐渐降低。
2.如权利要求1所述的AlGaN基紫外探测器，其特征在于，所述AlN模板包括低温AlN层、第一高温AlN层、AlN插入层及第二高温AlN层。
3.如权利要求1所述的AlGaN基紫外探测器，其特征在于，所述电极为高功函数金属构成的电极；
当所述电极为高功函数金属构成的电极时，所述P型AlGaN层不存在，所述电极与所述本征AlGaN层接触设置。
4.如权利要求3所述的AlGaN基紫外探测器，其特征在于，所述电极的厚度为100纳米至200纳米，包括端点值。
5.如权利要求1所述的AlGaN基紫外探测器，其特征在于，所述第二N型AlGaN层Al组分的渐变范围为55％至45％，包括端点值。
6.如权利要求5所述的AlGaN基紫外探测器，其特征在于，所述第二N型AlGaN层的厚度范围为10纳米至50纳米，包括端点值。
7.一种AlGaN基紫外探测器的制作方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次设置AlN模板、AlGaN/AlN超晶格及第一N型AlGaN层；
在所述第一N型AlGaN层表面设置第二N型AlGaN层；
在所述第二N型AlGaN层表面依次设置本征AlGaN层及电极；
通过封装技术得到所述AlGaN基紫外探测器。
8.如权利要求7所述的AlGaN基紫外探测器的制作方法，其特征在于，所述设置AlN模板具体包括：
设置低温AlN层；
在所述低温AlN层表面设置第一高温AlN层；
在所述第一高温AlN层表面设置AlN插入层；
在所述AlN插入层表面设置第二高温AlN层，得到所述AlN模板。
9.如权利要求8所述的AlGaN基紫外探测器的制作方法，其特征在于，所述AlN插入层生长时的环境温度的范围为1000摄氏度至1100摄氏度，所述AlN插入层的生长时间的范围为80秒至120秒，包括端点值。
10.如权利要求7所述的AlGaN基紫外探测器的制作方法，其特征在于，所述封装技术具体为倒装芯片技术。
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