CN109585592A - p-BN/i-AlGaN/n-AlGaN的紫外探测器及制作方法 - Google Patents

p-BN/i-AlGaN/n-AlGaN的紫外探测器及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种p‑BN/i‑AlGaN/n‑AlGaN的紫外探测器及其制作方法，主要解决现有AlGaN基紫外探测器的响应时间较长、量子效率较低以及光谱响应度较差的问题。其自下而上包括：衬底、AlN成核层、AlN本征层、AlGaN本征层、n型AlGaN层、n电极、i型AlGaN层、P型BN层和p电极，其特征在于，p型BN层采用厚度为60‑100nm的Mg掺杂的纤锌矿氮化硼材料，掺杂的浓度为5×1017‑1×1019cm‑3以上的Mg掺杂的纤锌矿氮化硼材料。本发明由于P型氮化硼能够有效地提供空穴，使得探测器的响应时间变短、量子效率以及光谱响应度提升，可用于光通信、生化分析、臭氧检测和公安刑侦。

Description

p-BN/i-AlGaN/n-AlGaN的紫外探测器及制作方法
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，尤其是一种紫外探测器，可用于光通信、生化分析、生物医药测试、臭氧检测和公安刑侦。
技术背景
探测技术分为紫外探测、红外探测和激光探测三部分。与激光探测、红外探测一样，紫外探测技术在军事以及民用领域中都愈发的重要。在军事领域，利用紫外探测技术，使得光通信和生化分析等领域飞速发展，引起军方对此高度重视。在民用领域，利用紫外探测技术，使得生物医药测试、臭氧检测和公安刑侦等变得非常便利。因此紫外探测技术成为军事以及民用领域中不可或缺的光电探测技术。
GaN基材料由于其热导率非常大，具有稳定的物理和化学特性，禁带宽度宽，及电子饱和速率大和击穿电场高这些突出的电学特性，所以GaN基材料非常适合制作紫外探测器件。针对飞行目标能释放大量紫外线的特性，若采用GaN作为基本材料制作的紫外探测器可以对该飞行目标进行有效的探测和跟踪。由于GaN材料比硅、砷化镓等半导体材料具有更多的优势，因而紫外探测在材料的选用方面越来越普遍的采用GaN材料，其中p-i-n型探测器是目前最常用的器件，该器件具有低工作电压、低暗电流、高量子效率、响应速度快、制造技术和半导体的平面工艺可以融合的优势。
现有技术中通过在GaN中掺Al可形成AlGaN三元合金，并通过改变合金中Al的比例，可使AlGaN的禁带宽度在3.4eV～6.2eV的范围内连续变化，AlGaN紫外探测器的截止波长能从365nm变化到200nm。但是，随着AlGaN材料Al组分的增大，材料外延的难度也会增大，AlGaN材料的施主杂质和受主杂质的离化能随Al组分的增加而增大，降低了其载流子的浓度，尤其是P型的AlGaN材料的空穴浓度极低。除此之外随着Al组分的增加，材料的外延质量下降，补偿中心和散射中心的增多造成其迁移率也降低，使得P型AlGaN材料的电导率极低，并无法与金属形成良好的欧姆接触。由此导致探测器的响应时间变长、量子效率下降以及光谱响应度变差等。因此如何获得一种能够与AlGaN材料体系匹配，拥有良好P型导电率的P型材料，是目前AlGaN基紫外探测器研发的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于解决上述的已有技术的不足，提出一种p-BN/i-AlGaN/n-AlGaN的紫外探测器及制作方法，以缩短响应时间、提高量子效率以及光谱响应度。
为实现上述目的，本发明的p-BN/i-AlGaN/n-AlGaN的紫外探测器，自下而上包括：衬底、AlN成核层、AlN本征层、AlGaN本征层、n型AlGaN层、i型AlGaN层、P型BN层，其特征在于，P型BN层采用厚度为60-100nm的Mg掺杂的纤锌矿氮化硼材料，掺杂的浓度为5×1017-1×1019cm-3。
作为优选，所述AlN成核层的厚度为5-15nm。
作为优选，所述AlN本征层的厚度为20-300nm。
作为优选，所述AlGaN本征层的厚度为500-2000nm。
作为优选，所述n型AlGaN层的Si掺杂浓度为2×1018cm-3，其厚度为300-500nm。
作为优选，所述i型AlGaN层的厚度为852-990nm。
为实现上述目的，本发明的制作p-BN/i-AlGaN/n-AlGaN的紫外探测器的方法，包括：
1)在衬底上，利用MOCVD工艺，生长厚度为5-15nm的低温AlN成核层；
2)在低温AlN成核层上，利用MOCVD工艺，采用脉冲式的通入方式生长厚度为20-300nm的高温AlN本征层；
3)在高温AlN本征层上，利用MOCVD工艺，生长厚度为500-2000nm的本征AlGaN层；
4)在本征AlGaN上，利用MOCVD工艺，生长厚度为300-500nm的n型AlGaN层，其Si掺杂浓度为2×1018cm-3；
5)n型AlGaN层上，利用MOCVD工艺，生长厚度为852-990nm的未掺杂的i型AlGaN层；
6)在i型AlGaN层上，利用MOCVD工艺，生长厚度为60-100nm的p型氮化硼层，其工艺条件如下：
反应室温度为950-1100℃，保持反应室压力为20-60Torr，向反应室同时通入流量为2500-3000sccm的氨气、流量为150-180sccm的硼源和流量为12-100sccm的镁源这三种气体；
7)采用感应耦合等离子体或者反应离子刻蚀从顶部p型BN层刻蚀至n型AlGaN层，形成n型AlGaN台面；
8)在n型A1GaN台面上光刻出n型电极的图形，使用镀膜机，蒸镀n型电极；
9)在p型BN层光刻出p型电极的图形，使用镀膜机，蒸镀P型电极，完成器件制作。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.缩短了探测器的响应时间，提升了量子效率及光谱响应度。
