CN109713083A - 一种原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法 - Google Patents

一种原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，属于半导体技术领域。本方法主要解决了现有技术手段难以将Al等离激元制备到PIN结构AlGaN探测器本征吸收层，无法实现PIN结构AlGaN基紫外探测器增强的问题。该方法包括在衬底上生长AlN模板层；在AlN模板层上生长n‑AlGaN外延层；在n‑AlGaN外延层上生长含有Al纳米颗粒的i‑AlGaN外延层等步骤。本发明充分利用Al等离激元对AlGaN探测器性能的增强作用，在难以提高AlGaN材料质量的情况下，为高灵敏度AlGaN紫外探测器的实现提供了新途径，而且工艺简单，结构新颖，可大面积应用，具有广阔的应用前景。

Description

一种原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的 方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法。
背景技术
三元合金AlGaN材料，为直接带隙半导体材料，其禁带宽度随Al组分的变化在3.4～6.2eV之间连续可调，可实现带边响应的波长范围为365～200nm，覆盖了大部分的紫外波段，是制作紫外及深紫外探测器的理想材料，此外，AlGaN基材料具有化学稳定性强，耐高温，耐高压，抗辐照等优势，使得基于此的紫外及深紫外探测器在军事和民用上都具有广阔的应用前景。
近年来，AlGaN基紫外光电器件受到国内外研究人员的广泛关注，实现了多种结构的紫外及深紫外探测器，如光电导型探测器、金属-半导体-金属(MSM)型探测器、肖特基(Schottky)型探测器、以及P-I-N型探测器等，取得了一定的突破和进展，但目前的器件性能远低于期待。其中AlGaN基PIN型紫外探测器工作电压低，暗电流小，且制造工艺成熟，与半导体平面工艺兼容性好，具有很好的实用价值和应用前景，但目前器件性能仍不具有竞争力，制约器件的根本原因在于材料问题，AlGaN材料质量差以及p型掺杂低的问题一直难以解决。
目前，利用金属纳米结构产生的等离激元效应提高器件性能的方法成为新的研究热点，为提高探测器性能提供了一种新思路。表面等离激元是指在受外界能量激励下，金属表面的自由电子和光子相互作用，发生集体振荡而产生的一种存在于金属表面的激发态倏逝波。它以振动电磁波的形式沿金属和电介质的界面传播，并且在垂直于界面的方向，其振幅呈现指数衰减。金属纳米颗粒形成的局域表面等离激元会产生局域场的增强，可以显著提高器件性能。
Al等离激元是增强AlGaN基紫外、深紫外光电探测器性能的最优选择，具有共振频率高，成本低的优势。制备Al等离激元可以直接利用金属蒸发得到，但是由于Al原子的迁移能力较弱，需要优化过的蒸镀过程才可以实现，如斜角蒸发，这种方法过程简单，颗粒尺寸可以根据蒸镀时间来调节，但难以实现可重复性，尺寸均一，分布均匀的纳米结构；也可以利用光刻形成图形窗口后再沉积金属得到Al的纳米颗粒，包括电子束光刻、纳米球光刻和纳米压印等，这种方式得到的纳米结构具有较为规则的图形，但总体来说尺寸较大，不利于充分发挥等离激元的增益效果。不同的制备方法虽各有优缺点，但都可以在一定程度上增强器件的性能，从实验上证明了Al表面等离激元对紫外光电探测器的增益作用。
但以上各种制备方式都存在一个共同的问题，就是只能在器件的表面制备Al纳米结构，即只能实现MSM型探测器的性能提升，而无法应用于更具优势的PIN结构探测器，因为表面制备的等离激元结构通常距离主要用于实现探测的本征吸收层具有一定的距离，往往由于表面等离激元产生的局域场增强的能量为到达有源区就已经损失，从而无法将等离激元的增益作用最大化。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)原位生长Al纳米结构提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法。本发明提供的纳米粒子提高AlGaN基探测器性能的基本原理是利用Al纳米颗粒的表面等离激元效应，产生局域场增强，可以更好的作用于有源区，从而提高探测器性能。
本发明提供的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底上生长AlN模板层；
步骤二、在AlN模板层上生长n-AlGaN外延层；
步骤三、在n-AlGaN外延层上生长含有Al纳米颗粒的i-AlGaN外延层；
步骤四、在i-AlGaN外延层上生长p-AlGaN外延层，完成器件结构生长；
步骤五、利用光刻技术获得探测器的掩膜图形，利用刻蚀技术做出器件台面；
步骤六、通过真空蒸发技术制备金属电极；
步骤七、利用Lift Off技术去除多余金属，获得探测器结构；
步骤八、电极退火，完成探测器制备。
优选地，步骤一所述衬底为蓝宝石、硅或碳化硅。
优选地，步骤一高温采用MOCVD技术，采用两步生长法在衬底上生长AlN模板层。
优选地，步骤二采用MOCVD法，SiH4作为AlGaN材料n型掺杂源。
优选地，步骤三的制备方法是利用铝金属源受热分解的特性，在MOCVD中原位生长Al纳米颗粒得到。
优选地，步骤四采用二茂镁作为AlGaN材料p型掺杂源生长p-AlGaN材料。
优选地，步骤五光刻所用的光刻胶型号为正胶AZ5412，同时具有反转特性，可以充当负胶使用，刻蚀方法主要包括反应离子刻蚀(RIE)和电感耦合等离子体刻蚀(ICP)。
优选地，步骤六中的金属电极具体为：与AlGaN构成肖特基接触电极的材料为Ni、Au、Pt或Ni/Au金属材料，与AlGaN构成欧姆接触电极的材料为Ti/Al或Ti/Al/Ti/Au多层金属材料。制备电极的方法为电子束蒸发或者热蒸发。
优选地，步骤七所用的溶液为丙酮。
优选地，步骤八在氮气氛围下对电极退火，退火温度为400-700度，时间为0.5-15分钟。电极退火的具体条件根据金属种类而定。
优选地，对于Ni/Au电极，退火温度为400-600度，时间为3-15分。
