CN109920876A - 一种高响应紫外探测器的制作方法 - Google Patents

一种高响应紫外探测器的制作方法 Download PDF

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Abstract

一种高响应紫外探测器的制作方法，属于半导体器件制备技术领域，本发明通过在GaN籽晶层上形成具有条形或十字形沟槽窗口的掩膜层，并控制生长掩膜沿指定晶向排列，然后利用MOCVD选择性横向外延工艺获得低缺陷密度的半极性晶面Al x Ga1‑x N材料，最后在Al x Ga1‑x N材料表面制备金属叉指结构电极形成肖特基接触，从而实现高响应紫外探测器。

Description

一种高响应紫外探测器的制作方法
技术领域
本发明属于半导体器件制备技术领域，具体涉及紫外探测器件的加工工艺。
背景技术
紫外探测技术在紫外预警及侦察、紫外通讯、火警系统、环境污染监测、医学成像等领域具有极其重要的应用。近年来，GaN基宽禁带半导体材料（GaN、AlGaN）已逐渐成为制备紫外探测器件的优选材料体系，GaN基半导体材料具有的高电子饱和速度、高击穿电场、高热导率、抗高温和耐辐射等物理化学特性使其紫外探测器件能够很好地在高温及宇航等极端条件下工作。AlGaN基紫外探测器工作电压低、体积小，具有较高的量子效率和较短的响应时间，通过调节AlGaN材料的金属Al组分可以使探测器探测波长在200～365nm范围内连续可调，非常适用于在可见光背景下辨别并监测日盲紫外辐射波段。
GaN基光伏型探测器是利用半导体光伏效应制作的光探测器，根据内建电场结势垒的不同，可分为p-n结、p-i-n结、金属-半导体肖特基势垒、金属-半导体-金属（MSM）结构等多种形式。其中，MSM光伏探测器以其高响应度和高灵敏度、大紫外光/可见光探测比等优势，成为目前最受关注的紫外探测器结构之一。MSM结构紫外探测器由两个背靠背的共平面肖特基接触串联组成，电容较其他结构都小，同时不需要进行P型掺杂，结构简单可靠且与FET制作工艺兼容。因此，高响应度、本征高速的MSM结构紫外探测器具有很好的应用前景，适合大规模产业化。
AlGaN基MSM紫外探测器虽然拥有以上诸多优势，但基于c面蓝宝石衬底异质外延生长存在的晶格失配和热失配会在AlGaN材料中引入大量位错缺陷，高密度缺陷使AlGaN肖特基接触势垒厚度变薄，导致肖特基势垒存在缺陷辅助的隧穿电流，从而增加探测器的暗电流，同时，金属半导体界面的缺陷态会捕获光生载流子导致光电导增益，严重影响探测器件的响应速度，另外，极性面AlGaN材料具有较强的极化效应，严重影响了光生载流子的输运，导致光生载流子不能被有效收集，限制了器件搜集效率和性能。
发明内容
针对Al x Ga 1-x N基MSM紫外探测器材料缺陷密度高以及极化效应导致的器件性能降低问题，本发明提出一种高响应紫外探测器的制作方法。
本发明包括以下步骤：
1）采用等离子体增强化学气相沉积法在GaN籽晶层上外延生长掩膜层；
2）采用光刻工艺和湿法腐蚀方法，在掩膜层上开出条形或十字形沟槽窗口，直至沟槽窗口的底部暴露出GaN籽晶层，然后清洗；
3）采用金属有机物化学气相沉积法，在具有沟槽窗口的半制品一侧外延生长半极性面GaN材料和Al x Ga 1-x N材料层，其中x为0～1；
4）利用光刻定义金属叉指电极区域，通过电子束蒸发工艺形成Ni/Au双层金属MSM电极结构；然后在700～900℃温度范围内的氮气下进行20～50秒的快速热退火，形成Al x Ga 1-x N/Ni/Au肖特基接触，即得基于半极性Al x Ga1-x N材料的MSM紫外探测器件，也就是高响应紫外探测器。
本发明通过在GaN籽晶层上形成具有条形或十字形沟槽窗口的掩膜层，并控制生长掩膜沿指定晶向排列，然后利用MOCVD选择性横向外延工艺获得低缺陷密度的半极性晶面Al x Ga1-x N材料，最后在Al x Ga1-x N材料表面制备金属叉指结构电极形成肖特基接触，从而实现高响应紫外探测器。
本发明中的选择性横向外延工艺采用条形或十字形沟槽窗口结构作为生长掩膜层，其掩膜区域能阻挡异质外延晶格失配产生的大量位错线，而在生长窗口区域向上延伸的位错线有极大一部分会在半极性面界面处发生90度偏转，数量大大减少。进一步地，针对深紫外探测器中高组分Al x Ga 1-x N半极性材料，通过优化设计掩膜层的填充因子可以极大降低材料的位错密度，能够有效降低探测器件的暗电流和光电导增益。
采用本发明方法获得的半极性面Al x Ga 1-x N材料MSM紫外探测器件性能参数达到以下指标：①器件的暗电流低于2 pA；②内量子效率达到30%。