传统AlGaN基紫外探测器一般采用p型AlGaN作为p型掺杂层，且用p型AlGaN作为p电极接触层，但由于AlGaN材料施主、受主杂质的离化能随Al组分的增加而增大，降低了载流子的浓度，尤其是p型高Al组分的AlGaN材料的空穴浓度极低，同时补偿中心和散射中心的增多造成其迁移率也降低，使得p型AlGaN材料的电导率极低，并无法与金属电极形成良好的欧姆接触。由此导致探测器的响应时间变长、量子效率下降以及光谱响应度变差；
本发明中采用纤锌矿型氮化硼作为p型层，使得p型掺杂激活能只有31meV，可以使得p型氮化硼层较易实现1×1018cm-3以上的空穴浓度，使得P型氮化硼材料的电阻率可以降到12Ω.cm以下，由于P型氮化硼能够有效地提供空穴并与金属电极形成良好的欧姆接触，使得探测器的响应时间变短、量子效率以及光谱响应度提升。
2.异质外延的晶体质量较好
本发明由于采用纤锌矿结构的氮化硼薄膜作为AlGaN基紫外探测器的P型层材料，其晶格常数与AlGaN材料较为匹配，可以减少材料生长中的应力，使得两者相互之间可以较好地进行异质外延。
3.当前的MOCVD生长工艺相兼容
本发明采用MOCVD生长P型层BN，只需使用三乙基硼等有机源，就可沉积P型BN，无需额外的生长工艺，可与当前的MOCVD生长工艺相兼容。
附图说明
图1是本发明器件的剖面结构示意图；
图2是本发明制作器件的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图说明，更具体地说明本发明的内容。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明中，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
参照图1，本发明的AlGaN基紫外探测器，包括：衬底1、AlN成核层2、AlN本征层3、AlGaN本征层4、n型AlGaN层5、n电极6、i型AlGaN层7、p型BN层8和p电极9。
其中衬底1采用C面蓝宝石；AlN成核层2位于衬底层1之上，其厚度为5-15nm；AlN本征层3位于AlN成核层2之上，其厚度为20-300nm；AlGaN本征层4位于AlN本征层3之上，其厚度为500-2000nm；n型AlGaN层5位于AlGaN本征层4之上，其厚度为300-500nm的Si掺杂的n型AlGaN层，掺杂浓度为2×1018cm-3；n电极6位于n型AlGaN层5之上；i型AlGaN层7位于n电极6之上，其厚度为852-990nm；p型层8位于i型AlGaN层7之上，其厚度为60-100nm，采用Mg掺杂的纤锌矿型氮化硼材料，掺杂浓度为5×1017-1×1019cm-3；p电极9位于p型BN层8之上。
参照图2，本发明给出制备的AlGaN基紫外探测器的如下三种实施例：
实施例1，制备探测截止波长为345nm的AlGaN基紫外探测器。
步骤一，对衬底进行预处理。
1a)将c面蓝宝石衬底经过清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至2×10-2Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为200Torr条件下，将衬底加热到温度为1000℃，并保持9min，完成对衬底基片的热处理；
2a)将热处理后的衬底置于温度为1150℃的反应室，通入流量为4000sccm的氨气，持续10min进行氮化，完成氮化。
步骤二，生长AlN成核层。
在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为600℃的条件下，同时通入流量为2500sccm的氨气和流量为15sccm的铝源，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为5nm的低温AlN成核层。
步骤三，生长AlN本征层。
在AlN成核层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1000℃的条件下，同时通入通入流量为2500sccm的氨气和34sccm的铝源，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为20nm的未掺杂高温AlN本征层。
步骤四，生长AlGaN本征层。
在AlN本征层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1000℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氨气、流量为47sccm的镓源和流量为200sccm的铝源这三种气体，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为500nm的AlGaN本征层。
步骤五，生长n型AlGaN层。
在AlGaN本征层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1000℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氨气、流量为47sccm的镓源、流量为200sccm的铝源和流量为4sccm硅源这四种气体，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为300nm、掺杂浓度为2×1018cm-3的n型AlGaN层。
步骤六，生长i型AlGaN层。
在n型AlGaN层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1000℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氨气、流量为47sccm的镓源和流量为200sccm的铝源这三种气体，在保持压力为20Torr的条件下，生长厚度为852nm的i型AlGaN。
