CN111063750B - 一种紫外光电器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种紫外光电器件及其制备方法，涉及半导体技术领域。所述紫外光电器件包括衬底以及在所述衬底上依次生长的基板、n型AlGaN层、有源区和p型AlGaN层；所述p型AlGaN层包括第一本体和位于所述第一本体的顶面的第一台阶，相邻两个第一台阶之间的落差距离L大于单原子层的厚度。紫外光电器件及其制备方法，能够在相邻两个所述第一台阶的落差方向上堆砌多个单原子，在所述p型AlGaN层上形成台阶聚并(stepbunching)效应，从而提高空穴输运效率和弱化紫外吸收，提高器件的光电转换效率。

Description

一种紫外光电器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种紫外光电器件及其制备方法。
背景技术
铝镓氮(AlGaN)基紫外光电器件在工业固化、杀菌消毒、非视距通讯、有毒气体探测、空间电荷处理、高密度数据存储、导弹探测等领域具有重要的应用价值。然而，目前紫外光电器件的光电转换效率仍然很低，难以满足高端产品的应用需求。除材料缺陷问题外，高Al组分的AlGaN的空穴输运效率较低，这是紫外光电器件面临的又一重大问题。高Al组分的AlGaN空穴输运效率较低是由于随着Al组分的增加，Mg杂质的并入效率和激活效率迅速降低，从而导致自由空穴浓度严重降低。
为了解决这一问题，传统方法普遍采用低Al组分的AlGaN和GaN的替代方案。这一方法虽然可以提高空穴浓度，但同时也带来了较高的输运势垒，同样会对空穴的输运造成阻碍；此外，Al组分降低会造成紫外光的吸收，进一步降低器件的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紫外光电器件及其制备方法，旨在解决现有紫外光电器件p型制备技术中存在的空穴输运效率低和紫外吸收强的问题。
第一方面，本发明提供一种紫外光电器件，所述紫外光电器件包括衬底以及在所述衬底上依次生长的基板、n型AlGaN层、有源区和p型AlGaN层；所述p型AlGaN层包括第一本体和位于所述第一本体的顶面的第一台阶，相邻两个所述第一台阶之间的落差距离L大于单原子层的厚度。
基于第一方面的一种实施例中，所述第一台阶的顶面相对于所述衬底的底面的倾角a的范围为：0.5°～6°。
基于第一方面的一种实施例中，所述衬底包括第二本体和位于所述第二本体的顶面的第二台阶，所述第二台阶通过所述基板、所述n型AlGaN层、所述有源区依次传承，形成所述第一台阶。
基于第一方面的一种实施例中，所述第二台阶的顶面相对于所述衬底的底面的倾角的范围为：0.5°～6°。
基于第一方面的一种实施例中，所述第二台阶的顶面相对于所述衬底的底面的倾角的范围为：1°～2°。
第二方面，本发明提供一种紫外光电器件的制备方法，所述方法包括：
在衬底上依次生长的基板、n型AlGaN层、有源区和p型AlGaN层；其中，所述p型AlGaN层包括第一本体和位于所述第一本体的顶面的第一台阶，相邻两个所述第一台阶之间的落差距离L大于单原子层的厚度。
基于第二方面的一种实施例中，所述第一台阶的顶面相对于所述衬底的底面的倾角a的范围为：0.5°～6°。
基于第二方面的一种实施例中，所述衬底包括第二本体和位于所述第二本体的顶面的第二台阶，所述第二台阶通过所述基板、所述n型AlGaN层、所述有源区依次传承，形成所述第一台阶。
基于第二方面的一种实施例中，所述第二台阶的顶面相对于所述衬底的底面的倾角的范围为：0.5°～6°。
基于第二方面的一种实施例中，所述第二台阶的顶面相对于所述衬底的底面的倾角的范围为：1°～2°。
本发明提供的紫外光电器件及其制备方法的有益效果是：
所述p型AlGaN层包括第一本体和位于所述第一本体的顶面的第一台阶，相邻两个所述第一台阶之间的落差距离L大于单原子层的厚度。这样能够在相邻两个所述第一台阶之间的落差方向上堆砌多个单原子，在所述p型AlGaN层上形成台阶聚并(step bunching)效应。台阶聚并现象会使Ga原子在相邻台阶交界处的并入几率升高，即台阶交界处为低Al组分的AlGaN，而周围是高Al组分的AlGaN，组分差异甚至可以达到10％以上。
