CN110676272A - 一种半导体紫外光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件领域，具体为一种高灵敏度集成式半导体紫外光电探测器。反偏的肖特基结将入射的光子转换为光电子。产生的光电子堆积在电学悬浮的栅极上，调控高电子迁移率晶体管的导通电流，从而对光生电子放大，实现高探测灵敏度。相对于普通的独立式紫外光电探测器，本发明提出的器件具有两大优点：利用高电子迁移率晶体管放大光电信号，大幅提升灵敏度；将紫外光电探测肖特基二极管与高电子迁移率晶体管集成在同一衬底上，有助于形成多功能的单片集成模块，降低系统体积和成本。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种半导体紫外光电探测器。
背景技术
工作于紫外波段，特别是波长在200nm-280nm范围的光电探测器具有独特的优势和应用。在太阳辐射中，波长在200nm-280nm范围的紫外线被臭氧层强烈地吸收，到达地表的背景辐射很小，称为“日盲紫外区域”。而工作于此波段的“日盲紫外”光电探测器受太阳的背景噪声干扰小，在军民领域具有广泛的用途。日盲紫外光电探测器可用于电力系统中的电弧放电检测，导弹预警，火灾监测和太空探索等领域。相比于可见光和红外探测器，具有抗干扰能力强，无须制冷，体积小和可靠性高等优点。此外，由于大气中的分子和悬浮颗粒的散射作用，紫外线在大气中的衰减严重且可进行非直线传播，因此可用于短距离的保密通信和非视距通信。
近年来，新型第三代半导体材料，如碳化硅(SiC)，氮化镓(GaN)和铝镓氮(AlGaN)等，得到了科研和工业界的广泛关注。这些材料的禁带宽度高，暗电流小，对可见光和红外不敏感，具有较强的本征紫外选择性。普通p-n结的紫外探测器没有任何内部增益，由于短波长下的光电探测器本征响应较度(～0.1A/W)，在光强较弱和探测器面积受限的情况下(如二维阵列中)，光电流较低，难以满足需求。波长越短，灵敏度越低，这是固有的物理规律。基于宽禁带材料的雪崩光电二极管(APD)，需要极高的工作电压(～100V)。此外，采用分立器件形式的紫外光电探测器需要后续的信号放大和其他功能模块的配合才能形成整套系统，体积庞大，价格高昂。
发明内容
本发明的目的在于提出一种集成式的高灵敏度紫外光电探测器，将光电探测部件和信号放大用的晶体管以及后续的信号处理电路共同集成在单片的氮化镓/铝稼氮的高电子迁移率异质衬底上。能够在有效提升光电探测灵敏度的同时减小系统的体积。非常适合高灵敏度，小体积的紫外探测应用领域。
一种半导体紫外光电探测器的制造方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
一、制备半导体紫外光电探测器的外延层结构，包括衬底及在其上外延的氮化镓层和最上层的铝镓氮层；
二、光刻并刻蚀定义出沟道、肖特基光电探测器的铝镓氮区域和高电子迁移率晶体管的铝镓氮区域；
三、刻蚀并淀积金属层形成高电子迁移率晶体管的源极和漏极，高温退火以形成欧姆接触；
四、光刻并淀积金属层形成紫外光电探测器和晶体管悬浮栅极，紫外光电探测器组成叉指状肖特基结构。
优选地，所述衬底为硅，绝缘层上硅，蓝宝石或碳化硅，掺杂方式为不掺杂或弱掺杂。
优选地，所述外延层结构采用金属有机化学气相淀积或者分子束外延方法形成，掺杂方式为不掺杂或弱掺杂。
优选地，所述高电子迁移率晶体管的源极和漏极的刻蚀工艺为干法或者湿法方法刻蚀。
优选地，所述淀积欧姆接触用的金属层材料为钛/铝/镍/金或者钛/铝/钛/金复合金属；所述淀积肖特基接触用的金属层材料为镍/金，铬/金或者白金/金复合金属。
优选地，所述紫外光电探测器为金属/铝镓氮或金属/氮化镓材料。
优选地，悬浮栅极能够收集紫外光电子调控晶体管电流及后续电路的电学参数，从而得将紫外光信号转换为特定的电学信号输出。
优选地，一种紫外光电探测器由以上方法制造。
优选地，沟道两侧为肖特基光电探测器和高电子迁移率晶体管，所述肖特基光电探测器包括控制栅极、电学悬浮栅极、肖特基光电探测器的铝镓氮区域，所述高电子迁移率晶体管包括高电子迁移率晶体管的铝镓氮区域、高电子迁移率晶体管的源极和漏极。
优选地，紫外光电探测器与高电子迁移率晶体管集成在同一衬底上，形成单片式集成系统。