优选地，对于Ti/Al电极，退火温度为500-700度，时间为0.5-5分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，在常规AlGaN基PIN型探测器制备工艺方法的基础上，在器件有源区中引入Al纳米结构，发挥其等离激元效应，提高有源区的光吸收，从而提高AlGaN基PIN型探测器性能。本发明的方法，具有工艺简单，结构新颖，效果显著的优点，可大面积应用，具有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法流程图；
图2为本发明实施例2提供的AlGaN基PIN型探测器的结构示意图。
附图说明：
1、衬底；2、AlN模板层；3、n-AlGaN外延层；4、Al纳米颗粒；5、i-AlGaN外延层；6、p-AlGaN外延层；7、接触电极；8、接触电极。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细介绍，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
参见图1，本发明提供的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底上生长AlN模板层；
步骤二、在AlN模板层上生长n-AlGaN外延层；运用MOCVD的方法生长AlGaN材料，由于Al的迁移率较低导致材料质量较低，因此采用高温MOCVD外延的方法提高Al原子迁移率，提高材料质量。生长n-AlGaN材料时以硅烷(SiH4)作为AlGaN材料n型掺杂源，Si原子替位Ga。
步骤三、在n-AlGaN外延层上生长含有Al纳米颗粒的i-AlGaN外延层；生长本征AlGaN层，之后通过单独通铝有机金属源的方式在本征AlGaN层中制备Al纳米结构。
步骤四、在i-AlGaN外延层上生长p-AlGaN外延层，以二茂镁(Cp2Mg)作为p型掺杂剂，完成器件结构生长；
步骤五、利用光刻技术获得探测器的掩膜图形，利用刻蚀技术做出器件台面；
步骤六、通过真空蒸发技术制备金属电极；
步骤七、利用Lift Off技术去除多余金属，其中所用的溶液为丙酮，获得探测器结构；
步骤八、电极退火，使电极与外延片之间接触更好，完成探测器制备。
实施例2
参见图2，结合具体的实施例对本发明提供的利用原位生长Al等离激元制备的AlGaN基PIN型探测器，进一步详细说明如下：
选择外延AlGaN材料的所需衬底1，具体为C面蓝宝石衬底。
运用高温MOCVD技术，两步生长法生长AlN模板层2。
在AlN模板层2上生长n-AlGaN外延层3。
在n-AlGaN外延层3上生长含有Al纳米颗粒4的i-AlGaN外延层5。
在i-AlGaN外延层5上生长p-AlGaN外延层6。
利用光刻技术，刻蚀技术得到器件所需图形窗口。
利用电子束蒸发技术，在此光刻胶掩膜图形上蒸发金属电极，这样，光刻胶掩膜图形窗口的地方，AlGaN外延层直接与金属电极接触，光刻胶掩护的地方，光刻胶与金属电极接触。
利用Lift Off技术，以丙酮作为溶解溶液溶解光刻胶，使得光刻胶与光刻胶上面覆盖的金属材料脱落，得到接触电极7和8。
利用快速退火炉，在氮气氛围下对电极退火，退火温度为400-600度，时间为3-15分钟。
本发明方法不限于上述实施例，本发明所述方法也能够有效提高AlGaN肖特基结构、MSM结构以及PN结构探测器件的性能。本发明是在金属等离激元增强器件性能的基础上，将金属纳米颗粒进一步引入有源区中，增强器件性能。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、在衬底上生长AlN模板层；
步骤二、在AlN模板层上生长n-AlGaN外延层；
步骤三、在n-AlGaN外延层上生长含有Al纳米颗粒的i-AlGaN外延层；
步骤四、在i-AlGaN外延层上生长p-AlGaN外延层，完成器件结构生长；
步骤五、利用光刻技术获得探测器的掩膜图形，利用刻蚀技术做出器件台面；
步骤六、通过真空蒸发技术制备金属电极；
步骤七、利用Lift Off技术去除多余金属，获得探测器结构；
步骤八、电极退火，完成探测器制备。
2.根据权利要求1所述的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，其特征在于，步骤一所述衬底为蓝宝石、硅或碳化硅。
3.根据权利要求1所述的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，其特征在于，步骤二采用MOCVD法，SiH4作为AlGaN材料n型掺杂源。
4.根据权利要求1所述的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，其特征在于，步骤三的制备方法是利用铝金属源受热分解的特性，在MOCVD中原位生长Al纳米颗粒得到。
5.根据权利要求1所述的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，其特征在于，步骤四采用二茂镁作为AlGaN材料p型掺杂源生长p-AlGaN材料。
6.根据权利要求1所述的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，其特征在于，步骤六中的金属电极具体为：与AlGaN构成肖特基接触电极的材料为Ni、Au、Pt或Ni/Au金属材料，与AlGaN构成欧姆接触电极的材料为Ti/Al或Ti/Al/Ti/Au多层金属材料。
7.根据权利要求1所述的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，其特征在于，步骤七所用的溶液为丙酮。
8.根据权利要求1所述的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，其特征在于，步骤八在氮气氛围下对电极退火，退火温度为400-700度，时间为0.5-15分钟。
9.根据权利要求8所述的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，其特征在于，对于Ni/Au电极，退火温度为400-600度，时间为3-15分。
10.根据权利要求8所述的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，其特征在于，对于Ti/Al电极，退火温度为500-700度，时间为0.5-5分钟。
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