CN111785797B - 一种超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器，属于紫外探测技术领域，包括衬底，在所述衬底上依次生长低Al组分的n型AlGaN层、高Al组分的n型AlGaN层、周期性AlxGa1‑xN/AlN超薄量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层；还包括n型电极和p型电极。本发明还提供了上述超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器的制备方法。本发明的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器，利用超薄多量子阱结构作为器件的吸收工作区，避免了AlGaN材料生长质量差以及禁带宽度随温度变化等问题；在n型AlGaN区生长不同Al组分的异质结构，利用异质结产生的极化电场增强器件对光生载流子的输运能力，提高器件综合性能；器件结构简单、制备方法工艺也简单、应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明涉及紫外探测技术领域，具体涉及一种超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器及其制备方法。
背景技术
波长处于200nm至280nm的太阳辐射受到大气层吸收极少能够到达地球表面，因此该波长范围被称为日盲紫外区。由于背景噪声低，日盲紫外探测器具有误警率低，探测效率高等优点，其在火焰传感、臭氧检测、保密通信、导弹预警等领域具有重大应用。AlGaN材料的禁带宽度在3.4eV至6.2eV连续可调，通过合理调节Al组分含量，可实现有效的日盲区紫外探测(200nm-280nm)，同时其具有载流子迁移率高，表面复合率低，化学稳定性强等优点，因此AlGaN 材料是制备日盲紫外探测器的优选材料之一。根据理论计算结果，在AlGaN材料中只有当Al组分高于0.45时才能保证日盲紫外探测特性，然而高Al组分 AlGaN材料(尤其是Al组分在0.5左右)生长非常困难，其主要原因是Al原子迁移率低及Al源预反应严重，因此，AlGaN日盲紫外探测器材料中存在高密度缺陷，研制降低了AlGaN日盲紫外探测器的性能，制约其发展与应用。
AlxGa1-xN/AlN多量子阱结构具备优良特性。其一，在多量子阱结构中由于量子限制效应产生分离的子能级，并且随着多量子阱势垒厚度逐渐变薄，受到隧道效应作用，在势阱两侧的波函数将发生重叠，分离的子能级将变成子能带。研究表明，可以通过改变阱、垒材料的禁带宽度以及厚度，改变载流子所受周期性势场作用，进而调控子能级间带隙大小。因此通过调控AlxGa1-xN，可以利用低Al组分的AlxGa1-xN阱层实现AlxGa1-xN/AlN超薄量子阱的吸收带隙为日盲紫外波段，这样，利用AlxGa1-xN/AlN超薄量子阱结构作为日盲紫外光吸收层，避免了传统的日盲紫外探测器AlGaN(Al组分为0.5左右)材料的使用，解决了AlGaN(Al组分为0.5左右)生长困难的问题。此外，传统AlGaN日盲紫外探测器由于AlGaN材料受温度影响，禁带宽度发生变化，进而引起探测波长随温度变化而分发生变化。相较于传统AlGaN(Al组分为0.5左右)日盲紫外探测器，AlxGa1-xN/AlN超薄量子阱的子带间带隙由于受温度影响较小，能够解决传统AlGaN(Al组分为0.5左右)日盲紫外探测波长受温度影响变化的问题，因此，AlxGa1-xN/AlN超薄量子阱日盲紫外探测器具有更好的温度稳定性。
鉴于此，急需研究一种新的AlGaN日盲紫外探测器，利用Al组分的 AlxGa1-xN构建AlxGa1-xN/AlN超薄量子阱结构代替常规AlGaN材料作为日盲紫外探测器的吸收层，能够避免传统的日盲紫外探测器AlGaN(Al组分为0.5左右)材料的使用，解决了AlGaN(Al组分为0.5左右)生长困难的问题，同时能够解决传统AlGaN(Al组分为0.5左右)日盲紫外探测波长受温度影响变化的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种超薄量子阱结构 AlGaN日盲紫外探测器，不同于传统的利用AlGaN材料作为工作区的探测器，本发明提出利用超薄多量子阱(MQW)作为器件的吸收工作区，避免了AlGaN 材料生长质量差以及禁带宽度随温度变化等问题。