对于低Al组分的AlGaN：首先，Mg杂质并入和激活更容易，因此空穴浓度在此处最高；其次，低Al组分的AlGaN的禁带宽度更小，在空间上为势能的低点，空穴输运势垒低。上述两方面原因使得台阶交界处成为空穴输运的“便捷通道”，有效提高空穴的输运效率，从而改善器件的光电转换效率。由于台阶分布相对均匀有序，因此空穴在空间的输运通道分布均匀，不会造成局部电流过大引起发热等问题；而且，台阶处低Al组分的AlGaN在整个外延层中所占的比重很小，光吸收现象不明显。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的紫外光电器件的结构示意图。
图2为图1中的p型AlGaN层的结构示意图。
图3为本发明第二实施例提供的紫外光电器件的制备方法的流程图。
图标：100-紫外光电器件；110-衬底；120-基板；130-n型AlGaN层；140-有源区；150-p型AlGaN层；160-接触层；170-第一本体；180-第一台阶；190-第二本体；200-第二台阶。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
现有的紫外光电器件中，高Al组分的AlGaN空穴输运效率较低是由于随着Al组分的增加，Mg杂质的并入效率和激活效率迅速降低，从而导致自由空穴浓度严重降低。为了解决这一问题，传统方法普遍采用低Al组分的AlGaN和GaN的替代方案。这一方法虽然可以提高空穴浓度，但同时也带来了较高的输运势垒，同样会对空穴的输运造成阻碍；此外，Al组分降低会造成紫外光的吸收，进一步降低器件的光电转换效率。
本发明的实施例提供一种紫外光电器件及其制备方法，旨在解决现有紫外光电器件p型制备技术中存在的空穴输运效率低和紫外吸收强的问题。
第一实施例
请参阅图1和图2，本实施例提供了一种紫外光电器件100，所述紫外光电器件100包括衬底110以及在所述衬底110上依次生长的基板120、n型AlGaN层130、有源区140、p型AlGaN层150和接触层160。其中，所述p型AlGaN层150包括第一本体170和位于所述第一本体170的顶面的第一台阶180，多个第一台阶180呈周期性的依次排列，第一台阶180的竖直截面为三角形。
相邻两个所述第一台阶180之间的落差距离L大于单原子层的厚度。相邻两个所述第一台阶180之间的落差距离L是指相邻两个所述第一台阶180的顶面的距离，当然相邻两个所述第一台阶180的顶面相互平行，也可以说，相邻两个所述第一台阶180之间的落差距离L是指前一个第一台阶180的顶面与后一个第一台阶180的低点之间的距离。这里的单原子层的厚度是指第一台阶180中的原子所组成的层结构的厚度。
这样，相邻两个所述第一台阶180的落差方向上能够堆砌多个单原子，在所述p型AlGaN层150上形成台阶聚并(step bunching)效应。
为形成所述第一台阶180，本实施例中对衬底110做了特定设计。衬底110的材料选取蓝宝石，所述衬底110包括第二本体190和位于所述第二本体190的顶面的第二台阶200，所述第二台阶200的顶面相对于所述衬底110的底面的倾角的范围为：0.5°～6°，优选地，倾角的范围为：1°～2°。这里的倾角是指第二台阶200的顶面相对于所述衬底110的底面向上扬起的角度。
设计第二台阶200的意义在于：衬底110上进行AlN和AlGaN材料的外延容易出现台阶聚并效应。这是由于第二台阶200的顶面的倾角变大，单个台阶宽度变短，更容易形成多个单原子堆砌到一起的现象。采用过小角度的倾角不容易出现台阶聚并现象，采用过大角度的倾角会使台阶聚并过于严重，造成表面粗糙度过高。
基板120选取AlN/AlGaN制成，即采用AlN与AlGaN层叠形成。基板120可以是单一生长条件的单层结构，也可以是变化生长条件的多层结构，关键是要形成台阶聚并的形貌。AlN的生长中，N源和Al源的摩尔比的范围为：100～1000，优选摩尔比范围为：200～500；AlGaN的生长中，N源和(Al+Ga)源的摩尔比的范围为：300～2000，优选摩尔比的范围为：500～1000。
n型AlGaN层130N源和(Al+Ga)源的摩尔比的范围为：300～2000，优选摩尔比的范围为：500～1000，Si杂质掺杂浓度的范围为：1E17cm-3～3E19cm-3，优选掺杂浓度的范围为：1E18cm-3～1E19cm-3。
有源区140选取AlGaN制成，N源和(Al+Ga)源的摩尔比的范围为：300～2000，优选摩尔比的范围为：500～1000。