本发明适合于降低Al x Ga 1-x N基MSM紫外探测器的暗电流并提升器件工作性能，经过合理设计的半极性Al x Ga 1-x N材料MSM结构紫外探测器能够兼顾到降低材料缺陷密度、降低极化效应、抑制器件暗电流、提升探测器件响应度和响应速度等多重工艺目的。
本发明半极性Al x Ga1-x N材料金属Al组分x为0～1，对应紫外探测器的响应波长为365nm～200nm。
进一步地，本发明所述条形沟槽窗口的方向沿GaN籽晶层的或晶体方向，本发明所述十字形沟槽窗口的方向沿GaN籽晶层的或晶体方向。
根据金属有机物化学气相沉积选择性横向外延生长质量输运机制，GaN半极性面种类主要取决于晶面的表面能和表面原子稳定性，当生长掩膜条沿GaN的晶向时，可生长获得微面形貌为晶面的半极性材料，而当生长掩膜沿GaN的晶向时，可生长获得微面形貌为晶面的半极性材料。
另外，本发明所述掩膜层为二氧化硅（SiO2）层或氮化硅（SiNx）层，由于Si-O、Si-N键键能远大于Ga-N键能，导致Ga和N原子不易在SiO2或SiNx上生长形成GaN，所以当在掩膜图形上生长GaN材料时，GaN沉积于GaN籽晶窗口区域的速度比在SiO2或SiNx掩膜上快得多，从而形成选择性生长。
同时，针对深紫外探测器所需要的高组分Al x Ga 1-x N半极性材料，通过优化设计二氧化硅或氮化硅掩膜层的填充因子，能够显著增加半极性微面结构生长过程中反应原子的表面迁移能力，有利于降低半极性晶面的位错缺陷密度。
本发明产品可以直接以GaN籽晶层作为自支撑衬底材料，也可以在所述步骤1）之前，采用金属有机物化学气相沉积法在衬底上外延生长GaN籽晶层，所述衬底为蓝宝石或硅，形成采用基于异质衬底（蓝宝石、硅等）外延生长的GaN薄膜材料。
附图说明
图1为本发明的条形沟槽二氧化硅生长掩膜结构示意图。
图2为本发明的十字形沟槽二氧化硅生长掩膜结构示意图。
图3为本发明的半极性AlGaN材料外延生长结构示意图。
图4为本发明的半极性AlGaN材料的表面SEM图像。
图5为传统极性面AlGaN材料的表面SEM图像。
图6为本发明产品的一种结构示意图。
具体实施方式
一、生产设备、材料：
1、行星盘式4英寸11片金属有机物化学气相淀积MOCVD制备系统。
2、三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）分别作为MOCVD生长过程中的镓、铝元素的金属有机物MO生长源，氨气（NH3）作为氮源，MO源进气辅助气路：生长源以及辅助气路通过独立管道和系统输入MOCVD反应室。
3、等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）用于淀积二氧化硅（或氮化硅等）材料。
4、电子束蒸发用于蒸发Ti、Al、Ni、Au等金属薄膜。
二、具体步骤：
参照图1～3，基于半极性Al x Ga 1-x N材料MSM紫外探测器件结构具体工艺步骤如下。
步骤1：首先利用MOCVD在c面蓝宝石衬底1上外延生长2μm厚的GaN籽晶层2。
步骤2：利用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）在GaN籽晶层2上淀积20~900nm厚的二氧化硅（SiO2）掩膜层3。
步骤3：如图1所示，结合光刻工艺和湿法腐蚀的方法在SiO2掩膜层3上开出条形沟槽窗口，沟槽窗口的方向沿GaN籽晶层的或晶体方向，暴露出GaN籽晶层2。
或如图2所示，结合光刻和湿法腐蚀的方法在SiO2掩膜层3上开出十字形沟槽窗口，沟槽窗口的方向分别沿GaN籽晶层的和晶体方向，暴露出GaN籽晶层2。
步骤4：将带有掩膜图形的GaN籽晶层模板仔细清洗，以去除窗口区域表面的氧化物。然后放入MOCVD反应室在高温下进行第二次外延生长，获得半极性面Al x Ga 1-x N材料层4，如图3所示。
步骤5：利用光刻定义金属叉指电极区域，通过电子束蒸发工艺形成Ni/Au双层金属MSM正负电极结构5、6，随后在700～900℃温度范围内的氮气下进行20～50秒的快速热退火，形成Al x Ga 1-x N/Ni/Au肖特基接触，完成半极性Al x Ga 1-x N材料MSM紫外探测器件制备，如图6所示。
以上实施例中的MOCVD选择性横向外延工艺采用条形沟槽或十字形沟槽结构的二氧化硅（或氮化硅等）作为生长掩膜层，如图1～2所示。
从图3可见，生长掩膜层的掩膜区域阻挡了晶格失配产生的大量位错线，同时在生长窗口区域向上延伸的位错线由于会在半极性面界面处发生偏转而降低密度。