步骤七，生长p型氮化硼层。
在i型层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气、流量为180sccm的硼源和流量为12sccm的Mg源，在保持压力为80Torr的条件下生长厚度为60nm、掺杂浓度为5×1017cm-3的p型氮化硼层。
步骤八，刻蚀并制作电极。
采用感应耦合等离子体或者反应离子刻蚀从顶部p型BN层刻蚀至n型AlGaN层，形成n型AlGaN台面淀积电极。采用溅射金属的方法分别在n型GaN层(5)上沉积n型电极，在p型BN层(8)沉积p型电极，完成探测截止波长为345nm的AlGaN基紫外探测器的制作。
实施例2，制备探测截止波长为325nm的AlGaN基紫外探测器。
步骤1，对衬底进行预处理。
首先，将c面蓝宝石衬底经过清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至2×10-2Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为750Torr条件下，将衬底加热到温度为1200℃，并保持5min，完成对衬底基片的热处理；
然后，将热处理后的衬底置于温度为1100℃的反应室，通入流量为3000sccm的氨气，持续8min进行氮化，完成氮化。
步骤2，生长AlN成核层。
在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为660℃的条件下，同时通入流量为2800sccm的氨气和流量为40sccm的铝源，在保持压力为40Torr的条件下生长厚度为12nm的低温AlN成核层。
步骤3，生长AlN本征层。
在AlN成核层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1200℃的条件下，同时通入通入流量为2800sccm的氨气和44sccm的铝源，在保持压力为40Torr的条件下生长厚度为240nm的未掺杂高温AlN本征层。
步骤4，生长AlGaN本征层。
在AlN本征层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氨气、流量为47sccm的镓源和流量为230sccm的铝源这三种气体，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为1500nm的AlGaN本征层。
步骤5，生长n型AlGaN层。
在AlN本征层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氨气、流量为47sccm的镓源、流量为230sccm的铝源和流量为4sccm硅源这四种气体，在保持压力为40Torr的条件下生长厚度为400nm、掺杂浓度为2×1018cm-3的n型AlGaN。
步骤6，生长i型AlGaN层。
在n型AlGaN层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氨气、流量为47sccm的镓源和流量为230sccm的铝源这三种气体，在保持压力为40Torr的条件下，生长厚度为940nm的i型AlGaN。
步骤7，生长p型氮化硼层。
在i型层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1050℃的条件下，同时通入流量为2800sccm的氨气、流量为165sccm的硼源和流量为34sccm的Mg源，在保持压力为40Torr的条件下生长厚度为80nm、掺杂浓度为1.5×1018cm-3的p型氮化硼层。
步骤8，刻蚀并制作电极。
本步骤的具体实施与实施例一的步骤八相同，完成探测截止波长为325nm的AlGaN基紫外探测器的制作。
实施例3，制备探测截止波长为300nm的AlGaN基紫外探测器。
步骤A，对衬底进行预处理。
将c面蓝宝石衬底经过清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至2×10-2Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为50Torr条件下，将衬底加热到温度为900℃，并保持5min，完成对衬底基片的热处理；再将热处理后的衬底置于温度为1050℃的反应室，通入流量为2000sccm的氮气，持续5min进行氮化，完成氮化。
步骤B，生长AlN成核层。
在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为700℃的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气和流量为45sccm的铝源，在保持压力为60Torr的条件下生长厚度为15nm的低温AlN成核层。
步骤C，生长AlN本征层。
在AlN成核层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1400℃的条件下，同时通入通入流量为3000sccm的氨气和84sccm的铝源，在保持压力为60Torr的条件下生长厚度为300nm的未掺杂高温AlN本征层
步骤D，生长AlGaN本征层。
在AlN本征层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1200℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氨气、流量为47sccm的镓源和流量为270sccm的铝源这三种气体，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为2000nm的AlGaN本征层
步骤E，生长n型AlGaN层。