在具有台阶聚并形貌的有源区140上形成p型AlGaN层150，p型AlGaN层150可以是单层或者多层结构。所述p型AlGaN层150包括第一台阶180，多个第一台阶180呈周期性地依次排列，相邻两个所述第一台阶180之间的落差距离大于单原子层的厚度，所述第一台阶180的顶面相对于所述衬底的底面的倾角a的范围为：0.5°～6°。这样能够在相邻两个所述第一台阶180的落差方向上堆砌多个单原子，在所述p型AlGaN层150上形成台阶聚并(stepbunching)效应。台阶聚并现象会使Ga原子在相邻台阶交界处的并入几率升高，即台阶交界处为低Al组分的AlGaN，而周围是高Al组分的AlGaN，组分差异甚至可以达到10％以上。
对于低Al组分的AlGaN：首先，Mg杂质并入和激活更容易，因此空穴浓度在此处最高；其次，低Al组分的AlGaN的禁带宽度更小，在空间上为势能的低点，空穴输运势垒低。上述两方面原因使得台阶交界处成为空穴输运的“便捷通道”，有效提高空穴的输运效率，从而改善器件的光电转换效率。由于台阶分布相对均匀有序，因此空穴在空间的输运通道分布均匀，不会造成局部电流过大引起发热等问题；而且，台阶处低Al组分的AlGaN在整个外延层中所占的比重很小，光吸收现象不明显。
第二实施例
请参阅图3，本实施例提供一种紫外光电器件100的制备方法，主要用于制备第一实施例中的紫外光电器件100。制备方法包括在衬底110上依次生长的基板120、n型AlGaN层130、有源区140和p型AlGaN层150；其中，所述p型AlGaN层150包括第一本体170和位于所述第一本体170的顶面的第一台阶180，相邻两个所述第一台阶180之间的落差距离L大于单原子层的厚度。
具体的，包括以下步骤：
S1：提供衬底110。
衬底110的材料选取蓝宝石，将衬底110放入生长设备反应室，生长设备可以是金属有机物化学气相沉积、氢化物气相沉积和分子束外延中的任意一种。
首先，对衬底110进行升温烘烤，去除表面的水、氧等，同时刻蚀出第二台阶200，便于后续成核生长出高质量的材料。所述第二台阶200的顶面相对于所述衬底110的底面的倾角的范围为：0.5°～6°，优选地，倾角的范围为：1°～2°。
然后，对衬底110进行预处理，可以先通入铝源或者氮源中的任意一种，但不可同时通入。铝源可以是高纯铝、三甲基铝等，氮源可以是氮等离子体、氨气等。
S2：在衬底110上形成基板120。
基板120选取AlN/AlGaN制成，即采用AlN与AlGaN层叠形成。基板120可以是单一生长条件的单层结构，也可以是变化生长条件的多层结构，关键是要形成台阶聚并的形貌。
对生长条件要求如下：AlN的生长温度范围为：1100摄氏度～1500摄氏度，优选温度范围为：1250摄氏度～1350摄氏度，生长压力的范围为：30mbar～100mbar，优选压力范围为：40mbar～60mbar，N源和Al源的摩尔比的范围为：100～1000，优选摩尔比范围为：200～500。
AlGaN的生长温度范围为：1050摄氏度～1200摄氏度，优选温度范围为：1120摄氏度～1180摄氏度，生长压力范围为：50mbar～150mbar，优选压力范围为：80mbar～100mbar，N源和(Al+Ga)源的摩尔比的范围为：300～2000，优选摩尔比的范围为：500～1000。
S3：在基板120上形成n型AlGaN层130。
n型AlGaN层130的生长温度范围为：1050摄氏度～1200摄氏度，优选温度范围为：1120摄氏度～1180摄氏度，生长压力范围为：50mbar～150mbar，优选压力范围为：80mbar～100mbar，n型AlGaN层130N源和(Al+Ga)源的摩尔比的范围为：300～2000，优选摩尔比的范围为：500-1000，Si杂质掺杂浓度的范围为：1E17cm-3～3E19cm-3，优选掺杂浓度的范围为：1E18 cm-3～1E19cm-3。
S4：在n型AlGaN层130上形成有源区140。
有源区140选取AlGaN制成，生长温度范围为：1050摄氏度～1200摄氏度，优选温度范围为：1080摄氏度～1150摄氏度，生长压力范围为：50mbar～150mbar，优选压力范围为：80mbar～100mbar，N源和(Al+Ga)源的摩尔比的范围为：300～2000，优选摩尔比的范围为：500～1000。同时，有源区140具有台阶聚并的形貌。