从图4、5的SEM表面图像可见，相比于传统极性面AlGaN材料，半极性Al x Ga 1-x N的表面缺陷数量大幅下降，位错密度仅为4.59×107cm-2。进一步地，通过优化设计生长掩膜层的填充因子尤其可以极大降低应用于深紫外探测器中高组分Al x Ga 1-x N半极性材料的位错密度，从而有效降低深紫外探测器件的暗电流和光电导增益。
本发明将低缺陷密度的半极性Al x Ga 1-x N材料成功应用于MSM结构紫外探测器件，在实际生产中，可以通过精确调节Al x Ga1-x N材料中金属Al元素组分比x（x取值范围为0~1），使Al x Ga 1-x N带隙宽度在3.4eV～6.2eV范围连续可调，进而使MSM紫外探测器件的响应波长范围处于365nm～200nm。
其中，Al x Ga 1-x N材料带隙宽度Eg可按下式求解：
上式中，Al x Ga 1-x N材料的能带弯曲参数b AlGaN 取0.7 eV。
本发明中的选择性横向外延工艺采用条形沟槽或十字形沟槽结构二氧化硅材料（或氮化硅等）作为生长掩膜层，其掩膜区域能阻挡异质外延晶格失配产生的大量位错线，而在生长窗口区域向上延伸的位错线有极大一部分会在半极性面界面处发生90度偏转，数量大大减少。进一步地，针对深紫外探测器中高组分Al x Ga 1-x N半极性材料，通过优化设计生长掩膜层的填充因子可以极大降低材料的位错密度，有效降低探测器件的暗电流和光电导增益。
采用本发明方法获得的半极性Al x Ga 1-x N材料MSM紫外探测器件性能参数达到以下指标：①器件的暗电流低于2 pA；②内量子效率达到30%。
本发明适合于降低Al x Ga 1-x N基MSM紫外探测器的暗电流并提升器件工作性能，经过合理设计的半极性Al x Ga 1-x N材料MSM结构紫外探测器能够兼顾到降低材料缺陷密度、降低极化效应、抑制器件暗电流、提升探测器件响应度和响应速度等多重工艺目的。
本发明可以取代传统紫外探测器件的制备方法，经过合理设计的选择性横向外延工艺能够兼顾到降低结构中Al x Ga 1-x N材料缺陷密度和极化强度，结合金属叉指结构电极工艺，能有效提高光生载流子的收集效率，在降低紫外探测器暗电流的同时进一步提高响应度和响应速度。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高响应紫外探测器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
1）采用等离子体增强化学气相沉积法在GaN籽晶层上生长掩膜层；
2）采用光刻工艺和湿法腐蚀方法，在掩膜层上开出条形或十字形沟槽窗口，直至沟槽窗口的底部暴露出GaN籽晶层，然后清洗；
3）采用金属有机物化学气相沉积法，在具有沟槽窗口的半制品一侧依次外延生长半极性面GaN材料层和Al x Ga 1-x N材料层，其中x为0～1；
4）利用光刻工艺定义金属叉指电极区域，通过电子束蒸发工艺形成Ni/Au双层金属MSM电极结构，然后在700～900℃温度范围内的氮气下进行20～50秒的快速热退火，形成Al x Ga 1-x N/Ni/Au肖特基接触，即得高响应紫外探测器。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述条形沟槽窗口的方向沿GaN籽晶层的或晶体方向。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述十字形沟槽窗口的方向沿GaN籽晶层的或晶体方向。
4.根据权利要求1或2或3所述的制作方法，其特征在于所述掩膜层为二氧化硅层或氮化硅层。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的制作方法，其特征在于所述掩膜层的填充因子（即为沟槽窗口宽度与周期宽度的比例）取值为0.01～0.99。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述半极性GaN材料的晶面沿预定的半极性或方向。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述半极性Al x Ga1-x N材料的晶面沿预定的半极性或方向。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：在所述步骤1）之前，采用金属有机物化学气相沉积法在衬底上外延生长GaN籽晶层。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于所述衬底为蓝宝石或硅。
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