本发明还提供了上述超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器的制备方法，工艺简单、应用前景广泛。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明提供了一种超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器，包括衬底，在所述衬底上依次生长低Al组分的n型AlGaN层、高Al组分的n型AlGaN层、周期性AlxGa1-xN/AlN超薄量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层；还包括n 型电极和p型电极；
所述高Al组分的n型AlGaN层、所述超薄量子阱结构层、所述p型AlGaN 层和所述p型GaN层在所述n型电极区域被刻蚀掉；所述p型AlGaN层和所述 p型GaN层在探测器的有源区被刻蚀掉；所述n型电极位于所述低Al组分的n 型AlGaN层的上方，所述p型电极位于所述p型GaN层的上方；
所述低Al组分的n型AlGaN层，作为探测器的n型区，同时与所述n型电极形成欧姆接触；所述高Al组分的n型AlGaN层，作为探测器的n型区，并与所述低Al组分的n型AlGaN层形成异质结，产生的极化电场的方向与外加工作电场的方向相同，有利于电子的输运；所述超薄量子阱结构层，作为探测器的吸收工作层，吸收日盲紫外信号；所述p型GaN层，与所述p型电极形成欧姆接触。
进一步地，所述衬底的材质为异质衬底材料或同质衬底材料；
所述异质衬底材料为蓝宝石、碳化硅、硅中的任意一种；
所述同质衬底材料为GaN或AlN。
进一步地，所述低Al组分的n型AlGaN层，其Al组分范围为：0.45-0.6；
所述高Al组分的n型AlGaN层，其Al组分范围为：0.7-1。
进一步地，所述超薄量子阱结构层中周期性的AlxGa1-xN/AlN材料，其中，阱层AlxGa1-xN材料Al组分x为0.1-0.2。
进一步地，所述n型电极为欧姆电极，材质为Pt、Ti、Al、Ni、Au中的任意一种，或为Pt、Ti、Al、Ni、Au中的两种及以上的合金；
所述p型电极为欧姆电极，材质为Pt、Ni或Au。
本发明还提供一种如上所述的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1：生长器件外延材料：在所述衬底上依次生长所述低Al组分的n型AlGaN 层、所述高Al组分的n型AlGaN层、所述周期性AlxGa1-xN/AlN超薄量子阱结构层、所述p型AlGaN层和所述p型GaN层；
S2：制备台面结构：采用PECVD技术在器件外延材料的最外层生长SiO2掩膜层，采用光刻技术在SiO2掩膜层上光刻出器件台面图形，采用RIE刻蚀去除非台面区域没有光刻胶覆盖的SiO2掩膜层，采用ICP技术将无SiO2掩膜层覆盖的区域刻蚀至所述低Al组分的n型AlGaN层，用HF去除台面区域的SiO2掩膜层；
S3：制备入射窗口结构：采用PECVD技术在器件外延材料的最外层生长 SiO2掩膜层，采用光刻技术在SiO2掩膜层上光刻出有源区上方的入射窗口图形，采用RIE刻蚀去除入射窗口区域没有光刻胶覆盖的SiO2掩膜层，采用ICP技术将无SiO2掩膜层覆盖的区域刻蚀至所述超薄量子阱结构层，用HF去除非入射窗口区域的SiO2掩膜层；
S4：制备所述n型电极：采用光刻技术在所述低Al组分的n型AlGaN层的上方制备所述n型电极的光刻胶掩膜图形，显影后电极图形区域的光刻胶去除，非电极区域光刻胶保留，之后在光刻胶掩膜图形上蒸镀n型电极材料，再采用Lift Off技术去除光刻胶及其上部覆盖的电极材料，最后快速退火处理；
S5：制备所述p型电极：采用光刻技术在所述p型GaN层的上方制备所述 p型电极的光刻胶掩膜图形，显影后电极图形区域的光刻胶去除，非电极区域光刻胶保留，之后在光刻胶掩膜图形上蒸镀p型电极材料，再采用Lift Off技术去除光刻胶及其上部覆盖的电极材料，最后快速退火处理。
进一步地，步骤S1中生长器件外延材料的方法为MOCVD。
进一步地，所述步骤S2中，采用光刻技术，正负胶的选取依照光刻板图形窗口设计而定，使显影后台面区域光刻胶保留，非台面区域的光刻胶去除；
步骤S3中，采用光刻技术，正负胶的选取依照光刻板图形窗口设计而定，使显影后入射窗口区域光刻胶去除，其余部分光刻胶保留；
步骤S4、S5中，采用光刻技术，正负胶的选取依照光刻板图形窗口设计而定，使显影后电极图形区域的光刻胶去除，非电极区域光刻胶保留。
进一步地，所述步骤S4、S5中，蒸镀n型电极材料、p型电极材料采用的方法为电子束蒸发或热蒸发技术；