紫外光电探测器，不同于现有的分立式紫外探测器，它巧妙地结合了氮化镓/铝稼氮异质衬底的宽禁带材料特性和高电子迁移率的电学特性。一方面，将紫外光电探测器建立在宽禁带材料上，从而选择性地对紫外光探测，避免可见光的干扰。而另一方面，将紫外光电探测器的输出电极与晶体管的输入栅极相连，利用氮化镓/铝稼氮异质结构形成的高电子迁移率输运沟道，有助于提高晶体管的跨导，从而大幅放大光生电流，提升灵敏度。器件还可以和其它后续的功能模块如无线收发等结合，形成集成式的紫外探测系统。
有益效果
本发明中，紫外光电探测器和后续的放大晶体管集成在单片的氮化镓/铝镓氮异质衬底上。器件充分结合了宽禁带的紫外选择光电探测特性和高电子迁移率晶体管的高放大增益，形成比传统紫外光电探测器具有更高灵敏度，更高选择性和更小体积的新型紫外光电探测器。
附图说明
图1为本发明的半导体紫外光电探测器的结构图示。
图2为本发明的半导体紫外光电探测器的制备流程图示。
图3为本发明的半导体紫外光电探测器的实施例2结构。
图4为本发明的半导体紫外光电探测器的实施例3结构。
图中：(1)肖特基光电探测器(2)高电子迁移率晶体管(3)控制栅极(4)电学悬浮栅极(5)高电子迁移率晶体管的源极(6)高电子迁移率晶体管的漏极欧姆接触(7)肖特基光电探测器的铝镓氮区域(8)高电子迁移率晶体管的铝镓氮区域(9)氮化镓缓冲/沟道层(10)衬底。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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它实施例，都属于本发明保护范围。
器件由两大部分组成，肖特基光电探测器(1)和高电子迁移率晶体管(2)。具体结构包括控制栅极(3)，电学悬浮栅极(4)，高电子迁移率晶体管的源极(5)和漏极(6)欧姆接触,肖特基光电探测器的铝镓氮区域(7)和高电子迁移率晶体管的铝镓氮区域(8)，氮化镓缓冲/沟道层(4)和衬底(10)。
提出的半导体紫外光电探测器的制备方法，具体步骤为：
(1)制备半导体紫外光电探测器外延结构，包括图1所示的衬底(10)，在衬底上外延出的氮化镓层(9)和铝镓氮(7)；
(2)光刻并刻蚀定义出肖特基光电探测器的铝镓氮区域(7)和高电子迁移率晶体管的铝镓氮区域(8)；
(3)光刻，刻蚀并淀积金属形成高电子迁移率晶体管的源极(5)和漏极(6)；
(4)高温退火以形成欧姆接触；
(5)光刻并淀积金属形成光电探测器和晶体管悬浮栅极的控制栅极(3)和电学悬浮栅极(4)；
更加详细的工艺步骤如实施例1所描述。
基于同一工作原理，器件的结构可以不同，具体实施方式依据实施例不同可分为：
实施例1(对应图1的器件结构和图2的工艺流程)：
本发明提出的半导体紫外光电探测器，结合肖特基结的紫外光电探测和高电子迁移率晶体管，其器件结构如图1所示，由肖特基光电探测器(1)和用于信号放大的高电子迁移率晶体管(2)两大部分组成。具体结构包括控制栅极(3)，电学悬浮栅极(4)，高电子迁移率晶体管的源极(5)和漏极(6)欧姆接触,肖特基光电探测器的铝镓氮区域(7)和高电子迁移率晶体管的铝镓氮区域(8)，氮化镓缓冲/沟道层(9)和外延用的衬底(10)。
(1)如图2(a)所示,为起始的基地，包括衬底，及在其上外延的氮化镓沟道层和最上层的铝镓氮层。衬底一般为硅，绝缘层上硅，蓝宝石或碳化硅，掺杂一般为不掺杂或弱掺杂。中间的氮化镓使用金属有机化学气相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)等方法形成。厚度为100nm至5μm之间,一般为不掺杂或弱掺杂。最上面的铝镓氮使用MOCVD或者MBE等方法形成，厚度为5nm至100nm之间,一般为不掺杂或弱掺杂。
(2)光刻形成有源区的图形，之后进行刻蚀。刻蚀可选用干法或者湿法方法。干法刻蚀一般使用电感耦合等离子体(ICP)，刻蚀一般用氯基气体，如Cl2和BCl3等。刻蚀深度需要完全去除铝镓氮层，及部分的氮化镓层，约10nm至200nm之间。之后，去除光刻胶。
(3)光刻并打开晶体管欧姆接触图形的窗口，之后利用光刻胶为掩膜利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀掉部分的铝镓氮层，以提高欧姆接触性能。刻蚀后剩下5nm至50nm厚的铝镓氮层；之后利用电子束蒸发或者溅射等方法，淀积欧姆接触用的金属层。金属层一般为钛/铝/镍/金或者钛/铝/钛/金等复合金属。总厚度为50nm至500nm之间。利用剥离工艺最终形成欧姆金属接触图形。之后进行高温退火形成欧姆接触。退火温度一般为700度至1000度之间。