在AlN本征层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1200℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氨气、流量为47sccm的镓源、流量为270sccm的铝源和流量为4sccm硅源这四种气体，在保持压力为60Torr的条件下生长厚度为500nm、掺杂浓度为2×1018cm-3的n型AlGaN。
步骤F，生长i型AlGaN层。
在n型层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1200℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氨气、流量为47sccm的镓源和流量为270sccm的铝源这三种气体，在保持压力为60Torr的条件下，生长厚度为990nm的i型AlGaN。
步骤G，生长p型氮化硼层。
在i型层上采用MOCVD工艺在反应室温度为950℃的条件下，同时通入流量为2500sccm的氨气、流量为150sccm的硼源和流量为100sccm的Mg源这三种气体，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为100nm、掺杂的浓度为1×1019cm-3的p型氮化硼层。
步骤H，刻蚀并制作电极。
本步骤的具体实施与实施例一的步骤八相同，完成探测截止波长为300nm的AlGaN基紫外探测器的制作。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种p-BN/i-AlGaN/n-AlGaN的紫外探测器，自下而上包括：衬底(1)、AlN成核层(2)、AlN本征层(3)、AlGaN本征层(4)、n型AlGaN层(5)、n电极(6)、i型AlGaN层(7)、P型BN层(8)和p电极(9)，其特征在于，p型BN层(8)采用厚度为60-100nm的Mg掺杂的纤锌矿氮化硼材料，掺杂的浓度为5×1017-1×1019cm-3。
2.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于：
AlN成核层(2)的厚度为5-15nm；
AlN本征层(3)的厚度为20-300nm。
3.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于：
AlGaN本征层(4)的厚度为500-2000nm；
n型AlGaN层(5)的Si掺杂浓度为2×1018cm-3，其厚度为300-500nm；
i型AlGaN层(7)的厚度为852-990nm。
4.一种制备p-BN/i-AlGaN/n-AlGaN紫外探测器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在衬底上，利用MOCVD工艺，生长厚度为5-15nm的低温AlN成核层；
2)在低温AlN成核层上，利用MOCVD工艺，采用脉冲式的通入方式生长厚度为20-300nm的高温AlN本征层；
3)在高温AlN本征层上，利用MOCVD工艺，生长厚度为500-2000nm的本征AlGaN层；
4)在本征AlGaN层上，利用MOCVD工艺，生长厚度为300-500nm的n型AlGaN层，其Si掺杂浓度为2×1018cm-3；
5)n型AlGaN层上，利用MOCVD工艺，生长厚度为852-990nm的未掺杂的i型AlGaN层；
6)在i型AlGaN层上，利用MOCVD工艺，生长厚度为60-100nm的p型BN层，其工艺条件如下：
反应室温度为950-1100℃，保持反应室压力为20-60Torr，向反应室同时通入流量为2500-3000sccm的氨气、流量为150-180sccm的硼源和流量为12-100sccm的镁源这三种气体；
7)采用感应耦合等离子体或者反应离子刻蚀从顶部p型BN层刻蚀至n型AlGaN层，形成n型AlGaN台面；
8)在n型A1GaN台面上光刻出n型电极的图形，使用镀膜机，蒸镀n型电极；
9)在p型BN层光刻出p型电极的图形，使用镀膜机，蒸镀P型电极，完成器件制作。
5.根据权利4要求所述的方法，其特征在于，步骤1)中生长的AlN成核层，其工艺条件如下：
反应室温度为600-700℃，
保持反应室压力为20-60Torr，
向反应室同时通入流量为2500-3000sccm的氨气和流量为15-45sccm的铝源这两三种气体。
6.根据权利4要求所述的方法，其特征在于，步骤2)中生长的AlN本征层，其工艺条件如下：
反应室温度为1000-1400℃，
保持反应室压力为20-60Torr，
向反应室同时通入流量为2500-3000sccm的氨气和流量为34-84sccm的铝源这两三种气体。
7.根据权利4要求所述的方法，其特征在于，步骤3)中生长本征AlGaN层，其工艺条件如下：
反应室温度为1000-1200℃，
保持反应室压力为20-60Torr，
向反应室通入流量为200-270sccm的铝源。
8.根据权利4要求所述的方法，其特征在于，步骤4)中生长n型AlGaN层，其工艺条件如下：
反应室温度为1000-1200℃，
保持反应室压力为20-60Torr，
向反应室通入流量为200-270sccm的铝源。
9.根据权利4要求所述的方法，其特征在于，步骤5)生长i型AlGaN层，其工艺条件如下：
反应室温度为1000-1200℃，
保持反应室压力为20-60Torr，
向反应室通入流量为200-270sccm的铝源。
10.根据权利4要求所述的方法，其特征在于，步骤6)生长p型BN层，其工艺条件如下：
反应室温度为950-1100℃，
保持反应室压力为20-80Torr，
向反应室同时通入流量为2500-3000sccm的氨气、流量为150-180sccm的硼源和流量为12-100sccm的镁源这三种气体。
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