蒸镀n型电极材料和p型电极材料的厚度均为100-300nm。
进一步地，所述步骤S4、S5中，采用Lift Off技术溶解光刻胶，溶解液选用丙酮溶液；
快速退火处理为，利用快速退火炉，在氮气氛围下对n型电极、p型电极进行退火，退火温度及时间由电极材料决定。
本发明的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器，利用超薄多量子阱结构作为器件的吸收工作区，相比于传统的单一AlGaN材料吸收区结构，多量子阱结构通过阱垒组分、厚度的调节可以实现有效的日盲紫外吸收，同时避免了 AlGaN(Al组分为0.5左右)材料生长质量差的问题，多量子阱结构形成的子带间带隙对于温度的稳定性较好；在n型AlGaN区生长不同Al组分的异质结构，利用异质结产生的极化电场增强对光生载流子的输运能力，实现有效日盲紫外探测的功能。本发明的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器，结构简单、制备方法工艺也简单、应用前景广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的一些实施例，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它的附图。
图1是本发明的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器的结构示意图；
图2是本发明的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器的制备方法流程图；
附图标记说明：1-衬底；2-低Al组分的n型AlGaN层；3-高Al组分的n 型AlGaN层；4-周期性AlxGa1-xN/AlN的超薄量子阱结构层；5-p型AlGaN层； 6-p型GaN层；7-n型电极；8-p型电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
本发明提供了一种超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器，包括衬底1，在所述衬底1上依次生长低Al组分的n型AlGaN层2、高Al组分的n型AlGaN 层3、周期性AlxGa1-xN/AlN超薄量子阱结构层4、p型AlGaN层5和p型GaN 层6；还包括n型电极7和p型电极8；
所述高Al组分的n型AlGaN层3、所述超薄量子阱结构层4、所述p型AlGaN 层5和所述p型GaN层6在所述n型电极区域被刻蚀掉；所述p型AlGaN层5 和所述p型GaN层6在探测器的有源区被刻蚀掉；所述n型电极7位于所述低 Al组分的n型AlGaN层2的上方，所述p型电极8位于所述p型GaN层6的上方；
所述低Al组分的n型AlGaN层2，作为探测器的n型区，同时与所述n型电极7形成欧姆接触；所述高Al组分的n型AlGaN层3，作为探测器的n型区，并与所述低Al组分的n型AlGaN层2形成异质结，产生的极化电场的方向与外加工作电场的方向相同，有利于电子的输运；所述超薄量子阱结构层4，作为探测器的吸收工作层，吸收日盲紫外信号；所述p型GaN层6，与所述p型电极8 形成欧姆接触。
其中，所述衬底1的材质为异质衬底材料或同质衬底材料。例如可以选择蓝宝石、碳化硅、硅等异质衬底材料；或者选择GaN或AlN同质衬底材料。
其中，所述低Al组分的n型AlGaN层2，其Al组分范围为：0.45-0.6；所述高Al组分的n型AlGaN层3，其Al组分范围为：0.7-1。所述超薄量子阱结构层4中周期性的AlxGa1-xN/AlN材料，其中，阱层AlxGa1-xN材料Al组分x可以选择为0.1-0.2。多量子阱的分立子能级由阱垒材料的带隙及厚度共同决定，通过求解克龙尼克-潘纳势阱模型进一步确定阱垒层材料厚度，使多量子阱子带带隙吸收为日盲吸收。
其中，所述n型电极7为欧姆电极，材质可以选择为Pt、Ti、Al、Ni、Au 等能够与n型AlGaN材料形成欧姆接触的金属材料或其合金；所述p型电极8 为欧姆电极，材质为可以选择Pt、Ni或Au等能够与p型GaN材料形成欧姆接触的金属材料。
本发明还提供了上述的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1：生长器件外延材料：在所述衬底1上依次生长所述低Al组分的n型AlGaN层2、所述高Al组分的n型AlGaN层3、所述周期性AlxGa1-xN/AlN超薄量子阱结构层4、所述p型AlGaN层5和所述p型GaN层6；