S5：在有源区140上形成p型AlGaN层150。
在具有台阶聚并形貌的有源区140上形成p型AlGaN层150，p型AlGaN层150可以是单层或者多层结构，生长温度范围为：1030摄氏度～1130摄氏度，最优温度范围为：1060摄氏度～1100摄氏度，生长压力范围为：50mbar～200mbar，最优压力范围为：100mbar～150mbar。
所述p型AlGaN层150包括第一台阶180，相邻两个所述第一台阶180之间的落差距离L大于单原子层的厚度。这样能够在相邻两个所述第一台阶180的落差方向上堆砌多个单原子，在所述p型AlGaN层150上形成台阶聚并(step bunching)效应。台阶聚并现象会使Ga原子在相邻台阶交界处的并入几率升高，即台阶交界处为低Al组分的AlGaN，而周围是高Al组分的AlGaN，组分差异甚至可以达到10％以上。
对于低Al组分的AlGaN：首先，Mg杂质并入和激活更容易，因此空穴浓度在此处最高；其次，低Al组分的AlGaN的禁带宽度更小，在空间上为势能的低点，空穴输运势垒低。上述两方面原因使得台阶交界处成为空穴输运的“便捷通道”，有效提高空穴的输运效率，从而改善器件的光电转换效率。由于台阶分布相对均匀有序，因此空穴在空间的输运通道分布均匀，不会造成局部电流过大引起发热等问题；而且，台阶处低Al组分的AlGaN在整个外延层中所占的比重很小，光吸收现象不明显。
S6：在p型AlGaN层150上形成接触层160。
接触层160形成后，结束生长。
本发明实施例提供的紫外光电器件100及其制备方法，能够在相邻两个所述第一台阶180的落差方向上堆砌多个单原子，在所述p型AlGaN层150上形成台阶聚并(stepbunching)效应，从而提高空穴输运效率和弱化紫外吸收，提高器件的光电转换效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种紫外光电器件，其特征在于，所述紫外光电器件包括衬底(110)以及在所述衬底(110)上依次生长的基板(120)、n型AlGaN层(130)、有源区(140)和p型AlGaN层(150)；所述p型AlGaN层(150)包括第一本体(170)和位于所述第一本体(170)的顶面的第一台阶(180)，相邻两个所述第一台阶(180)之间的落差距离L大于单原子层的厚度，所述第一台阶(180)的顶面相对于所述衬底(110)的底面的倾角a的范围为：0.5°～6°，所述衬底(110)包括第二本体(190)和位于所述第二本体(190)的顶面的第二台阶(200)，所述第二台阶(200)通过所述基板(120)、所述n型AlGaN层(130)、所述有源区(140)依次传承，形成所述第一台阶(180)，所述第二台阶(200)的顶面相对于所述衬底(110)的底面的倾角的范围为：0.5°～6°。
2.根据权利要求1所述的紫外光电器件，其特征在于，所述第二台阶(200)的顶面相对于所述衬底(110)的底面的倾角的范围为：1°～2°。
3.一种紫外光电器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬底(110)上依次生长的基板(120)、n型AlGaN层(130)、有源区(140)和p型AlGaN层(150)；其中，所述p型AlGaN层(150)包括第一本体(170)和位于所述第一本体(170)的顶面的第一台阶(180)，相邻两个所述第一台阶(180)之间的落差距离L大于单原子层的厚度，所述第一台阶(180)的顶面相对于所述衬底(110)的底面的倾角a的范围为：0.5°～6°，所述衬底(110)包括第二本体(190)和位于所述第二本体(190)的顶面的第二台阶(200)，所述第二台阶(200)通过所述基板(120)、所述n型AlGaN层(130)、所述有源区(140)依次传承，形成所述第一台阶(180)，所述第二台阶(200)的顶面相对于所述衬底(110)的底面的倾角的范围为：0.5°～6°。
4.根据权利要求3所述的紫外光电器件的制备方法，其特征在于，所述第二台阶(200)的顶面相对于所述衬底(110)的底面的倾角的范围为：1°～2°。
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