(4)光刻并打开肖特基接触的窗口，包括栅极，悬浮栅极及与之相连的晶体管栅极。之后利用电子束蒸发或者溅射等方法，淀积肖特基接触用的金属层。金属层一般为镍/金，铬/金或者白金/金等复合金属。总厚度为50nm至500nm之间。利用剥离(liftoff)工艺最终形成肖特基接触图形。之后进行退火改善接触界面。退火温度一般为200度至600度之间。
实施例2(对应图3的器件结构图)
实施例2与实施例1类似，区别在于肖特基光电探测器的结构稍有不同。本实施例中悬浮栅极利用欧姆接触替代肖特基接触.从而在肖特基栅极和二维电子气之间的铝镓氮层中形成了金属/半导体接触的单个肖特基结，而非实施例1中的金属/半导体/金属的双肖特基结构。此实施例有组于减少金属叉指电极的数目，从而增大光的透过率和探测灵敏度。具体的实施方法的区别在于，悬浮栅极放在第(3)步中利用欧姆接触实现。而高电子迁移率晶体管的栅极还是在第(4)步中由肖特基接触形成。
实施例3(对应图4的器件结构图)
实施例3与实施例1类似，区别在于肖特基光电探测器的结构稍有不同。本实施例中，金属/半导体/金属的叉指状肖特基结探测器放在氮化镓层上，而非实施例中的铝镓氮层上。一般的氮化镓/铝镓氮异质高电子迁移率的衬底中，铝镓氮作为绝缘层使用，一般厚度较薄，光电转换效率较高。而氮化镓缓冲/沟道层较厚，能够良好地吸收入射的紫外光，光电效率较高。具体的实施方法与实施例(1)的主要区别在于，在步骤(2)中，紫外探测器部分的有源区在光刻后打开，并被后续的刻蚀工艺去除。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体紫外光电探测器的制造方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
一、制备半导体紫外光电探测器的外延层结构，包括衬底及在其上外延的氮化镓层和最上层的铝镓氮层；
二、光刻并刻蚀定义出沟道、肖特基光电探测器的铝镓氮区域和高电子迁移率晶体管的铝镓氮区域；
三、刻蚀并淀积金属层形成高电子迁移率晶体管的源极和漏极，高温退火以形成欧姆接触；
四、光刻并淀积金属层形成紫外光电探测器和晶体管悬浮栅极，紫外光电探测器组成叉指状肖特基结构。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述衬底为硅，绝缘层上硅，蓝宝石或碳化硅，掺杂方式为不掺杂或弱掺杂。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述外延层结构采用金属有机化学气相淀积或者分子束外延方法形成，掺杂方式为不掺杂或弱掺杂。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述高电子迁移率晶体管的源极和漏极的刻蚀工艺为干法或者湿法方法刻蚀。
5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述淀积欧姆接触用的金属层材料为钛/铝/镍/金或者钛/铝/钛/金复合金属；所述淀积肖特基接触用的金属层材料为镍/金，铬/金或者白金/金复合金属。
6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述紫外光电探测器为金属/铝镓氮或金属/氮化镓材料。
7.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：悬浮栅极能够收集紫外光电子调控晶体管电流及后续电路的电学参数，从而得将紫外光信号转换为特定的电学信号输出。
8.一种半导体紫外光电探测器，其特征在于：采用如权利要求1-7中任一项所述的方法制造。
9.如权利要求8所述的半导体紫外光电探测器，其特征在于：沟道两侧为肖特基光电探测器和高电子迁移率晶体管，所述肖特基光电探测器包括控制栅极、电学悬浮栅极、肖特基光电探测器的铝镓氮区域，所述高电子迁移率晶体管包括高电子迁移率晶体管的铝镓氮区域、高电子迁移率晶体管的源极和漏极。
10.如权利要求8所述的半导体紫外光电探测器，其特征在于，紫外光电探测器与高电子迁移率晶体管集成在同一衬底上，形成单片式集成系统。
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