S2：制备台面结构：采用PECVD技术在器件外延材料的最外层生长SiO2掩膜层，采用光刻技术在SiO2掩膜层上光刻出器件台面图形，采用RIE刻蚀去除非台面区域没有光刻胶覆盖的SiO2掩膜层，采用ICP技术将无SiO2掩膜层覆盖的区域刻蚀至所述低Al组分的n型AlGaN层2，用HF去除台面区域的SiO2掩膜层；
S3：制备入射窗口结构：采用PECVD技术在器件外延材料的最外层生长 SiO2掩膜层，采用光刻技术在SiO2掩膜层上光刻出有源区上方的入射窗口图形，采用RIE刻蚀去除入射窗口区域没有光刻胶覆盖的SiO2掩膜层，采用ICP技术将无SiO2掩膜层覆盖的区域刻蚀至所述超薄量子阱结构层4，用HF去除非入射窗口区域的SiO2掩膜层；
S4：制备所述n型电极7：采用光刻技术在所述低Al组分的n型AlGaN层 2的上方制备所述n型电极7的光刻胶掩膜图形，显影后电极图形区域的光刻胶去除，非电极区域光刻胶保留，之后在光刻胶掩膜图形上蒸镀n型电极材料，再采用Lift Off技术去除光刻胶及其上部覆盖的电极材料，最后进行快速退火处理；
S5：制备所述p型电极8：采用光刻技术在所述p型GaN层6的上方制备所述p型电极8的光刻胶掩膜图形，显影后电极图形区域的光刻胶去除，非电极区域光刻胶保留，之后在光刻胶掩膜图形上蒸镀p型电极材料，再采用Lift Off 技术去除光刻胶及其上部覆盖的电极材料，最后快速退火处理。
其中，步骤S1中生长器件外延材料的方法为MOCVD。所述步骤S2中，采用光刻技术，正负胶的选取依照光刻板图形窗口设计而定，使显影后台面区域光刻胶保留，非台面区域的光刻胶去除；步骤S3中，采用光刻技术，正负胶的选取依照光刻板图形窗口设计而定，使显影后入射窗口区域光刻胶去除，其余部分光刻胶保留；步骤S4、S5中，采用光刻技术，正负胶的选取依照光刻板图形窗口设计而定，使显影后电极图形区域的光刻胶去除，非电极区域光刻胶保留。
其中，所述步骤S4、S5中，蒸镀n型电极材料、p型电极材料采用的方法为电子束蒸发或热蒸发技术；蒸镀n型电极材料和p型电极材料的厚度均为 100-300nm。采用Lift Off技术溶解光刻胶，溶解液选用丙酮溶液。快速退火处理为，利用快速退火炉，在氮气氛围下对n型电极7、p型电极8进行退火，退火温度及时间由电极材料所选金属种类而定。
本发明的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器，利用超薄多量子阱结构作为器件的吸收工作区，相比于传统的单一AlGaN材料吸收区结构，多量子阱结构通过阱垒组分、厚度的调节可以实现有效的日盲紫外吸收，同时避免了 AlGaN(Al组分为0.5左右)材料生长质量差的问题，多量子阱结构形成的子带间带隙对于温度的稳定性较好；在n型AlGaN区生长不同Al组分的异质结构，利用异质结产生的极化电场增强对光生载流子的输运能力，提高器件综合性能。本发明的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器，结构简单、制备方法工艺也简单、应用前景广泛。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器，其特征在于，包括衬底，在所述衬底上依次生长低Al组分的n型AlGaN层、高Al组分的n型AlGaN层，周期性AlxGa1-xN/AlN超薄量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层；还包括n型电极和p型电极；
所述高Al组分的n型AlGaN层、所述超薄量子阱结构层、所述p型AlGaN层和所述p型GaN层在所述n型电极区域被刻蚀掉；所述p型AlGaN层和所述p型GaN层在探测器的有源区被刻蚀掉；所述n型电极位于所述低Al组分的n型AlGaN层的上方，所述p型电极位于所述p型GaN层的上方；
所述低Al组分的n型AlGaN层，作为探测器的n型区，同时与所述n型电极形成欧姆接触；所述高Al组分的n型AlGaN层，作为探测器的n型区，并与所述低Al组分的n型AlGaN层形成异质结，产生的极化电场的方向与外加工作电场的方向相同，有利于电子的输运；所述超薄量子阱结构层，作为探测器的吸收工作层，吸收紫外信号；所述p型GaN层，与所述p型电极形成欧姆接触；
所述低Al组分的n型AlGaN层，其Al组分范围为：0.45-0.6；
所述高Al组分的n型AlGaN层，其Al组分范围为：0.7-1。
2.根据权利要求1所述的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器，其特征在于，所述衬底的材质为异质衬底材料或同质衬底材料；
所述异质衬底材料为蓝宝石、碳化硅、硅中的任意一种；
所述同质衬底材料为GaN或AlN。
3.根据权利要求1所述的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器，其特征在于，所述超薄量子阱结构层中周期性的AlxGa1-xN/AlN材料，阱层AlxGa1-xN材料Al组分x为0.1-0.2，多量子阱的分立子能级由阱垒材料的带隙及厚度共同决定，通过求解克龙尼克-潘纳势阱模型进一步确定阱垒层材料厚度，实现多量子阱子带带隙吸收为日盲吸收。
4.根据权利要求1所述的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器，其特征在于，所述n型电极为欧姆电极，材质为Pt、Ti、Al、Ni、Au中的任意一种，或为Pt、Ti、Al、Ni、Au中的两种及以上的合金；
所述p型电极为欧姆电极，材质为Pt、Ni或Au。
5.一种如权利要求1所述的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：生长器件外延材料：在所述衬底上依次生长所述低Al组分的n型AlGaN层、所述高Al组分的n型AlGaN层、所述周期性AlxGa1-xN/AlN超薄量子阱层、所述p型AlGaN层和所述p型GaN层；
S2：制备台面结构：采用PECVD技术在器件外延材料的最外层生长SiO2掩膜层，采用光刻技术在SiO2掩膜层上光刻出器件台面图形，采用RIE刻蚀去除非台面区域没有光刻胶覆盖的SiO2掩膜层，采用ICP技术将无SiO2掩膜层覆盖的区域刻蚀至所述低Al组分的n型AlGaN层，用HF去除台面区域的SiO2掩膜层；
S3：制备入射窗口结构：采用PECVD技术在器件外延材料的最外层生长SiO2掩膜层，采用光刻技术在SiO2掩膜层上光刻出有源区上方的入射窗口图形，采用RIE刻蚀去除入射窗口区域没有光刻胶覆盖的SiO2掩膜层，采用ICP技术将无SiO2掩膜层覆盖的区域刻蚀至所述超薄量子阱结构层，用HF去除非入射窗口区域的SiO2掩膜层；
S4：制备所述n型电极：采用光刻技术在所述低Al组分的n型AlGaN层的上方制备所述n型电极的光刻胶掩膜图形，显影后电极图形区域的光刻胶去除，非电极区域光刻胶保留，之后在光刻胶掩膜图形上蒸镀n型电极材料，再采用Lift Off技术去除光刻胶及其上部覆盖的电极材料，最后快速退火处理；
S5：制备所述p型电极：采用光刻技术在所述p型GaN层的上方制备所述p型电极的光刻胶掩膜图形，显影后电极图形区域的光刻胶去除，非电极区域光刻胶保留，之后在光刻胶掩膜图形上蒸镀p型电极材料，再采用Lift Off技术去除光刻胶及其上部覆盖的电极材料，最后快速退火处理。
6.根据权利要求5所述的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，步骤S1中生长器件外延材料的方法为MOCVD。
7.根据权利要求5所述的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用光刻技术，正负胶的选取依照光刻板图形窗口设计而定，使显影后台面区域光刻胶保留，非台面区域的光刻胶去除；
步骤S3中，采用光刻技术，正负胶的选取依照光刻板图形窗口设计而定，使显影后入射窗口区域光刻胶去除，其余部分光刻胶保留；
步骤S4、S5中，采用光刻技术，正负胶的选取依照光刻板图形窗口设计而定，使显影后电极图形区域的光刻胶去除，非电极区域光刻胶保留。
8.根据权利要求5所述的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S4、S5中，蒸镀n型电极材料、p型电极材料采用的方法为电子束蒸发或热蒸发技术；
蒸镀n型电极材料和p型电极材料的厚度均为100-300nm。
9.根据权利要求5所述的超薄量子阱结构AlGaN日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S4、S5中，采用Lift Off技术溶解光刻胶，溶解液选用丙酮溶液；
快速退火处理为，利用快速退火炉，在氮气氛围下对n型电极、p型电极进行退火，退火温度及时间由电极材料决定。
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